연료전지

Fuel Cell

메탄올 연료전지의 모습.*
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1 개요

말 그대로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로서, '3차 전지'라고도 부른다. 연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC등의 다양한 종류가 존재한다.

가장 기초적인 형태의 연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 사용한다. 간단히 요약하자면 물을 전기분해하면 양극에서는 산소가 생성되고 음극에서는 수소가 생성되는데, 이 과정을 완전히 거꾸로 진행시킨다고 보면 된다. 메탄올 등의 알코올을 사용하는 연료전지도 있다. 연구용으로만 따지자면 주스나 혈액에 있는 당으로 작동하는 것도 있다.

PEMFC의 경우 수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극(anode)에서는 H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해된다. 전자는 도선을 타고 양극(cathode)로 이동하고, 수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과하여 양극으로 이동하게 된다. 양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성된다. SOFC의 경우 양극(cathode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 연료전지의 기본 개념이다.

2 배터리(2차 전지)와의 차이

연료전지와 배터리(2차 전지)는 큰 차이가 있는데, 배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 만들어내는 발전기와 같은 장치이다. 따라서 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로서 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야 전력원으로서 사용 가능하다. 또한 충전시간이 꽤 오래 걸린다는 한계가 있는 배터리와는 달리, 연료전지는 그냥 열기관과 같이 연료만 채워넣으면 되므로 충전시간이 비교적 빠르다. 또 시간의 경과에 따라 발생되는 자연방전 문제를 심히 고민해야 하는 배터리와는 달리, 연료전지는 자연방전 문제에 있어서 배터리보다는 사정이 그래도 다소 나은 편이다.

3 연료전지 실용화의 역사

최초의 실용적인 연료전지는 아폴로 계획 당시 식수와 전기를 동시에 해결하기 위해 사용되었으며, 현재에도 미국이나 일본의 일부 지역을 중심으로 하여 일반 가정에서의 실용화를 목표로 하고 있다. 다만 1960년대에 본격적인 개발이 시작된 것 치고는 아직도 넘어야 할 문제점들이 많다는 것이 문제. 가장 큰 문제점으로는 수명 문제가 있다. 연료전지의 경쟁자인 보일러의 수명이 10년 이상인데 반해 연료전지의 경우 현재 시판되고 있는 제품의 수명은 길어야 5년 정도. 또한 연료전지의 종류에 따라 다르지만 예열이 필요한 경우도 있다. 특히 건물용/발전용으로 쓰이는 대형 연료전지가 그러한데 길게는 1일 이상의 예열을 거친 후에야 제대로 전력을 생산해낼 수 있다.

국내에도 연료전지 실용화는 진행중이다. 실제로 삼성전자 등에서 노트북용 연료전지를 2006년 개발하여 뉴스로도 나오기도 했다. 다만 현재 어떻게 되었는지는 아무도 모른다2012년에는 지식경제부 주관으로 90억 정도의 사업 비용을 들어 연료전지 타운을 만들겠다는 기사가 나오기도 했다.

2013년 울산 지역 석유화학 공장에서 나오는 부생수소를 이용한 수소타운을 설립하였다. 회사 소유 사택과 그외 건물에 설치하여 약 160kW급의 수소타운이 형성되었는데 이는 세계 최대 규모의 실증 시설이다. 국책 연구과제로 진행되며 각 가정마다 1kW급 연료전지가 설치되어있고, 건물에 5kW, 10kW급 연료전지가 설치되어 전력과 온수를 공급하고 있다.

3.1 효율

수소와 산소를 이용해 전력을 생산해내는 연료전지의 전력생산 효율은 종류에 따라 다르지만 40~50% 선이다. 전력을 강조해놓은 이유는 연료전지에서 발생하는 열을 이용할 경우의 효율까지 고려해야 하기 때문이다. 이 경우 효율은 80% 이상이며, 연료전지에서 발생하는 열은 물을 가열하여 난방이나 온수 등으로 이용할 수 있게 된다. 특히 SOFC, MCFC 등 고온에서 작동하는 연료전지의 경우 발생하는 열 에너지가 많으므로 이를 적절하게 이용하는 것이 중요하다고 할 수 있다.

연료를 이용하는 효율이 높아 보일러보다 투입되는 연료는 적으면서 비슷한 에너지를 낼 수 있다는 장점이 있어 보일러를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 아직까지 보일러의 가격을 상쇄할 정도로 가격이 현실화되지는 않아서 코스트 다운 등 실용화에 대한 연구가 필요한 실정이다.

한편 전력생산 효율 역시 사실 그렇게 낮은 효율은 아니기도 한데, 이것만 해도 어지간한 내연기관들보다는 효율이 높은 편이며, 지금까지 개발된 동력원들 중에서는 전력생산에 있어서 그럭저럭 쓸만한 효율을 가진 편에 속하기 때문이다. 생물의 에너지 전환율과 비교해 보아도 그러한데, 인간의 신체의 포도당 에너지 전환율이 약 40%인 것을 생각해봐도 그러하다는 점을 알 수 있다.

3.2 연료

현재의 연료전지는 에너지 전환율뿐만 아니라 연료 수급에 있어서도 문제가 있다. 대표적으로 수소는 현재의 기술 수준에서는 석유에서 뽑아내는 방식으로 주로 만들어내고 있는데, 지금의 기술로는 수소를 뽑아내서 연료전지에 쓰는 거 보다 석유를 화력발전에 돌리는 게 아직 더 싸게 먹힌다고 한다.

더군다나 수소는 안전 문제도 있어서 연료전지의 연료로서는 기술적으로 생각보다 부적합한 면이 많기 때문에, 자동차 분야 등에서는 비용 문제와 안전 문제를 해결하기 위해서 수소보다는 생산비가 좀 더 싸게 먹히는 메탄올 등의 각종 수소화합물들을 수소 대신 연료전지의 연료로 사용하는 것이 보다 실용적이라 여겨져 그쪽으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 연료전지에 수소화합물이 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식이다. 심지어는 석유의 주성분이 탄화수소라는 점을 이용해서, 심지어 수소나 메탄올 같은 것들 대신 그냥 석유를 연료로 쓰는(…) 연료전지도 구상된 바 있는 모양. 셰일에서 추출하는 천연가스나 석유(Shale gas/oil)를 사용하는 연료전지도 대학/대기업에서 활발히 연구되고 있다. 사실 수소 얻는건 물 전기분해하는 게 제일 쉽다. 실제로 교육용 연료전지 모형 차 보면 다 이렇게 쓴다. 당연하게도 그렇게 하면 에너지에서 당연하게도 손해만 보므로 의미 없어진다...

한편 한국의 연료전지 관련 기업들의 경우, 2016년 시점에서는 대부분 수소화합물을 이용하는 연료전지를 개발하는 쪽으로 연구를 진행하고 있다. 특히 시스템 3사로 유명한 이들은 PAFC(인산염 연료전지), MCFC(용융 탄산염 연료전지), SOFC(고체 산화물 연료전지) 등 고온에서 작동하는 연료전지 시스템의 실용화를 위한 연구를 진행 중이다.

또한 전해질로서 산소이온을 전달하는 세라믹 멤브레인을 사용하는 연료전지 종류도 있는데, 이것이 바로 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)이다. 작동온도가 600도~800도 가량으로 올라버리는 엄청난 단점이 있지만 시스템에서 발생하는 열을 회수하여 보일러와 같이 열에너지를 생산한다든지, 혹은 또 다른 스팀발전기 등을 연동하여 추가적인 에너지를 생산 가능하므로 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다는 장점을 지닌다.

최근 유가하락으로 인해 도시가스 가격까지 덩달아 하락하는 추세이고, 가정에서 가스레인지 대신 전기레인지를 사용하는 등 도시가스 사용량이 급감하여 남는 가스를 이용한 연료전지에 대한 연구 역시 활발하다. 특히 수소라는 물질이 가지는 특성상 보관이 용이하지 않으므로 도시가스를 개질하여 연료전지의 연료로 사용하는 방식이 주를 이루고 있다. 연료전지에 도시가스가 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식. 이는 상술한 바와 같이 도시가스의 가격하락에 힘입은 바가 크다.

4 전기자동차의 동력원으로서의 연료전지의 장단점

연료전지를 주 동력원으로 하는 수소자동차도 개발되고 있는데, 기존의 내연기관 차량들은 물론 배터리(2차 전지)를 주 동력원으로 하는 배터리식 전기자동차와도 경쟁해야 한다는 문제를 안고 있기는 하다. 수소자동차는 세계최초로 국내에서 개발되었다. 연료전지식 전기자동차는 한 발 먼저 실용화되고 있는 배터리식 전기자동차에 비해서 좀 더 긴 항속거리와 가동시간을 확보할 수 있고 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 좀 덜 수 있다는 이점이 있으며, 한편으로는 배터리식 전기자동차와 마찬가지로 충전 인프라의 문제가 보급의 걸림돌이 되고 있기도 하다. 그냥 전기만 공급해주면 되는 배터리식 전기자동차와는 달리 기존의 내연기관 차량들에 기름 넣어주듯 연료를 넣어줘야 되어서 그 연료를 생산하기 위한 연료 생산 인프라를 따로 마련해야 한다는 부담이 있는 점도 여기에 한 몫 하는 듯 하다. 배터리식 전기자동차가 이미 실용화 단계에 접어든 것과는 달리 연료전지식 전기자동차는 아직 실용화 단계에는 이르지 못하고 있는 것도 이런 여러 문제들 때문인 듯 싶다.

덧붙여 배터리식 전기자동차와 연료전지식 전기자동차는 각각 일장일단이 있는데, 배터리식 전기자동차는 말 그대로 충전 스탠드에 차량의 배터리를 연결해서 휴대폰 배터리 충전하듯 충전시키기만 하면 되므로 충전절차가 비교적 간단하지만 그 대신 배터리의 한계로 인해서 충전시간이 좀 오래 걸리는 데다가 시간의 경과에 따른 자연방전 문제를 심히 고민해야 되는 편이고, 한편 연료전지식 전기자동차는 연료전지의 특성 덕분에 충전시간이 오래 걸리지 않아서 빠르게 충전을 할 수 있으며(정확하게는 그냥 발전기에 기름 넣어주는 거와 같다.) 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 덜한 편이긴 하지만 그 대신 기존의 내연기관 차량들의 연료탱크에 기름을 넣듯이 연료전지에 연료를 넣어주는 작업을 해야 하므로 충전절차 그 자체는 배터리식 전기자동차에 비해서 살짝 복잡한 편이라 할 수 있다.

연료전지식 전기자동차의 실용화에 있어서 큰 이슈가 되고 있는 부분은 아직 비용 문제와 안전 문제가 남아 있는 수소를 연료로 쓰는 수소연료전지를 채용할 것인가, 아니면 비용 문제와 안전 문제를 해결하기 위해서 수소 이외의 다른 연료를 사용하는 연료전지를 채용할 것인가에 대한 문제이다. 현재 가장 많이 알려진 수소연료전지의 경우에는 이미 오래 전부터 개발되어 오던 것이니만큼 기술적으로는 어느 정도 성숙되어 있으나 연료가 되는 수소를 생산하고 저장하는 것이 매우 복잡하고 위험한지라 자동차에 사용하기에는 여러모로 문제가 많다. 한편 메탄올을 사용하는 메탄올연료전지 같은 경우라면 이런 문제에 상관없이 연료만 넣어주면 되기에 자동차에 사용하기에는 수소연료전지보다 안전하고 실용성이 높지만 수소연료전지에 비해서 개발된 지가 얼마 안 된 편이기 때문에 자동차에 쓰기에는 아직 많은 시간이 필요하다.

또한 현재 연료전지식 전기자동차가 직면한 가장 큰 문제는 연료전지 시스템 자체의 가격이기도 하다. 백금을 사용하는 촉매 등 가격을 올리는 요소가 너무 많기 때문에 지금의 기술 수준으로는 아무리 가격을 싸게 만든다고 해도 이론적으로 1억 이하의 차는 생산할 수가 없으며, 보급 시도에 큰 걸림돌이 되고 있다고 한다. 그래서 현재의 연료전지 시스템은 가격적으로 너무 비싸기 때문에, 촉매의 소재를 값비싼 백금 대신 다른 소재로 바꾸는 등 연료전지에서 가격 상승의 요인이 되는 부분들을 없애기 위한 연구가 진행되고 있는 중이다. 특히 촉매의 소재가 관건인데, 백금을 대신할 촉매의 소재로서 그래핀이 유력하게 거론되고 있는 모양이다.# 또한 이렇게 신소재를 사용한 촉매가 개발되고 있는 것 외에도, 현재 사용되고 있는 기존의 촉매에서 백금 사용량을 줄여 촉매의 효율성을 높이고 가격을 낮추기 위한 연구도 별도로 진행되고 있다.#

5 재래식 잠수함의 연료전지 AIP 시스템

산소와 수소만 공급해주면 외부의 공기를 끌어들일 필요없이 계속 전력을 생산해 낼 수 있다는 장점 덕분에 가장 빠르게 적용된 사례는 바로 재래식 잠수함. 연료전지를 사용한 AIP 시스템은 디젤 엔진을 돌릴 필요없이 산소와 수소만 공급되면 지속적으로 발전이 가능하므로 디젤 엔진 가동을 위해서 위험하게 수면 위로 접근하여 스노클을 올리거나 시끄러운 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 수중에서 작전을 실시하는 것이 가능하다. 또한 기존 축전지와는 비교할 수 없는 용량이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 기존 축전지에 비해서는 덜한 편이므로 여러모로 잠수함엔 제격. 이러한 연료전지 AIP를 채용한 대표적인 사례 중 하나로 대한민국 해군의 손원일급 잠수함을 들 수 있다.