자율주행자동차(7): 연료전지(III)

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④ 휴대용 연료전지

휴대형 연료전지는 출력밀도가 비교적 낮지만 작동의 편리성, 연료 교체의 요이성 등 휴대가 가능하므로 보편성을 갖고 있다. 수W에서 수십W급의 소형 전자기기용 전원 시스템 및 휴대형 충전 시스템에의 적용을 목표로 한다. 적용 전자기기의 대상으로는 휴대폰, 캠코더, 노트PC 등이 있다.

휴대형 연료전지는 휴대 전자기기의 배터리 대체전원, 소형 이동형 전원 이외에 국방용으로도 응용도가 높다. 특히 휴대용 연료전지가 차세대 발전기술로 자리잡기 위해 요소기술, 스택 제작기술 등이 진화하고 있다. 휴대형연료전지의 유형은 직접 메탄올 연료전지, 저장수소형 고분자 연료전지, 개질가스형 고분자연료전지 등이 각축을 벌이고 있으며 마이크로 고체산화물 연료전지도 보고되고 있다.

 

⑤ 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)

고체산화물연료전지는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 500〜1,000도의 고온에서 운전되는데 고온에서 운전되므로 발전효율이 높고 고온의 배기가스를 이용하여 열병합 발전이 용이하다. 특히 고온 작동으로 값비싼 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화시킬 수 있으며 연료극 측에서의 내부 개질 반응이 가능하다. 이런 특성으로 개질기를 간략화할 수 있을 뿐만 아니라 수소 이외에 천연가스, 석탄가스 등의 다양한 연료를 사용할 수 있다.

또한 전해질, 전극이 고체상태이므로 여러 가지 형태(평판형, 원통형 등)의 cell로 제조 가능하며 지지체에 따라 전해질 지지체, 연료극 지지체 등으로 분류한다. 평판형은 전력밀도 및 생산성이 높고 대규모로 적용이 가능하다. 그러나 전해질 박막화가 가능하지만 별도의 밀봉제를 이용한 기체밀봉이 요구된다.

원통형의 경우 기체 밀봉이 필요없고 기계적 강도가 우수하다. 그러나 전류의 이동 경로가 길기 때문에 내부저항이 높고 출력밀도가 낮아 저온형으로 전환이 어렵고 전기화학 증착법을 이용하여 전해질막을 제조하기 때문에 생산단가가 높아지는 단점이 있다.

 

수소연료전지를 탑재한 현대차 넵튠

전해질지지체인 경우 높은 비저항 때문에 단위면적당 전력밀도가 전극 지지체형보다 낮으므로 고온에서 작동시켜야하는 단점이 있다. 이의 대안으로 연료극 지지체(Anode Supported Cell)형이 제시되는데 연료극은 전해질보다 전기전도도가 높아 기계적 강도 향상을 위해 전극의 두께를 증가시키더라도 비저항의 증가가 작으므로 현재 많은 곳에서 연구 중이다.

 

<개발 현황>

연료전지는 송전선탑이 없어도 근거리 수요처에 송전하는 전기를 고효율로 생산할 수 있는 특징을 갖고 있다. 현재 각 응용 분야에 적합한 여러 가지 방법이 제시되고 있다. 학자들은 미래의 에너지원으로 연료전지를 지목하는데 주저하지 않지만 상당한 연구가 필요하다는데도 공감한다. 하지만 4차 산업혁명시대 안에 보편화될 것에는 의문시하지 않는다.

물론 연료전지를 실용화하는데는 만만치 않은 문제가 도사리고 있다. 연료전지의 큰 문제점은 전해질막 재료와 수소의 산화촉매이다. PEFC의 전해질막으로 나피온이란 불소수지를 사용하고 있는데 이 수지의 단점은 가격이 비싸고 내열성이 낮아 80도 이상에서는 사용할 수 없다는 것이다. 그러므로 현재 많은 학자들이 이를 대체할 재료를 찾고 있는데 아직 성공치 못한 실정이다.

또 하나의 문제점은 수소의 산화촉매다. 에너지를 많이 발생하는 수소연료전지를 만들기 위해서는 수소기체가 양극에 공급되는 즉시 모두 산화되어 전자를 발생시켜야 한다. 그러기 위해서는 기체인 수소가 고체 양극재료인 백금표면에 잘 흡착되어야 하는데 아직까지는 촉매를 사용하더라도 수소의 흡착 및 산화효율이 너무 낮다. 이 부분에 획기적인 개선이 이뤄져야만 실용화에 박차를 가할 수 있다는 뜻인데 4차 산업혁명시대로 이미 진입했으므로 이들 문제는 근간 해결될 것으로 생각한다.

연료전지 기술을 선도하고 있는 미국은 1962년 제미니 계획에 의하여 우주 및 군용의 알칼리 연료전지 연구를 처음 시작하였다. 그 후 1969년 28개 가스회사가 중심이 되어, 주거용 및 상업용 인산염형 연료 전지 기술 개발을 위한 9개년 계획인 TARGET(Team to Advanced Research for Gas Energy Transformation) 프로그램을 수립하였고 최근에는 FCG-1 계획에 의해 IFC, WH(Westinghouse)사에서 전기 사업용 MW급 연료전지 기술 개발 사업이 추진되고 있다. 200kW급은 이미 상용화되었으며, 제조 단가를 기존 에너지원과 경쟁할 수 있도록 낮추고 수명을 40,000 시간 이상 지속시킬 수 있는 기술 개발이 진행되고 있다.

일본은 1981년부터 6년 동안 에너지 절약 기술 개발 계획(Moonlight Project)의 일환으로 연료전지의 신뢰성 향상과 고효율화 기술의 개발을 추진하였고, 인산염형의 경우 1000kW급 발전 설비를 개발한 것을 발판으로 10MW급 상형화 개발에 박차를 가하고 있다. 유럽 연료전지 기술 개발은 미국과 일본의 기술 독점에 대한 방어적 개념에서 네덜란드, 이탈리아 등도 본격적으로 연구하고 있다.

 

한국의 경우 대부분 수소화합물을 이용하는 연료전지를 개발하고 있다. 즉 PAFC(Phorspourusic acid fuel cell, 인산염 연료전지), MCFC(Molten carbon fuel cell, 용융 탄산염 연료전지), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체 산화물 연료전지) 등이다.

전해질로 산소이온을 전달하는 세라믹 멤브레인을 사용하는 연료전지를 SOFC라고 하는데 작동온도가 700도∼1,000도 가량으로 상당히 고온이라는 점은 있지만 실제 시스템 외부 온도는 40∼50도 수준이다. 또한 여기서 배출되는 열에너지를 회수하여 보일러에 이용할 경우 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다는 장점을 지닌다.

한국과학기술연구원(KIST)은 알칼라인 연료전지에 사용되는 백금 촉매를 대체할 수 있는 저가형 ‘금속유기골격체(MOF)계’ 탄소 촉매를 개발했다고 밝혔다. 현재 촉매로는 백금이 사용되고 있으나 가격이 비싼 것이 단점이다.

KIST 수소·연료전지연구단의 유성종 박사 등은 백금 촉매 대체 용 금속유기골격체를 활용해 고효율 탄소 촉매를 개발했다. 금속유기골격계 탄소 촉매는 속이 빈 공 형태의 코발트-아연산화물(Co-ZnO)에 유기골격체를 붙인 뒤 고온 열분해 공정(스프레이 열분해법)으로 처리해 주위를 질소와 탄소가 둘러싼 구조로 만든 것이다. 이 탄소계 촉매는 현재 사용되는 상용 백금 촉매보다 성능이 40% 향상되고 제조 방법도 간단한 것이 장점이다. 또한 이 방법은 연료전지 산소환원반응 촉매 분야와 흡착제, 배터리 분야 등에도 응용될 수 있을 것으로 전망된다.

 

국내의 연료전지기술 개발은 1985년부터 한국에너지기술연구소와 한전기술연구원 공동으로 5.9kW급 인산염형 연료 전지 본체를 수입하여 성능을 실험 분석한 것이 효시다. 1993년부터 시작된 국가선도기술개발 사업과 연계되어 산·학·연 공동 참여를 근간으로 50kW급 및 200kW급 인산염형 연료전지의 실용화를 위한 요소 기술을 개발을 지원했다.

 

현대자동차 수소연료전지 시스템

특히 2004년 한국 정부는 10대 차세대 성장 동력의 하나로 수소연료전지사업단을 KIST에 설치했고 국내 대기업 대부분을 포함해 120여개 민간 기업이 연구개발에 참여하고 있다. 이에 따라 한국과학기술연구원(KIST)은 고분자전해질연료전지(PEMFC), 용융탄산염연료전지(MCFC), 고체산화물연료전지(SOFC), 직접메탄올연료전지(DMFC) 등 연료전지 전반에 걸쳐 개발하고 있다.

한국의 수소에너지 기술개발 수준은 아직도 선진국에는 못 미치지만 선진국 역시 아직은 개발초기 단계인 만큼 앞으로 지속적인 투자로 이들과의 기술격차를 줄일 수 있게 될 것으로 판단된다.

2013년 울산 지역 석유화학 공장에서 나오는 부생수소를 이용한 수소타운을 설립하였는데 회사 소유 사택과 그외 건물에 설치하여 약 160kW의 발전량을 갖고 있다. 각 가정마다 1kW급 연료전지가 설치되었으며 다소 큰 건물에는 5kW, 10kW급 연료전지가 설치되어 전력과 온수를 공급하여 5년간의 시범사업을 성공적으로 마쳤다.

부생수소는 석유화학공정이나 철강 등을 만드는 과정에서 부수적으로 나오는 것으로, 나프타를 전환하는 개질공정(정유공정)에서 발생한다. 예를 들어 프로필렌은 액화석유가스, 즉 LPG(Liquefied Petroleum Gas)에서 수소 분자를 제거한 것으로 이를 생산하는 공정에서 수소가 발생한다.

 

50MW 대산 수소 연료전지 발전소(한화에너지)

2020년 <한화에너지>는 충남 서산시 대산산업단지에서 '부생수소 연료전지 발전소' 준공식을 가졌다. 부생수소 연료전지 발전소는 50MW(메가와트) 규모로 연간 40만MWh의 전력을 생산하여, 충남지역 약 16만 가구가 사용할 수 있는 규모의 전기를 공급할 수 있다. 부생수소를 활용한 세계최초, 세계최대 규모의 연료전지 발전소다.

원료인 수소는 인근에 위치한 <한화토탈>로부터 공급받는데 석유화학공정에서 발생하는 부생수소가 지하 배관을 타고 공급되는 방식이며, 산소와 전기화학 반응을 일으켜 전력을 생산하고, 부산물로는 순수한 물만 생산된다. 기존 화력발전과 달리 발전과정에서 온실가스, 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx) 등의 환경오염물질이 전혀 배출되지 않는다.

연료전지의 야심작은 휴대용 전자기기 등에 동력원으로 사용하자는 것인데 실용성 문제와 가성비 문제로 중단상태이지만 주로 군사 분야나 자동차철도로 대표되는 교통 분야와 주거 분야에서 전력원으로 사용하는 추세이다. 재래식 잠수함의 AIP 시스템 등에 사용되며 주거 분야에서의 연료전지의 이점은 도시가스를 공급받아 연료전지의 연료로 사용할 수 있다는 점이다. 상암동공원에 설치한 도시가스를 이용한 연료전지도 이 일환이다.

 

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