우리나라 연료전지의 현재와 미래

1. 연료전지란

1) 연료전지는 화학에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환기구이다. 따라서 에너지 저장장치가 아니라 에너지 변환장치이다. 수소 연료 전지의 단위 전지는 수소가 들어가는 양극판과 공기나 산소가 들어가는 음극판, 그리고 그 두 판 사이를 채우는 전해질로 구성된다. 양 극에 공급된 수소는 백금 등 촉매제에 의한 수소 이온과 전자로 나누어진다. 수소 이온은 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 산소와 반응해 물을 만든다. 한편 전자는 전선(회로)을 따라 이동하여 전기를 발생 시킨다. 우리가 실재 사용하는 수소연료 전지는 하나의 단위전지가 여러 개 겹쳐진 적층 구조를 이루고 있다. 전류는 단위전지 면적에 따라 전압은 쌓아 올려 진 단위전지 개수에 따라 조절되므로 수소 연료전지는 전력을 자유 자재로 결정 할 수 있다.

2) 연료전지의 원리는 쉽게 말해 ‘물의 전기분해’ 역반응이다. 물을 전기분해하면 수소와 산소가 발생하는데, 역으로 수소와 산소를 반응시켜 전기와 열을 얻는 원리다. 즉 수소가 갖고 있는 화학에너지로부터 전기에너지를 얻어내는 것이다.

3) 연료전지는 전력 생산 과정에서 환경오염물질을 거의 배출하지 않아 친환경적이다. 또 필요한 곳에서 전기를 생산해 사용한다는 ‘분산형전원’의 정의에 적합해, 별도의 송배전망 없이 에너지가 필요한 곳에 설치한 후 쉼 없이 전기와 열을 공급할 수 있다.

4) 발전효율이 약 30~40%, 열효율이 약 40%로 총 70~80%의 높은 효율을 얻을 수 있으며 설비가 풍력태양광 등 다른 에너지원에 비해 작은 면적을 차지한다는 장점이 있다. 약 1000가구가 사용할 수 있는 1㎿급 연료전지는 약 120㎡의 면적을 필요로해 서울 등 효율적인 토지활용이 절실한 대도시에 적합하다. 요즘 각광받고 있는 태양광발전은 1㎿의 전력 생산을 하는데 1만5000㎡ 가량의 토지가 필요하다.

2. 연료전지의 종류

1) 인산염(Phosphoric Acid) 연료전지는 타 연료전지 대비 저효율이며 고가인 백금촉매 사용 등으로 보급이 활발하지 못함

2) 용융탄산염(Molten Carbonate) 연료전지는 고온에서 작동하여 귀금속 전극물질을 사용하지 않고도 45% 이상 발전효율이 있고 양질의 폐열사용을 통한 열병합이 용이하여 대형 발전용에 적합

3) 고체산화물(Solid Oxide) 연료전지는 세라믹을 전해질로 사용하여 500~1000℃의 고온에서 운전되어 효율이 높고 열병합 발전이 용이

4) 고분자 전해질막(Proton-exchange membrane) 연료전지는 작동온도가 낮고 효율이 높으나 낮은 온도에서 작동되어 폐열활용이 어렵고 고온에서 사용되는 개질기와 연계도 어려움

5) 직접메탄올(Direct Methanol) 연료전지는 연료로 수소대신 메탄올을 사용하며 연료공급 체계가 단순하여 소형화가 가능하며 연료 보충이 용이하여 휴대용으로 개발중

6) 알칼리(Alkaline) 연료전지는 저온에서 작동되면서 효율이 높아 우주선용으로 적용되었으나 제조시 높은 가격으로 인하여 타용도로 확대되지 못함

3. 연료전지의 기술개발현황

라. 연료전지 자동차 산업

1) 지속적으로 강화되는 환경규제에 대비하기 위하여 에너지 변환 효율이 높은 자동차를 개발하기 위한 노력이 계속되고 있다. 자동차로부터 발생하는 CO2는 전체 CO2 발생량의 1/3을 차지하고 있어 CO2의 배출을 저감시키기 위해서도 자동차 분야에서의 혁신적인 변화가필수적이다. 가솔린이나 디젤을 연료로 하는 내연기관 자동차의 경우 효율을 획기적으로 증가시키기 위하여 배터리와 하이브리드로 동력원을 구성한 하이브리드 차량이 개발되고 있으며, 이미 일부 자동차는 상용화에 이르러 있다. 배터리만을 사용하는 전기자동차 보다는 연료 전지와의 하이브리드 차량, 또는 연료전지만을 동력원으로 사용하는 연료전지 차량이 미래에 요구되는 초 저공해