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  • 기사등록 2018-04-04 16:57:10
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연료전지, 기후변화대응 해결책 각광


■ 기술의 개요


고분자 전해질 연료전지(Polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC)는 1955년 General Electric(GE)에 의해 처음으로 시작되었다. 1960년대 중반 미국 해군성(U.S. Navy’s Bureau of Ships)과 육군 통신 부대(U.S. Army Signal Corps)에 의해 물과 리튬 하이드라이드(Lithium hydride)의 혼합물에 의해 생성되는 수소를 사용한 소형 연료전지가 처음으로 발표되었고, 1970년대 중반 GE는 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)를 이용, 물의 전기분해기술을 사용, 산소 생성 공장을 만들기도 하였다. 1980년대 초반 영국 해군에서는 연료전지를 잠수함의 발전용으로 적용하는 등 지속적인 개발을 하였다.


연료전지를 연구하는 가장 큰 이유는 작동 원리상 매우 높은 효율을 가지고 친환경적이기 때문이다. 기존의 발전기는 석유와 같은 화석연료의 연소과정을 통해서 전기를 생산하지만, 연료전지는 비연소반응인 전기화학반응을 이용해 유해가스 및 온난화가스의 배출 없이 발전할 수 있는 장점을 가지는 장치이다.


또한, 배터리는 에너지를 생산할 수 있는 대표적인 전기화학적 장치이나 에너지를 사용하기 위해서는 외부 에너지를 이용해 에너지를 저장하는 과정이 필요한 반면, 연료전지는 이와는 다르게 에너지를 저장하지 않고 연료를 소비하면서 에너지를 생산하는 장치로써, 연소엔진에 비해 매우 높은 효율과 출력을 나타내며, 단위가 큰 스테이션으로부터 작은 포터블 디바이스까지 넓은 적용 범위를 가진다. 화석연료 기반의 발전이 효율이 낮은 이유는 연소반응인 화학반응을 이용하여 열을 생산하고, 이 열을 이용하여 터빈을 돌림으로써 화학에너지를 기계에너지로 전환하고, 다시 이 기계에너지를 전기에너지로 변환하기 때문이다. 이에 각 단계에 따라 효율이 떨어지게 되어 25~30%의 낮은 발전 효율을 보이게 된다. 반면, 전기화학반응을 이용해서 화학에너지를 바로 전기에너지로 전환하여 열까지 합칠 경우 70% 이상의 매우 높은 발전효율을 가지게 된다. 이 전기화학적 장치는 수소 및 함탄화수소류, 공기와 같은 연료를 나누어진 전극에서 산화·환원반응을 이용하여 전기에너지로 변환하여 에너지를 생산하며, 촉매, 전해질막 및 가스 확산층을 결합한 막전극 접합체(MEA), 이를 직렬로 체결한 스택, 주변보조기기(BOP: Balance of Plant), 연료변환장치 등으로 구성된다, 이 장치는 전해질의 종류와 운전온도, 시스템의 형태, 주입되는 연료에 따라 적절한 전력 범위 및 활용 분야를 보여준다.


■ 고분자 전해질 연료전지 기술의 정의 및 분류


전해질 종류에 따라 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 등으로 구분되며, 전해질 재료에 따라 작동온도, 전력 범위가 결정됨에 따라 전기발전용도로 사용하는 발전용, 이동수단으로 사용되는 운송용, 휴대용등과 같은 활용분야가 정해진다.


PEMFC의 경우 200℃ 이하의 저온에서 구동되며, 산화전극에 주입되는 연료에 따라 메탄올 연료전지(DMFC), 개미산 연료전지(DAFC), 수소-공기 연료전지(PEMFC) 등으로 구분된다.2-4) 또한, <그림 3-3-3-1>에서 보여주는 바와 같이 작동온도에 따라  200℃ 이하에서 작동하는 PAFC, PEMFC, AFC, DMFC와 같은 저온형, 650℃에서 1,000℃ 구간에서 작동하는 MCFC, SOFC와 같은 고온형으로 구분된다. 고온에서 작동하는 MCFC는 대형화하기 용이하여 메가와트(MW)급 대형 발전용에 사용된다. SOFC는 고온에서 전해질의 고갈문제를 가진 MCFC의 수명문제를 해결하기 위해 세라믹 소재를 전해질로 사용한 연료진지로써 소·중·대용량 발전용으로 사용이 가능하다.


저온형 연료전지인 PEMFC는 다양한 범위에서 사용되며, 산화전극과 환원전극, 고분자 전해질 막으로 구성되어 지고, 각 전극에 백금을 포함한다. 수소 가스는 백금표면에서 수소 양이온와 전자로 분리되어지며, 생산된 전기는 외부회로를 통해 수소양이온은 전해질막을 통해 이동하여 산소와 만나 물을 생성하게 된다. 전해질내에 물이 존재함에 따라 작동온도는 60℃에서 120℃로 제한을 받게 된다.


연료전지 시장을 지배하고 있는 PEMFC는 저온 타입의 연료전지이고 촉매, 전해질막, 기체확산층으로 구성된 막-전극-접합체를 분리막과 더불어 적층식으로 쌓아 원하는 용량의 스택을 만들어 파워팩으로 사용한다. 촉매는 메탄올과 같은 함탄화수소류나 수소를 산화시키는 산화전극, 산소를 환원시키는 환원전극 소재로써 백금을 사용하며, 수소 양이온을 전달하는 전해질막은 불소계 고분자인 나피온 혹은 탄화수소계 고분자를 주로 사용한다. 기체확산층은 분리막과 접촉하여 원활히 전자를 전달해야 하므로 전기전도성이 우수하면서 기체를 촉매에 잘 균일하게 공급하기 위해 다공성 탄소소재를 주로 사용한다. 분리막은 연료의 공급을 위해 유로가 존재해야 하고 외부회로를 통해 전류가 흐를 수 있어야 함으로 경질화된 탄소 혹은 금속을 사용하여 제조된다.


작동 원리상 매우 높은 효율·친환경적
상용화 걸림돌 백금 비용 감소가 문제


■ 고분자 전해질 연료전지 기술의 원리


고체 고분자 전해질 연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 장치이다. 다음의 그림에 도시된 것처럼 수소-공기 연료전지(PEMFC)는 수소를 산화전극에, 산소 혹은 공기를 환원전극에 공급함으로 인해 수소양이온이 산화전극으로부터 환원전극으로 고분자 전해질 막으로부터 이동함으로써 물로 환원되고 전자는 외부회로로 이동함으로 에너지를 얻는다. 이는 수소-공기 연료전지 시스템의 경우 산화전극에서 발생하는 수소산화반응과 환원전극에서의 산소환원반응 사이에서의 화학적 전위차인 1.23V에 의해 구동된다.


앞의 반응식에서 보이는 바와 같이 PEMFC은 작동환경이 산성이기 때문에 야기되는 촉매의 안정성과, 산소환원반응의 높은 과전위를 동시에 해결할 수 있는 소재로써 백금 기반의 촉매가 상용화에 가장 가까운 것으로 알려져 있다. 이와 같은 이유로 촉매연구의 방향은 크게 백금의 사용량을 줄이는 목적이 주가 되었으며, 이를 위해 담지체에 나노입자를 효과적으로 분산시키는 방법과 결정면 등 촉매 구조를 조절한 합금촉매를 개발하는 등 고활성 고내구성을 가지는 소재를 확보하기 위해 노력 중이다. 이러한 백금저감 노력과 더불어 백금자체를 대체하기 위해 금속 산화물(metal oxide), 전이금속 칼코게나이드(Transition Metal Chalcogenides), 카본계열 물질(graphite, graphene), 금속 카바이드(metal carbide)와 같은 비(非)귀금속 촉매 개발을 위한 다양한 시도들이 있었다. 이렇듯 수십 년간의 다양한 합성 방법과 나노구조를 조절하는 노력으로 인해 촉매부분의 가격을 비약적으로 감소시켰음에도 불구하고 U.S. Department of Energy(DOE) report <그림 3-3-3-3>에 발표된 것처럼 여전히 백금의 비용은 연료전지의 상용화에 큰 걸림돌이 되고 있다.


■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성


21세기에 인류가 가지고 있는 에너지에 대한 인식은 인간사회의 지속성을 위해 반드시 확보해야만 하는 가장 중요한 기술로 받아들이고 있다. 세계적인 에너지에 대한 수요는 지난 25년간 에너지 소비에 대해 50% 이상의 평균증가속도를 보이며, 지속적으로 급증하고 있다.


전례 없이 빠른 속도로 소비되는 화석연료는 그 과정의 지저분한 연소공정으로 인해 온난화 효과를 야기하는 310억 톤(ton) 이상의 이산화탄소 배출을 야기한다. 이것을 극복하기 위한 노력으로 전 세계는 선진국을 대상으로 1997년 교토의정서를 채택한 바 있다. 또한, 2015년 12월, 프랑스 파리에서 2020년 이후 전 세계 온실가스 감축방향을 담은 합의문인 신(新)기후협약(파리협정, Paris Agreement)이 채택됨에 따라 온실가스의 감축의무를 모든 나라에 부여하게 되었으며, 우리나라의 경우 2030년 배출전망치(BAU) 대비 37% 감축을 목표로 잡고 있다. 파리협약에서는 산업화 이전 기준으로 지구평균기온 상승을 2℃보다 낮은 수준으로 유지하도록 하고, 온도 상승을 1.5℃ 이하로 제한하기 위한 노력을 담고 있다. 따라서 범세계적인 노력으로 인류의 지속성을 위해 가정용, 운송수단과 같은 에너지를 소비하는 방법으로 깨끗한 에너지로의 전환을 강력히 요구하고 있다. 이러한 에너지는 용량과 효율을 만족하고 작동환경이 깨끗하면서 유지가 가능해야 한다. 전기화학적 장치들은 높은 작동 효율, 환경적으로 유순한 배기가스 등 이러한 요구 조건들을 잘 만족하는 능력을 가짐을 보여주었으며, 일반적으로 전기화학적 장치들은 연소반응에 의해 에너지를 생산하는 전통적인 발전수단과는 다르게 운송수단과 소규모 발전에 대해서 지구온난화 가스배출의 영향을 최소화 시킬 수 있다. 그 중 고분자 전해질 연료전지는 가정용, 발전용, 운송용으로써 활발하게 개발되고 있으며, 이미 통신시설 백업발전, 지게차 등 부분적으로 적절히 시장을 찾아가고 있다.


그러나 궁극적으로 운송수단의 전통적인 연소엔진을 대체해야 할 것이다. 특히, 연료전지 자동차는 자체 운송수단으로써 온난화 가스배출을 0으로 수렴하면서 3∼5분간의 한 번의 충전으로 500km 이상을 운행할 수 있는 충분한 운송능력을 갖춤으로 인해 특히 각광을 받고 있다.


현재까지 연료전지 제조단가의 고비용, 신뢰할 수 있는 스택의 내구성 및 활성의 확보, 수소 생산 및 공급 인프라 등 해결해야 하는 난점들이 존재한다.8-9) 연료전지 제조에 있어서 해결해야 하는 핵심 과제는 값비싼 백금을 극복해야 하는 가격저감 노력과 신뢰성 있는 내구성의 확보이다. 이 두 가지 조건을 만족하기 위해 충분한 활성을 확보함에 따른 백금저감 노력과 백금을 대체하는 비귀금속 촉매 개발을 포함, 재료 및 시스템 측면에서 열화요인을 파악하고 이에 따른 새로운 소재의 개발과 운전조건을 찾는 것이 필수적이다. 특히 최근에는 연료전지의 상용화를 앞두고 내구성의 문제를 해결하기 위한 노력을 다각도로 행해지고 있다. 특히, 국내의 경우 국토면적이 좁을뿐더러 산업이 도시에 집중되어 도시화에 인해 인구밀도가 높아 연소엔진 기반의 자동차의 매연과 공장에서 발생하는 NOx, 분진 및 미세먼지 발생과 같은 환경문제를 해결해야 하며, 연료전지와 같은 분산전원 형태로 에너지를 공급하는 것은 매우 합리적인 대안일 것이다.

▲<표 3-3-3-1>연료전지 기술 분류표

▲<표 3-3-3-2>연료전지 소재기술의 분류

▲<그림 3-3-3-302>연료전지 작동온도별 분류

▲<그림 3-3-3-2>수소-산소 고분자 전해질 연료전지 도식

▲<그림 3-3-3-3>2014 Annual Merit Review and Peer Evaluation Meeting in DOE

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