자율주행자동차(5): 연료전지(I)

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<연료전지>

미래의 자동차는 현재와 같은 휘발유나 경유 등 화석연료를 사용하지 않을 것을 전제로 전기자동차에 치중하고 있다.

그런데 학자들은 궁극적으로 미래에 사용될 동력장치는 전기를 에너지로 사용하는 전기자동차와 같은 개념이지만 이보다 업그레이드된 수소연료전지자동차 즉 수소차가 지배할 것으로 생각한다. 수소차도 전기로 작동되지만 전기자동차는 연료를 주입하기 위해 충전소를 사용해야하지만 수소차는 자동차 내에서 전기를 직접 만들어 쓴다는 점이다.

 

혼다의 수소연료전지차

수소차는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술인데 이를 업그레이드하면 대량발전도 가능하다.

원리도 매우 간단하다. 물의 전기분해를 이용하는 것으로 물과 전기가 만나면 수소와 산소가 나오도록 할 수 있다. 만약 이 순서를 거꾸로 한다면 즉 수소와 산소를 만나게 하여 물과 전기를 만들 수 있다. 수소를 자동차 내 탱크에 저장했다가 산소와 결합해 물(수증기)과 전기를 만드는 것이 연료전지의 원리로 이렇게 생산된 전기로 모터를 움직여 자동차 등을 작동시키는 것이다.

그런데 수소자동차를 이야기하면서 나오는 말로 소위 헷갈리는 설명이 있다. 한껏 수소자동차의 근본은 수소로 작동되는 것은 맞지만 수소연료전지를 이용해 주행하는 전기자동차를 의미한다는 것이다. 이 말은 수소연료전지가 핵심 요소라는 것을 의미하므로 이곳에서 수소자동차가 아닌 연료전지를 동력원이란 차원에서 별도로 설명한다.

연료전지의 기본은 간단하다. 제목만 보아도 곧바로 이해할 수 있는 내용으로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로서, 일반적으로 ‘3차 전지’라고도 부른다. 그런데 연료전지의 기본은 연료를 태워서 발전기를 돌리는 것이 아니라 연료의 화학반응을 통해 전기를 얻는다는 것이 다르다.

가장 기초적인 형태의 연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 이용한다. 물을 전기분해하면 양극에서는 산소가 생성되고 음극에서는 수소가 생성되는데, 이 과정을 완전히 거꾸로 진행시키는 것이다.

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. 양극에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 연료전지의 기본 개념이다.

여기에서 연료전지와 배터리(2차전지)와는 큰 차이가 있다.

배터리가 전기를 저장하는 장치라면 연료전지는 전기를 만들어내는 발전기와 같은 장치다. 따라서 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로서 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야 전력원으로서 사용 가능하다. 또한 충전시간이 상당이 오래 걸리는 배터리와는 달리, 연료전지는 열기관과 같이 연료만 채워넣으면 되므로 충전시간이 비교적 빠르다.

특히 연료전지를 각계에서 주목하는 것은 천연가스와 메타놀, LPG(액화석유가스; propane gas), 나프타, 등유, 석탄 가스등 다양한 연료를 사용할 수 있다는 점이다. 또한 공해물질인 NOx와 이산화탄소의 석탄 화력 발전의 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 매우 적어 무공해 에너지 기술로 평가된다. 자동차인 경우 수소 1kg에 100킬로미터까지 주행할 수 있다.

연료전지가 탄생하게 된 배경은 우주 및 군사용이므로 일반인에게는 상당이 어려운 개념이다. 최초의 실용적인 연료전지는 아폴로 계획 당시 식수와 전기를 동시에 해결하기 위해 사용되었다는 것으로도 미루어 짐작할 수 있다.

그러나 연료전지의 치명적인 단점은 수명이 짧다는 점이다. 연료전지의 경쟁자인 보일러의 수명이 10년 이상인데 반해 연료전지의 경우 제품의 수명은 길어야 5년 정도이며 특히 연료전지의 종류에 따라 다르지만 예열이 필요한 경우도 있다. 대형 건물이나 발전용으로 사용되는 대형 연료전지인 경우 예열만 길게는 1일 정도 걸려야 제대로 전력을 생산해낼 수 있다.

연료전지의 전력생산 효율은 종류에 따라 다르지만 40∼50% 선이다. 그러나 연료전지에서 발생하는 열을 난방 또는 급탕에 이용할 수 있으므로 이 경우 대체로 효율은 80% 이상이다. 특히 SOFC, MCFC 등 고온에서 작동하여 열에너지가 많이 발생하므로 두 분야를 반드시 고려해야 한다. 그러므로 기존 보일러를 대체하자는 연구도 진행중이다.

연료전지가 생각보다 폭발적으로 보급되지 못하는 것은 에너지 전환율 뿐만 아니라 연료 수급에 있어서도 문제가 있기 때문이다. 대표적으로 수소는 현재의 기술 수준에서 석유류를 크래킹해서 뽑아내는데 이것이 경제성이 없기 때문이다.

사실 수소는 밀폐된 공간에서 고농도의 산소와 반응, 즉 폭발하는 농도 범위가 크기 때문에 위험하지만 일반적으로 실사용 환경에서는 LPG나 도시가스보다 안전하다고 알려진다. LPG 차량과 수소연료전지 차량을 세워놓고 연료탱크를 실탄으로 사격하는 실험도 한 적이 있는데 LPG 차량은 그대로 폭발한 반면 연료전지 차량의 경우 내부의 가스만 모두 분출되었다는 실험결과도 있다고 한다.

수소보다는 생산비가 좀 더 싸게 먹히는 메탄올 등의 각종 수소화합물들을 수소 대신 연료전지의 연료로 사용하는 연구가 많아졌다. 이는 연료전지에 수소화합물이 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식이다. 그러므로 석유 주성분이 탄화수소라는 점을 이용해서, 심지어 수소나 메탄올 대신 그냥 석유를 연료로 쓰는 연료전지도 구상되고 있다. 셰일에서 추출하는 천연가스나 석유를 사용하는 연료전지도 연구되고 있는데 이는 화석연료를 사용하지 않겠다는 방법에 원천적으로 역행하는 일이다. 그럼에도 이런 시도가 진행되는 것은 수소 얻는데 물을 전기분해하는 것이 제일 쉽다지만, 투입되는 에너지량 대비 얻는 에너지가 너무 적기 때문이다. 즉, 가성비가 낮다는 뜻인데 이 때문에 천연가스나 도시가스를 개질해 수소를 얻는 방법이 상용 제품에 적용된다.

 

<연료전지 개요>

연료전지의 원리는 매우 단순하다. 양극에서 외부에서 공급되는 연료인 수소가 산화되어 수소이온과 전자를 발생하고 음극에서는 이 전자를 받아 산소가 환원되어 산소음이온으로 되는 전극반응을 일으키면 된다.

그런데 여기에서 매우 중요한 것은 두 극 사이를 채우는 전해질이 관건이다. 전해질이란 이온(원자나 분자가 전하를 띈 것)은 통과시키지만 전자는 통과시키지 않는 물질을 말한다. 한쪽의 전극(음극)에 연료인 수소가스를 보낸다. 그러면 음극에 포함된 백금(플라티늄)이 촉매로 작용하고 수소 원자에서 전자를 빼앗는다. 이때 생기는 수소 이온(H+)은 전해질을 지날 수 있는데 전자는 전해질을 지나지 못하고 남게 된다.

여기서 또 한쪽의 전극(양극)에 산소가스를 보낸다. 그러면 양극에 포함된 백금이 촉매로 작용함으로써 산소 원자와 전해질을 통과해 온 수소 이온이 결합해 물이 만들어진다.

위 내용을 정리하면 음극에서는 전자가 남고 양극에서는 전자가 필요하다. 여기에서 음극과 양극을 도선으로 이으면 도선을 통해 전자가 흐른다. 즉 전기가 흐르는 것으로 이것이 연료전지의 발전 원리다. 그런데 전지라고 하면 ‘전기의 저장소’라고 생각할지 모른다. 사실 건전지 안에는 연료와 산화제가 갇혀 있다. 건전지를 다 쓰면 전기의 발생은 끝나는데 연료전지는 연료와 산화제를 밖에서 공급하는 한 계속 전기를 공급해준다. 그런 의미에서 연료전지는 전기의 저장소가 아니라 ‘발전장치’로 설명하기도 한다. 연료전지는 발전 효율이 대단히 높아 40〜60% 정도이며, 반응과정에서 나오는 배출열을 이용하면, 최대 80% 가까이 에너지로 바꿀 수 있다.

수소 생산 방법

연료전지는 크게 고온형과 저온형으로 나뉜다. 고온형의 연료전지는 500〜1500도 고온에서 작동한다. 온도가 높을수록 화학반응의 속도가 빨라지므로 값비싼 백금을 촉매로 사용하지 않아도 된다. 고온형 연료전지는 650도 정도에서 작동하는 용융탄산염형연료전지(MCFC)와 1,000도에서 작동하는 고체산화물형연료전지(SOFC)가 있다. MCFC는 전해질로 탄산염을 녹인 액체를 사용하고 SOFC는 고체인 세라믹을 사용한다. 이들 모두 발전효율이 높고 고출력도 가능하여 대형 건물이나 대규모 발전소 등에 사용할 수 있는 반면 시동에 시간이 많이 걸린다는 단점이 있다.

현재 많이 연구되는 MCFC는 리듐, 나트륨, 갈륨의 탄산염 혼합물을 사용하는데 600도 이상으로 가열해야 액체전해질이 된다. 그러므로 MCFC는 적어도 650도 이상과 높은 압력에서 운전해야 한다. 압력이 높아야 하는 이유는 고압가스인 수소연료와 이산화탄소가 관여하기 때문이다. 그러나 이 기술은 상당한 노하우가 필요한데다 위험요소가 있으므로 자동차 같은 소형이 아니라 대용량발전용으로 적합하다.

 

연료전지반응과정(에너지관리공단)

저온형 연료전지는 300도 이하에서 작동되며 고온형에 비해 시동하는데 걸리는 시간이 짧고 크기를 작게 만들 수 있는 장점이 있다. 반면 값비싼 백금 전극이 필요하므로 비용이 많이 들어가는 단점이 있다. 저온형 연료전지로는 인산형연료전지(PAFC)와 알칼리형연료전지(AFC), 고체고분자형연료전지(PEFC)가 있다. PAFC는 200도 정도에서 작동하고 전해질은 인산수용액을 사용한다. 연료전지 중 가장 먼저 상용화된 것으로 1980년경부터 미국과 일본에서 보급되기도 했다. AFC는 60〜120도 저온에서 작동하고 PEFC는 80도 미만에서 작동하므로 운반용 에너지원천으로 적합하다. PEFC의 특징은 전해질로 수용액이 아닌 수지로 만든 얇은 막을 사용한다는 점이다. 전세계에서 소형화가 필수적인 자동차, 가정용발전기 등에 사용하려는 것이 PEFC다.