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정의
고분자 전해질 연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 종래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으로 전기를 생산한다.

고분자 전해질 연료전지의 기본 개념

고분자 전해질 연료전지의 기본 개념은 수소와 산소의 전기화학 반응에 의하여 물이 생성되며, 동시에 발생하는 전기를 이용하는 것으로 설명할 수 있다.
위의 그림에서 보는 바와 같이 수소는 연료극(Anode)으로 공급되고 산소는 공기극(Cathode)으로로 공급된다. 연료극으로 공급된 수소는 전극촉매상에 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해되고, 이 중 수소이온만이 선택적으로 고분자 전해질막을 통과하여, 공기극으로 전달된다. 동시에 전자는 외부도선을 통해서 공기극으로 이동하는데, 이들이 공기극에 공급된 산소와 만나서 물을 생성하는 반응을 일으킨다. 이때에 일어난 전자의 흐름으로 인해 전류가 생성되고, 물생성 반응에서 열도 부수적으로 발생한다. 이렇게 생성된 전류는 직류 전류로써, 직류 전동기의 동력으로 사용되거나 전력변환기를 통해 교류 전류로 바꾸어 사용하기도 한다. 연료전지 반응에서 생성되는 부가적인 열은 난방용으로 사용될 수도 있다.

연료전지의 연료인 수소는 순수 수소를 이용하거나, 도시가스, 메탄올, 에탄올 같은 탄화수소를 이용하여 개질이라는 과정을 통해 생산된 수소를 이용한다. 공기극으로 공급되는 산소의 경우, 순수한 산소를 이용하면 연료전지의 성능을 높일 수 있지만 산소 저장에 따른 비용과 무게가 증가하는 문제가 있다. 따라서 공기를 그대로 이용하는 방식을 이용한다.

고분자 연료전지의 전극 반응은 아래의 식과 같으며, 최종적으로 전기와 열 및 물이 동시에 생성된다.

Anode : 2H2 -→ 4H+ + 4e-
Cathode : O2 + 4H+ + 4e- -→2H2O
Overall : 2H2 + O2 -→2H2O + 전류 + 열

연료전지의 종류 및 특성

연료전지는 내부 전해질에 의하여 아래 표와 같은 형태로 구분되어진다. 각 연료전지는 근본적으로 같은 원리에 의해서 작동하지만, 서로 다른 점은 연료의 종류, 운전 온도, 촉매와 전해질이다.

연료전지의 종류
연료 전지 형태	전 해 질	촉 매	운전 온도
인산형 (PAFC)	인산 (액체)	platinum on PTFE/carbon	200℃
알칼리형 (AFC)	수산화칼륨 (액체)	platinum on carbon	80℃
고분자전해질형 (PEMFC)	나피온 Dow 폴리머	platinum on carbon	85-100℃
용융탄산염형 (MCFC)	Lithium or potassium carbonate(액체)	니켈 또는 니켈 화합물	650℃
고체산화물형 (SOFC)	Yttria-stabilized zirconia (고체)	니켈/ Zirconia cermet	1000℃
직접메탄올 (DMFC)	Polymer Membrane	Pt-Ru or Pt/C	25 - 130℃

종류	발전온도	전해질	주연료	기술수준	적용대상
고분자전해질형 PEMFC DMFC	상온-100℃	이온(H⁺)전도성 고분자 막	수소 메탄올	개발 및 실증단계	소형전원 자동차
인산형(PAFC)	150-200 ℃	인산(H₃PO₄)	천연가스 메탄올	상용화단계	분산전원
용융탄산염(MCFC)	600-700 ℃	용융탄산염 (Li₂CO₃-K₂CO₃)	천연가스 석탄가스	개발단계	복합발전 열병합발전
고체산화물(SOFC)	700-1000 ℃	고체산화물 Yttria-stabilized zirconia	천연가스 석탄가스	개발단계	복합발전 열병합발전
알칼리형(AFC)	상온- 100 ℃		수소	사용중	특수목적

인산형 연료전지

    인산형 연료전지 기술은 20년 이상 개발되고 개선되어 왔고, 전기 생산에 비교적 순수한 수소(70% 이상)를 요구한다. 인산형 연료전지 내의 전극은 탄소 지지체의 표면적 위에 촉매로써 백금이나 백금 혼합물을 포함한다.
   인산형 연료전지의 운전 온도는 약 200℃ 이다. 이것은 인산 전해질의 안정도를 위하여 허용하는 최대값이다. 이 기술로 현재까지 순수한 발전 효율은 40∼50% 정도이다. 이 수준 보다 높은 효율을 갖기 위해서는 전지와 스택 구성품의 지속적인 개발에 의한 종합시스템 제어에 의존하여야 한다. 일례로 인산형 연료전지의 반응이 발열 반응이므로 연료전지가 반응온도인 200℃로 유지함이 최적의 운전 조건이 된다. 따라서 연료전지 반응시 반응열을 냉각시켜야 하며 이때 생성되는 반응열을 이용하면 효율을 70%이상 높일 수 있다.
   인산은 저온 연료전지를 위한 전해질로써 필요한 수명을 가진 그런 유일한 물질로 알려져 있다. 이것이 낮은 이온 도전율을 가지고 있다 할지라도 이것의 안정도는 전류 상태를 증진시키는 전지 개발에 기여하였다. 인산형 연료전지 응용은 휴대용, 자동차용 및 고정용 전원을 포함한다.

알칼리 연료전지는 전해질로써 수산화칼륨과 같은 알칼리를 사용한다. 연료로서 순수 수소를 쓰며, 산화제로써는 순수 산소를 쓴다. 운전 온도는 대기압에서 60∼120℃이다. anode의 촉매는 니켈망에 은을 입힌 것 위에 백금-납을 사용하고, Cathode는 니켈망에 금을 입힌 것 위에 금-백금을 쓴다. 알칼리 연료전지의 고효율화의 기본적인 목적은 자동차 산업의 전원 공급용이다. 알칼리 연료전지는 알칼리가 이산화탄소에 민감하기 때문에 인산형 연료전지의 개발보다 늦게 개발되었다.
알칼리 연료전지 시스템에서 수소의 저장과 이산화탄소의 경제적인 제거는 알칼리 연료전지의 상업화에 가장 중요한 요소이다. 자동차의 경우에 알칼리 연료전지가 확보할 수 있는 시장 비율은 경쟁성 기술에 의하여 영향을 받을 것이다. 알칼리 연료전지 기술 전망은 수소 저장과 대규모 상업화를 시작하기 전에 유통망(distribution)의 개량을 필요로 한다. 과학자들에 의하여 오랫동안 주장되어 온 수소를 기초한 미래 자동차의 경제성은 알칼리 연료전지의 상업화를 선호하게 될 것이다.

고분자전해질형 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 중합체(Membrane)로써 다른 연료전지와 구별된다. 인산형 및 알칼리형 연료전지 시스템과 비슷하게 멤브레인을 이용하는 연료전지는 촉매로써 백금을 사용한다. 멤브레인 연료전지의 개발 목표는 최소 1.5g/kW의 백금 촉매를 쓰는 것이다. 이 백금 촉매는 일산화탄소에 의한 부식에 민감하므로 일산화탄소의 농도는 1000ppm 이하로 유지하여야 만 한다.
고분자전해질형 연료전지 시스템의 소형화는 자동차 응용에 가장 중요한 역할을 한다. 개발 사업은 인산형 연료전지보다 약 10년이 뒤져 있지만, 인산형에 비해 저온에서 동작되며, 출력 밀도가 크므로 소형화가 가능하며, 기술이 인산형과 유사하여 응용 기술의 적용이 쉽기 때문에 현재는 고분자전해질형 연료전지의 이용 규모가 적을지라도 상업화할 수 있다. 더욱이 현재 몇 개의 시범용 고분자전해질형 연료전지의 전원에 의한 자동차는 실험 결과 우수성이 입증되어 더 많은 연구 계획을 진행 중에 있다.

   용융탄산염형 연료전지의 전해질은 낮은 용융점을 가지는 탄화리튬과 탄화포타슘의 혼합물이다. 전극은 다공성 니켈로 만든다. 전극의 부식성과 내구성은 아직 개발에 중요한 애로점이다.
   용융탄산염형 기술의 산 또는 알칼리 연료전지 기술 보다 뚜렷한 장점은 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소에 대하여 내성이 있는 점이다. 이것은 일산화탄소와 이산화탄소를 분리하는 공정을 필요로 하는 다른 것들보다 초기 투자비가 낮고 시스템 설계가 매우 단순해지는 결과를 가져온다. 용융탄산염형 연료전지의 운전 온도는 약 650℃이고, 전지 스택의 열로 전지 내부의 탄화수소 기체의 개질을 허용한다. 내부 개질의 장점은 30% 또는 그 이상의 비용을 감소시킨다.
   용융탄산염 연료전지를 상업화하기 전에 내구성과 신뢰도를 개량시킬 필요가 있다. 운전온도가 높아 정상운전 되는 동안 용융탄산염 전해질의 결핍과 증발로 인하여 양이 줄어들기 때문이다. 이것이 운전의 안정성과 현재 용융탄산염형 연료전지의 유효 수명의 제한점이다.

고체산화물형 연료전지의 특징은 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있는데 있다. 전해질은 안정화된 산화이트늄으로 가스가 스며들지 않은 산 이온이 효율적으로 접촉하고 있는 얇은 산화지르코늄 층이다. Cathode는 안정된 산화이트늄으로 된 지르코늄으로 만들어졌고, anode는 니켈-지르코늄 세라믹 합금으로 만들어졌다.
고체산화물형 연료전지의 가장 톡특한 특성은 운전 온도는 약 1000℃ 로써 매우 높다는 것이다. 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기 화학적 산화 반응이 일어나고 촉매없이 연료가 개질된다. 운전 온도 1000℃에서 금속 재료의 적당한 열적-기계적 강도를 요구하기 때문에 가스 누출 방지가 가장 중요한 애로 사항이다. 세라믹 재료 기술의 개발은 고체산화물형 연료전지가 상업적으로 발전을 시작하기 전에 필요한 기술이다. 고체산화물형 연료전지는 상업적으로 자동차 응용에 연구되어지고 있다. 자동차에 사용하기 위한 이 전지 기술의 모형화가 밧데리 전원 공급형 자동차가 아닌 전위밀도를 요구하는 것과 접목시키는 것이 궁극적인 목적이다.

DMFC는 메탄올을 직접, 전기화학 반응시켜 발전하는 시스템이다. 전해질은 이온 교환막에 인산을 담지시킨 것이다. 작동 온도는 150℃로 비교적 저온이다. PEFC와 비교하여 개질기를 제거할 수 있으며, 시스템의 간소화와 부하 응답성의 향상이 도모될 수 있는 장점을 갖고 있다. 그러나 반응 속도가 낮은 것이 의한 저출력 밀도, 다량의 백금 촉매의 사용과 메탄올과 산화제의 Cross Over(고체 고분자 막을 통과하는 것) 등의 단점도 있다.

연료전지는 도심지에서의 대기 공해를 환상적으로 줄일 수 있다. 연료전지는 동력원의 시스템 효율이 50% 이상이고(기존 내연기관의 효율은 25% 이하이다), NOx, SOx 등의 유해 가스의 배출이 1% 이하인 청정 고효율 발전 시스템이다.

70년대의 오일쇼크 이래로 선진 각국에서 꾸준히 대체에너지원의 개발에 노력을 경주하여 왔는데, 연료전지는 석유에너지 이외에 메탄올, 에탄올, 천연가스 등의 대체에너지를 이용하여 발전할 수 있다. 따라서 절대적인 자원이 부족한 우리나라의 현실에서 볼 때, 연료전지는 차세대 동력원으로 주목받을 것이다.

연료전지는 금속, 전기, 전자, 기계 및 제어 산업과 부수적인 장치를 공급하는 새로운 시장이 창조될 수 있다. 이것은 역시 수십만의 전문직 직업을 창조해 낼 수 있으며, 무역 수지에 엉청난 기여를 할 것이다.

자동차 응용
최근에 전 세계적으로 지구의 환경 문제가 중요한 관심사로 떠오르고 있고, 이를 해결하기 위한 여러 가지 규제들이 국제적으로 제정되어 환경 보호를 위해 시행되고 있다. 이에 가장 중요한 환경 공해는 주로 석유 연료의 사용에 의해서 발생되고 있는데, 국내에서 수송수단이 차지하는 석유 에너지 소모량은 97년 현재 약 22%를 상회하고 있으며, 전체 공해 발생량 중 차량 및 수송 수단에서 발생되는 것의 약 50.3%를 차지하고 있으며 해마다 계속 증가하고 있는 추세이기 때문에 차량에 의한 공해 발생을 절감시키는 것이 매우 중요하다.
이에 대응하기 위하여 저공해 자동차의 개발을 통한 공해 발생을 줄이기 위하여 전기자동차, 축전지와 내연기관의 하이브리드 자동차, 연료전지 자동차등이 개발되고 있는데, 전기 자동차는 운행거리를 충분히 확보할 수 있는 축전지 기술의 실용화에 한계가 있다. 이러한 내연기관과 전기자동차의 문제점을 해결할 수 있는 유망한 기술이 연료전지를 이용한 전기자동차이다. 연료전지 자동차는 Time지가 선정한 2000년대 초반에 개발되어야할 10대 기술중의 하나로 현재 선진 각국이 실용화를 위해 연구가 추진 중에 있다.

전기자동차와 연료전지자동차

  연료전지 자동차도 일종의 대체에너지를 이용한 전기자동차이지만 축전지 구동 전기자동차와 구분하기 위하여 축전지 구동 자동차를 전기자동차로 기술하여 연료전지 자동차와 구분하여 설명한다. 연료전지 자동차와 비교할 수 있는 대상은 축전지 구동 전기자동차이다. 전기자동차로부터 직접 배출되는 매연의 수준은 연료전지 자동차에 비해 매우 낮다. 전기자동차에 대한 주요 공해원은 축전지를 충전하는데 필요한 전기를 생산하기 위해 생기는 발전소에서의 공해이다. 따라서 충전을 위한 전력을 무공해 발전 방식인 태양광, 풍력 그리고 수력을 이용한 발전을 하였을 경우에만 전기자동차의 공해량이 연료전지 자동차의 공해량보다 낮은 수준이 된다.
  이와 같이 전지자동차의 실용화는 전세계적으로 그 필요성이 인정되어 있지만 지금까지는 기술개발, 표준화, 시험안, 국가지원, 인프라 연구 등 여러 가지 전기자동차 관련분야 중에서 오직 기술개발만을 목적으로 모든 연구가 진행되어 왔었다. 그러나 차량이 양산체제에 돌입하고 시판까지 이르기 위해서는 개발품에 대한 성능의 객관적인 평가가 무엇보다 필요하고 이는 개발자뿐만 아니라 소비자들에게도 중요한 것이다.
   연료전지 자동차는 전기 자동차와 거의 특성이 비슷하여 구동 방법상 근본적인 차이는 없다.다만 구동원을 위한 에너지원으로써 연료전지 자동차는 순수 수소 혹은 개질 수소를 사용하여 발생하는 전력을 사용하고, 전기자동차는 보통 발전소에서 공급하는 전력을 사용한다는 점이다.

전기자동차와 연료전지자동차

국내·외 고분자 연료전지 관련 기술의 현황

1) 국내의 경우

가) 고분자 연료전지 기초연구 (1991-1993. 포항공대 동자부 연구비)
나) 1kW급 고분자 전해질 연료전지 스택 개발 (1994-1996, 한국가스 공사, 통산산업부 연구비),
    상용 고가 전해질막과 전극으로 스택 구성함.
다) kW급 고분자 연료전지 개발 (1999, KIST)
라) 소형고분자 연료전지 개발 (삼성종합기술원)
마) 고분자 전해질 개발 (1999, 한국에너지기술연구소-한화석유화학)

2) 국외의 경우
가) 일본
ⅰ) Toshiba사는 독립 건물용 30 kW 급 고분자 연료전지 시스템을 제작중(NEDO program)
ⅱ) Sanyo 전자는 주택용 30 kW 급 고분자 연료전지 시스템을 제작중(NEDO program)
ⅲ) Kansia electric power 는 Fuji 전자회사와 공동으로 열병합 발전용 고분자 연료전지 시스템
    개발중
iv) Nissan사는 1990년대 초에 자동차용 연료전지를 개발하기 시작하여, 1991년 부터 Ballard사와
    공동 개발하고 있으며, 1997년에 연료전지 자동차 연구 및 시험용으로 Ballard사의 연료전지를
    220만 Can$ 상당 도입하였음.
v) Honda도 Ballard사와 공동으로 연료전지 자동차를 연구하고
    있으며, 1997년 에 180만 Can$ 상당의 Ballard사 연료전지를 도입하였음.
나) 미국, 캐나다
ⅰ) PEMFC를 우주선용으로 1960년대 최초 개발(GE사 제미니 우주선 용)
ⅱ) 캐나다의 Ballard 사에서는 천연가스를 이용한 10Kw급, 수소가스를 이용한 30 kW급, 천연가스
    를 이용한 250 kW 급 고분자 연료전지 시스템을 일부 개발
iii) 미국의 Analytic Power 사에서는 정지형 10kW 급 스택 시제품 개발
iv) 미국의 Plug Power L.L.C. 사는 가정용 10kW 급 발전 시스템을 제작
v) 미국 에너지성(DoE)은 General Motors, Ford, Chrysler의 자동차 3사와 6개 연방정부 공동으로
    1993년부터 공동체(PNGV)를 형성하여 무공해 고효율 연료전지 자동차의 개발 프로그램을
    시작함.
vi) 미국 International Fuel Cells(IFC)사는 1994년부터 DOE/Ford 프로그램으로 수송용 50kW
    PEMFC 개발함
vii) Energy Partners사는 21kW 연료전지를 장착한 하이브리드 자동차 "Green Car"를 개발함
다) 유럽
ⅰ) 독일의 Siemens 사는 분산형용 소규모 정지형 단위시스템을 개발중
ⅱ) BEWAG 사는 캐나다의 Ballard 사와 공동 연구를 통하여 250 kW 급 고분자 연료전지 시스템
    개발(전시중)
iii) 독일의 Daimler-Benz사에서 연료전지 버스와 승용차(버스: NEBUS(25kW급 연료전지 10개
    사용, 전체 출력 190kW), 승용차: NECAR I(1994), NECAR II(1996), NECAR III(1997))를 각각 개발
    하였으며, 현재 메탄올 개질 연료전지 자동차를 비롯하여 소형화를 위한 연구 개발을 진행 중임.
iv) 독일의 Siemens와 MAN사는 150kW PEM 연료전지를 사용한 City Bus를 공동 개발 중이며,
    Siemens사는 이를 잠수함에 응용하는 연구를 진행 중임. v) 독일의 Volkswagen사와 스웨덴의
    Volvo사는 Golf급 연료전지 하이브리드 자동차를 공동 개발하고 있음.
고분자 연료전지 응용분야

- 소형 연료전지

정지형 고분자 연료전지(Stationary PEMFC)의 용도

분산용 전원(distributed Power)
설치 장소의 다양성, 소비지에 직접 설치
투자비의 규모에 따른 설비 규모의 가변성(Modularity)*-
부하 변동에 따른 유연한 대처, 극히 적은 송전 비용
고급 전원 공급(무정전, 무변동 고급 전력 공급)

도서지역 공급 전원(remote power)
산간 도서 벽지의 공급 전원

비상 전원 (standby power)
정전 대비 비상 전원

폐열 이용 난방 (cogeneration)
건물 난방, 효율 향상

가정용 고분자 연료전지의 국외 개발 현황

단위 전지(Unit cell)

연료전지 스택을 구성하는 하나의 기본체를 단위전지라 하며 연료극, 공기(산소)극, 전해질로 구성됩니다. 단위전지를 반복하여 쌓으면 연료전지 스택이 됩니다.

발전비용

전기를 생산하는데 필요한 경비를 발전비용이라 합니다. 발전비용에는 발전소를 짓는데 필요한 건설비용과 발전소 건설한 후 운전하는데 필요한 운전비용으로 나누어 집니다. 연료전지 발전소의 건설비용은 kW당 현재 3000$ 이상으로 기존의 화력발전소 건설비용인 1200$에 비해 매우 높습니다. 그러나 환경오염과 자원고갈과 같이 당장 계산에 포함되지 않는 요소들을 고려한다면 그 차이는 줄어들 것입니다.

발전장치

발전소에서 전기를 생산하는데 필요한 장치들을 의미합니다. 일반적인 화력 발전의 경우, 고온· 고압의 증기를 생산하는 보일러, 증기를 이용해 발전기 축을 돌리는 증기 터빈, 영구자석으로 이루어진 발전기등이 주요 발전장치에 해당합니다.

발전효율

발전에 사용되는 연료가 갖고 있는 총에너지 중 전기로 전환된 에너지의 비율을 말합니다. 예를 들어, 발전효율이 30%라는 것은 연료가 갖는 총에너지의 30%만이 전기로 전환되고 나머지 70%는 열에너지를 비롯한 다른 에너지 형태로 변환된 것을 의미합니다.

복합 발전

집이나 공장에서 전기와 열을 많이 사용합니다. 이때 필요한 전기와 열을 같이 생산하는 것을 복합발전이라고 합니다.

연료전지

연료전지는 수소, 또는 기타의 액체 연료(천연 가스, 나프타, 메탄올)를 직접 전기로 전환시키는 에너지 변환 장치이다. 이것은 연료와 산화제를 전기 화학적으로 반응시켜 그 반응 에너지를 직접 전기 에너지로 전환시키는 직류 발전 장치입니다. 즉, 연료의 연소 에너지를 열로 이용하는 것이 아니라 전기 에너지로 이용하는 것으로서, 배기 가스와 소음이 없는 무공해 전원 장치이며, 미래형 발전기라 할 수 있습니다.

전기화학반응

두 가지 이상의 물질들이 합쳐지거나 하나의 물질이 쪼개어져 처음과는 성질이 다른 물질로 되는 변화를 화학 반응이라고 하고 전자나 이온이 참여하여 전기현상과 관련된 화학반응을 특별히 전기화학 반응이라 부릅니다.

전기 에너지

전자의 흐름으로 어떤한 일을 할 수 있는 에너지의 한 형태입니다.

촉매

화학 반응에 있어서 자신은 변화하지 않고 다른 물질의 화학 반응을 촉진 또는 지연시키는 물질을 말합니다.

화석연료

석탄, 석유, 가스 등과 같이 지구 역사상 아주 오래전에 생물체들이 땅속에 묻혀서 변화(화석화)되어 만들어진 연료를 말합니다. 현재 매우 많이 사용하고 있으나 사용을 하면 할수록 매장량은 줄어들고 환경을 오염시킵니다.

우주선을 움직일 에너지로 석유를 쓴다고 생각해 봅시다. 몇 년간 우주를 떠돌아 다니는 미르호 우주선에 석유를 넣고 간다면 얼마나 많은 석유를 갖고 가야 할까요? 아마도 어마어마한 양을 싣고 가야 할 것입니다.

그렇다면 어떤 방법으로 러시아의 우주 정거장 미르호는 에너지를 얻을까요? 잠수함은 한 번 깊은 바닷속에 들어가면 몇 달을 있다가 나오기도 합니다. 그 많은 사람들과 큰 기계가 필요로 할 에너지를 어떻게 구할 수 있을까요?

그런 특수한 목적으로 사용하는 에너지원으로 연료전지가 있습니다.

연료전지란 천연가스, 메탄올, 석탄가스 등의 연료에 있는 수소와 공기중에 있는 산소를 전기 화학반응을 일으켜 연료가 갖고 있는 화학에너지를 직접 전기에너지와 열로 변환시키는 발전장치입니다.

우리나라에서 사용하는 전기의 60%가량은 화력 발전으로 생산됩니다. 화력 발전에 쓰이는 연료들은 거의 모두 우리나라에서 생산되지 않는 화석연료들입니다. 그래서 우리나라의 전력 생산에는 많은 외화가 들어갑니다. 전기의 95%이상을 외국에서 수입한 자원으로 만듭니다.

하지만 화력 발전을 하는 것보다 적은 양의 화석연료를 이용하여 많은 양의 발전을 할 수 있다면 그것이야말로 우리나라 같은 자원 빈국에서 필요로 하는 발전입니다. 이와 같은 생각에서 연구된 것이 바로 연료전지입니다.

연료전지 역사

1839년 영국의 William R Grove에 의해 수소를 연료로 하는 최초의 연료전지가 제작, 실험되었으나 제조비용, 연료의 특수성 및 짧은 수명 등으로 연구개발이 미비했습니다.

연료전지는 우주선, 특수 잠수함, 무인 통신중개소 등과 같이 단위 부피당 높은 발전 출력이 요구되는 곳에서 사용하기 위하여 1960년도 초부터 미국, 소련 등에서 본격적인 연구가 시작되었습니다.

미국 우주개발 계획의 하나로 General Electric사에서 연료전지를 개발하여 제미니 우주선에 장착하는 첫번째 시도가 1965년에 이루어졌습니다.

산업혁명 이후 시작된 화력발전은 심각한 지구 공해 문제와 1970년대 초의 석유파동 등으로 자원고갈 문제에 부닥치게 되었습니다. 이에 선진각국에서는 공해 요인이 적고 효율이 높은 연료전지의 개발에 큰 관심을 갖게 되었고, 현재 우리나라에서도 미래의 에너지원 중 하나로 기대되는 연료전지 개발에 많은 예산을 투입하고 있습니다.

연료전지의 장점

연료전지의 단점

·발전 효율이 높습니다. (발전효율이 35%정도인 기존의 발전장치보다 10-25% 더 높습니다.)

·환경문제가 적습니다.

·다양한 연료(석탄, 천연가스, 석유등)를 사용 수 있습니다.

·다양한 발전 용량의 제작이 가능합니다. 발전소와 같은 대용량의 발전이나 자동차를 움직일 정도의 적은 양의 발전 등 발전 용량을 쉽게 조절할 수 있습니다.

·발전소 건설비용이 높습니다.
(기존의 화력 발전소 건설에는 kW당 1,200$이 소요되나, 연료전지 발전소 건설에는 현재 3,000$ 이상이 필요합니다.)

·연료전지의 수명과 신뢰성을 향상시키는 기술적 연구개발이 더 이루어져야 합니다.

모든 연료전지의 기본 원리는 동일하나 단위전지(Unit Cell)내에서 전달하는 전해질 및 작동 온도에 따라 아래 표와 같이 연료 전지의 종류가 구분됩니다.

전기 사용량이 수백 KW 정도인 병원, 호텔등에 직접 설치하여 전기와 열을 공급하는데 쓰입니다. 또한 도시내의 자동차 공해를 줄이기 위해 버스에 사용됩니다.

작동 온도가 650^oC로 높기 때문에 복합 발전에 유리하여 주로 수백 MW급 대규모 화력 발전소 대체용으로 사용됩니다.

용융 탄산염 연료전지와 마찬가지로 대규모 화력발전소 대체용으로 사용되며 작동 온도가 용융탄산염 연료전지보다 더 높기 때문에 더 높은 발전 효율이 기대됩니다.

연료전지 중 단위 무게당 출력이 가장 높고 또한 즉시 발전이 가능하기 때문에 휴대용 발전기 및 승용차, 버스, 선박등 교통 수단에 사용 됩니다.

	알카리형 (AFC)	인산형 (PAFC)	용융 탄산염 (MCFC)	고체 산화물형 (SOFC)	고체 고분자형 (SPEFC)
1. 전력 회사 및 가스 회사	X	O	O	O	O
2. 산업체(금속, 화학, 시품, 정유 등)	X	O	O	O	O
3. 열병합 발전	X	O	O	O	O
4. 상업용 건물(병원, 호텔)	X	O	O	O	O
5. 주거용 건물(APT등)	X	O	X	O	O
6. 수송용 분야(버스, 승용차, 기차 등)	X	O	X	O	O
7. 우주선	O	X	X	X	X
8. 잠수함	X	X	X	X	O
9. 군용(레이더 기지, 비행기 등)	O	O	X	X	O

연료전지가 각광받는 이유

고효율 · 무공해 두마리 토끼 잡는다

최근 들어 미래의 에너지문제와 공해문제를 해결할 수 있는 하나의 대안으로 연료전지가 손꼽히고 있다. 실제로 요즘 매스컴에 자주 등장하는 연료전지자동차는 미래의 무공해자동차로 주목받는 제품이다. 충전 없이 장시간 수명을 유지하는 휴대폰용 연료전지 배터리도 마찬가지. 과연 연료전지가 무엇이기에 미래의 신에너지로 각광받는 것일까.

몇해 전 톰 행크스가 주연해 인기를 끌었던 영화 ‘아폴로 13’을 기억하는가. 이 영화에서는 아폴로 13호 우주선의 연료전지용 산소탱크에 문제가 생겨 전원이 차단되는 바람에 달 착륙은 고사하고 우주미아가 될 뻔한 이야기를 실감나게 다루고 있다.

영화 밖 현실을 둘러보면 어떨까. 우주선이 작동하기 위해서는 그 추진력을 만족시키기 위한 방대한 양의 에너지가 필요하다. 제한된 공간에서 고효율의 에너지를 만들어내야 하며, 에너지 발생 단계와 그 과정에서 발생하는 오염물질은 최소화시켜야 한다.

이런 까다로운 요구조건을 충족시켜줄 수 있는 해결책으로 등장한 것이 바로 연료전지다. 연료전지는 제미니, 아폴로 우주선에서 챌린저, 콜롬비아의 왕복우주선에 이르기까지 우주선용 전원으로 두루 사용됐다. 이뿐만이 아니다. 연료전지는 전기에너지를 만들어낼 때 물이 함께 발생하기 때문에 우주비행사들의 음용수 역할까지 톡톡히 해낼 수 있다. 이렇듯 꿈의 전지라 불리는 연료전지는 연료전지자동차의 개발에 대한 일반인들의 기대와 관심 때문에 최근 매스컴에 집중 부각되고 있다.

우주선용으로 사용돼 오던 연료전지는 고효율에다 무공해 발전장치라는 장점을 갖고 있다. 이런 이유로 일반 생활에서 뿐만 아니라 군사적인 목적으로도 활용 가능성이 무한하다. 따라서 우리나라를 비롯해 전세계적으로 선진국들은 미래의 신에너지원 기술을 선점하기 위해 범국가적 연구개발을 활발히 진행하고 있으며, 그런 노력에 힘입어 연료전지의 실체가 곧 우리 눈앞에서 현실화될 것으로 전망된다.

앞으로 우리는 출퇴근길에 연료전지발전소의 전력으로 움직이는 전철을 이용하게 될 것이며, 가정에 있는 가정용 연료전지에서 나오는 전력으로 생활할 것이다(이때 남는 전기는 전력회사에 판매한다). 자주 충전을 요하는 휴대폰 배터리는 한달 간 지속되는 연료전지 배터리로 바꾸면 된다. 또 우리의 영해는 연료전지 잠수함에 의해 수호된다. 상상만으로도 즐겁고 뿌듯하지 않은가.

연료전지의 원리를 따져보기 전에 전기의 발생원리부터 차근차근 생각해보자. 생활에 필요한 전기는 어떻게 얻어지는 것일까. 현재 대부분의 전기는 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석연료를 연소시켜 발전하는 화력발전 방식으로 얻어진다. 이러한 화력발전은 연료의 화학에너지가 열에너지에서 기계적 에너지로, 여기에서 다시 전기에너지로 변화하는 3단계의 과정을 거쳐 전기를 발생시키는 발전방식이다. 즉 연료의 화학에너지를 연소를 통해 스팀(열)으로 변화시키고, 이를 다시 기계적 터빈 회전력을 통해 전기에너지를 발생시키는 변환 과정이다.

하지만 연료전지는 중간과정 없이 화학에너지에서 바로 전기에너지로 직접 변환된다. 천연가스나 메탄올 등의 연료에서 얻어낸 수소와 공기 중의 산소를 반응시키면, 전기에너지를 직접 얻을 수 있다는 말이다. 이러한 원리는 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생된다는 것을 역으로 이용한 것이다.

수소와 산소를 반응시키면 연소반응에 의해 열이 발생하면서 물이 되는데, 이때 수소와 산소를 직접 반응시키는 대신 연료전지를 통해 전기화학반응이 일어나게 하면 물과 열 이외에도 전기를 발생시킬 수 있다. 즉 연료전지란 수소 등의 연료가 갖고 있는 화학에너지로부터 전기에너지를 연속적으로 직접 발생시키는 발전장치다. 연료를 계속 공급하는 한 전기를 계속 발생시킬 수 있기 때문에 일회용인 건전지, 사용후 재충전이 필요한 이차전지와는 달리 연속적인 발전기 또는 에너지변환기의 역할을 수행한다.

또한 연료전지는 발생되는 생성물이 물밖에 없어 무공해 산물의 대표주자로 손꼽힌다. 기계적 에너지 변환 단계가 생략됐기 때문에 소음이 없음은 물론이다. 연료전지가 환경친화적이라고 불리는 이유다.

연료전지는 환경친화적이라는 장점 외에도 고효율이라는 장점을 자랑한다. 그렇다면 연료전지의 효율은 기존의 화력발전에 비해 얼마나 높을까. 예를 들어 생각해보자. 25℃에서 수소-산소 연료전지로 수소 2g(1몰)과 산소 16g(1/2몰)을 반응시키면 18g(1몰)의 물이 생기면서 이상적으로는 1.229V(볼트)의 전압이 발생한다. 이것은 약 56.9kcal의 열량에 해당하는데, 수소-산소의 원래 반응열은 68.6kcal이므로 연료전지를 통하면서 56.9kcal는 전기에너지로, 나머지 11.7kcal는 폐열로 방출되는 셈이다. 따라서 전기에너지로 활용할 수 있는 효율은 이상적으로는 약 89%나 된다.

그러나 실제로 연료전지에서 전류가 흐르기 시작하면 연료가 공급되는 속도만큼 전기화학반응이 빠르지 않고, 구성요소간의 저항이 있을 뿐 아니라 전극에서 연료나 산소의 농도 차이가 생기는 등 여러 요인에 의해 얻을 수 있는 전압이 이상적인 값보다는 낮다. 그래서 현 수준에서 실제효율이 40-45% 정도다. 그러나 이 효율도 화력발전이나 내연기관의 효율보다는 높은 값이다. 결국 연료전지는 기존의 화력발전보다 효율이 높고 질소화합물, 황화합물, 매연 등을 배출하지 않는다. 또한 회전부위가 없어 소음이 적고 모듈화가 가능해 다양한 용량으로의 건설과 증설이 쉽다. 이밖에 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유 등을 연료로 사용할 수 있으며, 전기에너지와 동시에 열이 발생하므로 폐열을 회수해 지역난방과 온수로 활용하는 열병합 발전도 가능한, 그야말로 ‘효자전지’다.

연료전지의 종류는 어떻게 나뉠까. 연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 분류된다. 전해질로 인산을 사용하는 인산연료전지, 탄산리튬과 탄산칼륨의 혼합물을 사용하는 용융탄산염 연료전지, ‘지르코니아’라는 세라믹을 사용하는 고체산화물 연료전지, 수소이온교환막을 사용하는 고분자전해질 연료전지와 직접메탄올 연료전지, 수산화칼륨을 사용하는 알칼리 연료전지 등이 있다. 이중 인산, 용융탄산염, 고체산화물 연료전지는 주로 발전용으로 개발되고 있으며, 순서대로 각각 제1세대, 제2세대, 제3세대 발전용 연료전지로 나뉜다. 한편 고분자전해질 연료전지는 주로 수송용으로 개발된다. 실제로 미국의 GM, 일본의 도요타, 독일의 벤츠 등 세계의 선진 자동차회사는 빠르면 2003년이나 2004년경 고분자전해질 연료전지를 이용한 무공해 연료전지승용차를 선보일 예정이다. 고분자전해질 연료전지는 승용차 이외에 버스, 오토바이 등의 동력원으로도 개발되고 있으며, 2차 세계대전 때 U보트를 생산한 독일의 HDW사는 연료전지잠수함을 개발해 곧 실전에 배치할 계획이다.

휴대용 또는 이동용 연료전지로는 액체연료인 메탄올을 사용하는 메탄올 연료전지가 적합하다. 메탄올을 카트리지 형태로 연료전지에 부착하면 장시간 전원으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 언제든지 카트리지를 교환할 수 있는 장점이 있다. 따라서 메탄올 연료전지는 이차전지를 대신할 핸드폰용 전원, PDA 전원, 노트북 컴퓨터의 전원 등에 효과적으로 사용할 수 있으며 다른 가전기기 전원으로도 사용할 수 있을 것이다. 또한 파워를 증가시키면 무전기용 전원 등 군수용으로의 이용도 가능하다.

1회 사용하고 버리는 망간전지
1백년 이상의 역사를 갖는 전지의 원조(1868년 프랑스의 르클랑쉬가 구성). 가격이 싸고 제조가 쉬우며 안정성이 높지만, 한번 밖에 사용할 수 없다.

긴 수명을 자랑하는 알칼리전지
리모콘, 오락기, 장난감 등에 널리 사용되는 알칼라인 건전지.
수명이 길고 전지의 형태가 다양하지만, 사이클수명(충전해 사용할 수 있는 횟수)이 충분하지 않다.

보청기용으로 쓰이는 공기전지
산소가 전지 내부로 스며들어와 반응을 일으키는 전지. 수은전지에 비해 에너지밀도가 높고 전기용량이 크다. 공기 중의 이산화탄소나 수증기의 영향으로 성능이 저하될 수 있다.

자동카메라를 동작시키는 리튬전지
고성능의 전자제품용으로 60년대 후반부터 70년대에 걸쳐 개발된 전지.작동전압이 망간전지의 2배이므로 부피와 무게를 줄일 수 있다.

무선전화기의 충전용 니켈-카드뮴 전지
워크맨, 비디오카메라, 노트북, 휴대폰 등에 들어있는 전지.
출력밀도가 높고 충겧堧?효율이 우수하지만, 가격이 비싸며 중금속인 카드뮴이 환경오염문제를 일으킨다.

인공위성의 전원 니켈-수소전지
방전시 수소의 산화반응, 충전시 물의 환원반응에 의한 수소가 생성되는 전지. 1만회 이상 충전할 수 있다.
수소통을 포함하고 있어 일반 전원으로 사용하기에 부적합하다.

전기자동차의 전원 니켈-금속수화물전지
1990년 말 일본의 산요와 마쓰시다가 상용화해 노트북과 휴대폰에 사용된 전지.카드뮴을 사용하지 않아 환경친화적이다.

급속충전이 가능한 리튬이온전지
리튬이온이 양극과 음극 사이를 왔다갔다하면서 전기를 발생시키는 전지. 싸이클수명이 우수하지만, 가격이 비싸고 고용량화가 어렵다.

자유롭게 구부릴 수 있는 리튬폴리머전지
액체전해질보다 이온전도도가 낮은 고체고분자전해질을 사용하는 전지.
무게가 가볍고 부피가 얇으며 자기방전율이 적다.

마이크로시대에 걸맞는 리튬박막전지
양극/전해질/음극의 세층을 아주 얇은 막으로 만든 전지. 층의 두께를 최소화해 전해질의 내부저항이 감소되므로 전지효율을 증대시킬 수 있다. 극소형 마이크로머신 의료분야 등에 꼭 필요한 부품이다

	" Fuel Cell 연료전지 " <-- 각 파트별 개요