연료전지의 장점은 작동에 필요한 연료가 다양하다는 점이다. 현재 연료로 제시되는 것만을 보더라도 수소, 천연가스, 메탄올, 암모니아 및 암모니아 보론(ammonia borane(AB)) 등이 있다. 그러나 학자들은 각 재료들이 장단점이 있지만 수소 사용을 기본으로 한다. 특히 암모니아는 이동식 연료전지에 유리하다고 평가되고 있지만 암모니아는 유독하고 증기폭발 가능성이 있으므로, 현 단계에서는 수소연료전지에 대해 중점적으로 설명한다.
물을 전기분해하여 수소를 생산하는 개념과 반대다. 수소-공기 1차 전지와 같다. 알루미늄-공기 1차 전지 및 마그네슘-공기 1차 전지에서 각각 알루미늄 및 마그네슘 금속 연료를 사용하여 전기에너지를 얻는다. 수소연료전지는 수소가스를 연료로 사용하여 전기를 얻고 사용하는 전지다.
수소 원소는 전자를 끌어당기는 경향(전기음성도)이 지금까지 알려진 원료 원소 중에서 가장 크다. 즉, H > Si > Al > Mg > Li=Na 순이다. 알루미늄, 마그네슘 및 리튬 금속음극은 전자를 쉽게 내주는데 비하여 수소는 쉽게 내주는 편이 아니다. 그래도 산소의 전기음성도가 수소보다 더 크기 때문에, 금속-공기 1차 전지와 마찬가지로, 수소를 음극활물질로 사용하고, 공기 중의 산소를 양극활물질로 사용한다. 공기 중의 산소를 양극활물질로 사용하는 점은 금속-공기1차 전지, 아연-공기2차 전지, 그리고 연료전지의 공통점이다. 이 공통점은 기술면에서 서로 호환 절충할 수 있다는 것을 의미한다. 각 원료별 연료전지에 대해 설명한다.
1) 직접 메탄올 연료전지(DMFC)
메탄올을 연료로 사용하는 직접메탄올연료전지(DMFC)는 시스템효율이 10~25%다. 음극 및 양극 촉매로 고가의 나노백금/카본블랙을 기본적으로 사용한다. 메탄올은 음극반응이 느린 단점이 있지만, 에너지 밀도가 높고 저장이 용이하기 때문에 많은 연구가 진행되었다.
2) 산성 PEMFC 및 인산 연료전지
DMFC 이외에도 나노백금/카본블랙 촉매를 사용하고 있는 연료전지는 산성 고분자전해질 막 연료전지(PEMFC) 및 인산 연료전지(PAFC)가 있다. 이 전지들의 연료는 수소이고, 전해질은 산성 전해질이므로 H⁺이온을 전도한다. 물 수증기가 양극에서 생성되어 물이 필요하지 않은 음극 쪽으로 확산하는 것이 약점이다.
전력밀도에서 산성 PEMFC가 PAFC보다 더 높으며 특히 PAFC의 경우, 인산전해질의 금속 부식성이 문제되므로 재료선정에 주의를 요한다. 또한 수소연료의 이동저장 관리가 용이하지 않다는 점도 걸림돌이다. 그러므로 고정된 고압용기에 수소를 저장하여 사용할 때 이동이 없어도 안전문제가 중요하므로 수소를 생산하는 공장에서 산성 PEMFC를 가동하는 것을 추천한다. 물론 자동차의 경우 수시로 이동해야 하므로 안전한 저장관리의 방책으로 암모니아 계열 화학물질로 수소 간접 저장 방법을 제시하기도 한다.
3) 알칼리 연료전지 및 알칼리 PEM FC
알칼리 연료전지에서는 수소 및 암모니아 계열 수소 저장체 등이 연료로 사용된다.
처음엔 값비싼 백금80/팔라듐20의 합금 및 백금10/금90의 합금 촉매들을 각각 음극 및 양극에 사용하면서, 35% KOH 알칼리수용액을 액체전해질로 사용하였다. 현재는 여러 가지 값싼 금속촉매를 알칼리 연료전지에서 응용할 수 있다. 그러함으로, 알칼리 연료전지의 시스템 발전효율이 62%로 연료전지 중에서 가장 높다.
물 수증기가 음극에서 발생하여 물이 필요한 양극 쪽으로 확산하는 것이 장점이다. 또한 백금이외의 촉매사용이 가능하고, 그들 촉매에 대한 부식도 적다. 음극촉매로서 은/탄소, 양극촉매로 이산화망간을 사용할 수 있다. 공칭전력 240〜250W를 생산하는 경우, 알칼리 연료전지의 값이 산성 PEMFC의 절반 이하로 내릴 수 있는 것도 장점이다.
이동이 기본인 자동차의 경우 수소보다 암모니아 계열 화학물질을 선호한다. 이들은 암모니아, 히드라진, 요소 및 AB(H3N․BH3) 등이다. 그 중에서 암모니아 및 히드라진은 유독하고 환경에 위험성이 노출되지만 히드라진은 1960년대 이래 연료전지자동차용 연료로서 많이 연구하고 있다.
요소도 차량용으로 많이 연구되고 있는데 요소는 이산화탄소를 고정한 대표적 화학물질로 안전성이 높지만 수소함량이 6.7%로서 낮은 편이다. 요소를 사용할 경우 낮은 전력밀도가 문제인데 다음은 요소 사용의 중요성을 알려준다.
‘우주선 안에서 소변을 받아 연료로 사용하여 전기와 물을 생산하는 것 그리고 지상에서 요소를 함유한 폐수를 연료로 사용할 수 있다.’
또한 안전성이 높은 AB를 연료로 사용하는 알칼리 PEM FC는 연료전지자동차 및 도시의 발전용으로 유망하다. AB를 알칼리 PEM FC에 직접연료로 사용하기 위하여 음극에서의 가수분해 수소발생 및 암모니아발생의 부반응이 없도록 하는 연구가 진행 중이다.
4) 용융탄산염 연료전지(MCFC)
용융탄산염 연료전지(MCFC, molten carbonate fuel cell)는 한국에서 상당히 연구된 상태이다. 경기도 화성에서 메탄가스를 연료로 사용하여 60MWe(0.06GWe) 발전설비를 3만 시간 가동했는데 세계 최대 규모이다. 시스템발전효율은 45〜55%이고, 증기 및 온수로 활용하는 배출가스 온도는 358〜371℃다. 전해질 탄산염을 녹이기 위하여 작업온도는 650℃다. 이는 용융탄산염 전해질이므로 가동중단 대처 시에도 용융상태(작업온도 650℃)를 유지해야하기 때문이다.
MCFC에서는 非백금 금속을 촉매로 사용한다. 음극재료는 닉켈90-크롬10이며, 양극재료는 리튬첨가 산화니켈이다. 이처럼 값이 싼 금속 및 금속산화물을 사용하는 것이 장점이다.
5) 고체산화물연료전지(SOFC)
고체산화물연료전지(SOFC)는 작동 온도가 500〜950 ℃로서 시스템발전효율이 55〜60%로 높은 것이 장점이다. 국내에서 10kW 및 50kW의 건물용이 개발되고 있다. 탄화수소를 연료로 사용하면, 음극부분에 탄소 찌꺼기가 쌓이는 코킹(coking)이 발생하여 음극 및 전해질 층의 기능이 점차 사라지므로 연료로 탄소가 없는 수소를 사용한다.
<활용분야별 연료전지>
연료전지는 에너지 분야의 거의 모든 분야에서 활용할 수 있는데 활용 분야에 따라 수송용, 가정/상업용, 발전용, 휴대용으로 나뉜다. 각 분야의 기술개요는 다음과 같다.
① 수송용 연료전지
수송용 연료전지란 기본적으로 자동차를 작동시키는 것을 의미한다. 수송용의 경우 여러 가지 다양한 연료전지 중에서도 운전온도가 저온이며 출력 밀도 및 시동 특성이 우수한 고분자 전해질 연료전지가 사용되며 연료전지에서 생성되는 전기로 모터를 구동시킨다. 그러므로 전기를 연료전지로 만드는 것을 제외하면 한마디로 전기자동차와 같은 개념이다.
수소⋅연료전지 차는 연료전지 스택, 수소저장탱크, 스택에 공기와 수소를 공급하는 운전장치, 전력변환기, 모터 및 감속기, 스택의 운전을 보조해주는 보조전원으로 구성된다. 보조전원으로는 전지 또는 슈퍼캐패시터와 같은 보조에너지 저장장치가 사용되며 스텍의 운전을 도와 차량의 성능을 높인다.
수송용 연료전지 시스템으로 자동차, 버스 등이 개발되는데 점차적으로 환경 및 에너지 문제 등으로 시장이 급격히 성장할 것으로 예측되어 대형 자동차 회사에서 개발에 박차를 가하고 있다. 수송용 연료전지 자동차의 성공 여부는 연료전지 스택을 포함한 연료전지 시스템의 가격, 연료전지의 내구성, 냉시동 운전, MEA(Membrane Electrode Assembly)를 포함한 핵심부품 및 주변기기의 개발, 수소저장 탱크 개발, 저렴한 수소를 생산할 수 있는 수소인프라 구축 등이 긴밀하게 연결되어야 한다.
② 가정/상업용 연료전지
가정/상업용 연료전지 시스템은 연료전지에 의해 생산되는 전기와 열을 동시에 이용하여 냉난방에 공급하는 고효율⋅청정에너지 시스템으로 주목받고 있다. 고효율 열병합 발전(발전효율 35%, 종합효율 75% 이상)으로 에너지 절감에 유리하고 마이크로 가스터빈이나 가스터빈에 비하여 시스템의 소음 및 환경 오염물 배출이 적은 장점이 있다.
가정/상업용 연료전지 시스템의 연료로는 수소 인프라가 구축되기 전까지 천연가스를 사용할 수 있으며 다양한 연료전지 중 고분자전해질 연료전지와 고체산화물 연료전지가 주로 사용된다. LNG화력발전과 일반 보일러를 사용하여 전기와 열을 생산하였을 때와 비교하여 가정용 연료전지 시스템은 소비되는 전기 및 가스비가 총 12%정도 절약되고 온실가스의 주범인 이산화탄소 약 40%가 절감된다. 이들 적정 활용처는 비교적 소형으로 1〜50kW급이 주체를 이룬다.
③ 발전용 연료전지
발전용 연료전지는 최소한 수백kW이상의 전력을 생산하여 기존의 발전 설비를 대체할 수 있는 기능을 갖는 것을 기초로 한다. 발전용 연료전지로 인산형 연료전지, 용융탄산염 연료전지, 고채산화물 연료전지가 개발되고 있다. 이중 용융탄산염 연료전지가 상당한 수준에 도달했는데 사용연료의 개질 방식에 따라 내부개질형과 외부개질형으로 구분된다. 내부개질형은 천연가스, 메탄가스 등의 연료를 수증기와 함께 직접 스택으로 도입한 후 스택 내부의 개질 촉매를 이용하여 연료전지 발전에 사용하는 방식이다. 반면에 외부개질형은 사용연료를 스택 외부에 설치된 별도의 연료개질기에서 개질한 후 스택 내부로 오입하여 연료전지를 가동하는 방식이다.
내부개질형은 별도의 개질기가 필요하지 않으므로 설비 제조비용이 상대적으로 저렴하고 시스템 소형화라는 측면에서 유리하다. 그러나 외부개질형은 연료개질기의 종류 및 형태에 대한 자유도를 가지므로 훨씬 다양한 연료를 적용할 수 있다는 점이 장점이다. 분산전원이라는 측면에서 천연가스를 연료로 사용하는 경우 내부개질형이 상대적으로 유리하다는 설명이 있지만 다른 연료를 사용할 경우에는 별도의 연료전처리 설비가 필요하므로 내부개질형의 장점이 희석된다. 그러므로 화력발전대체집중전원에서는 석탄가스를 활용할 수 있는 외부개질형이 추천된다.
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