연료전지

3. 연료전지 발전 장치

연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산하는 장치로, 닫힌 계에 전기에너지를 저장하는 일반 전지와 다르다. 연료전지의 전극은 촉매 작용을 하여 충전/방전 상태에 따라 변하는 전지의 전극과 달리 상대적으로 안정적이다.

수소를 연료로, 산소를 산화제로 사용하는 수소 연료전지 외에도, 탄화수소, 알코올 등을 연료로, 공기, 염소, 이산화 염소 등을 산화제로 이용할 수 있다.^[253] 연료전지는 발전 효율이 40~60%로 높고, 반응 과정에서 나오는 열을 이용하면 최대 80%까지 에너지를 활용할 수 있다. 또한, 다양한 연료를 사용할 수 있어 에너지 자원 확보가 용이하고, 연료를 태우지 않아 환경 보호에도 기여한다. 질소산화물(NOx)과 이산화탄소 배출량이 적고 소음이 적으며, 모듈화, 설비 용량 조절, 적은 토지 면적 등의 장점으로 입지 선정이 용이하여 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.

연료전지 발전 장치는 다음과 같은 구성 요소로 이루어져 있다.

• 용융탄산염형 연료전지(MCFC): 탄산 이온(CO)을 사용하며, 탄산리튬, 탄산칼륨 등의 용융된 탄산염을 전해질로 사용한다. 천연가스나 석탄 가스를 연료로 사용할 수 있으며, 작동 온도는 600℃~700℃이다. 발전 효율은 약 45% LHV이며, 백금 촉매를 사용하지 않아 일산화탄소 피독 걱정이 없고 배열 이용에 유리하다.
• 고체산화물형 연료전지(SOFC): 고체전해질형 연료전지라고도 불리며, 작동 온도는 700~1,000℃이다. 전해질로는 안정화지르코니아나 란탄, 갈륨의 페로브스카이트 산화물과 같은 이온 전도성 세라믹스를 사용한다. 수소뿐만 아니라 천연가스나 석탄 가스도 연료로 사용할 수 있다. 발전 효율이 높으며, 가정용·업무용으로도 개발되고 있다.
• 알칼리형 연료전지(AFC): 수산화물 이온을 이온 전도체로 사용하며, 알칼리 전해액을 분리판에 함침시켜 셀을 구성한다. 구조가 간단하고 저렴한 전극 촉매를 사용할 수 있으며, 우주 용도 등에 실용화되었다. 하지만, 탄화수소계 연료나 공기를 사용하면 전해액이 열화되므로, 고순도 산소를 산화제로 사용해야 한다.
• 직접형 연료전지 (DFC): 개질기를 거치지 않고 연료를 직접 셀 스택에 공급하는 방식이다. 메탄올, 에탄올, 디메틸에테르 등을 사용하며, 소형·경량화가 가능하여 소규모 소전력 발전에 적합하다.

3. 1. 연료 개질기(Fuel Reformer)

3. 2. 연료전지 본체(스택 stack)

• 전해질 물질: 일반적으로 연료 전지의 ''종류''를 결정하며, 수산화칼륨, 염탄산염, 인산과 같은 여러 물질로 만들 수 있다.^[20]
• 가장 일반적으로 사용되는 연료는 수소이다.
• 양극 촉매: 일반적으로 미세한 백금 분말이며, 연료를 전자와 이온으로 분해한다.
• 음극 촉매: 종종 니켈이며, 이온을 폐기물 화학 물질로 전환하는데, 물이 가장 일반적인 폐기물 유형이다.^[21]
• 산화를 견딜 수 있도록 설계된 가스 확산층.^[21]

• 활성화 손실
• 저항 손실 (셀 구성 요소와 상호 연결의 저항으로 인한 전압 강하)
• 물질 전달 손실 (고부하에서 촉매 부위의 반응물 고갈로 인한 전압의 급격한 손실).^[22]

3. 3. 전력 변환 장치(Inverter)

3. 4. 기타 장치

4. 연료전지의 종류

연료전지는 사용하는 전해질의 종류에 따라 여러 가지로 나뉜다. 크게 4가지 종류의 연료전지 방식이 연구되고 있으며, 알칼리형 연료전지(AFC)는 기존 방식이며 향후 활용은 제한적일 것으로 예상된다. 바이오 연료전지는 다른 방식과 완전히 달라 아직 불명확한 점이 많다.

각 연료전지의 특징은 다음과 같다.

• 고분자전해질 연료전지(PEMFC): 100°C 미만의 저온에서 작동하며, 수소 이온을 통과시키는 고분자막을 전해질로 사용한다. 구조가 간단하고 시동이 빠르며, 자동차 동력원으로 적합하다.
• 인산형 연료전지(PAFC): 액체 인산을 전해질로 사용하며, 150~200°C에서 작동한다. 일산화탄소에 대한 내성이 있어 고정형 연료전지 시장에서 입지를 넓혀가고 있다.
• 용융탄산염 연료전지(MCFC): 탄산 이온()을 사용하며, 용융된 탄산염을 전해질로 사용한다. 600℃~700℃의 고온에서 작동하며, 백금 촉매를 사용하지 않아 일산화탄소 피독 우려가 없다.
• 고체산화물 연료전지(SOFC): 산소 또는 수소 이온을 투과시킬 수 있는 고체산화물을 전해질로 사용한다. 700~1000°C의 고온에서 작동하며, 모든 구성요소가 고체이기 때문에 구조가 간단하고 전해질 관련 문제가 없다.
• 직접메탄올 연료전지(DMFC): 메탄올을 직접 연료로 사용하여 소형화가 가능하다. 고분자전해질 연료전지와 구성요소는 같지만, 출력밀도는 낮다.
• 직접에탄올 연료전지(DEFC): 직접메탄올 연료전지와 메커니즘은 같으나, 연료는 에탄올을 사용한다.
• 직접탄소 연료전지(DCFC): 고체산화물 연료전지와 용융탄산염 연료전지에서 파생된 기술로, 고체 형태의 탄소 연료나 바이오매스를 연료로 사용할 수 있다.
• 알칼리형 연료전지(AFC): 기존 방식이며 향후 활용은 제한적일 것으로 예상된다.
• 바이오 연료전지: 생체 시스템을 이용하여 식품에서 에너지를 얻는 연료전지이다. 효소나 미생물 등을 촉매로 사용하며, 혈액 중의 포도당을 이용하는 체내 삽입형 페이스메이커 개발이 진행되고 있다.

4. 1. 용융탄산염 연료전지 (MCFC)

• 저렴한 촉매: 고온에서 빠른 전기화학반응이 일어나므로 값비싼 백금 대신 니켈을 촉매로 사용할 수 있어 경제적이다.
• 다양한 연료 사용: 백금 촉매에서는 독성 물질로 작용하는 일산화탄소도 니켈 촉매에서는 수성가스 전환반응을 통해 연료로 사용할 수 있다. 따라서 석탄 가스, 천연가스, 메탄올, 바이오매스 등 다양한 연료를 사용할 수 있다.
• 높은 발전 효율: HRSG(Heat Recovery Steam Generator) 등을 이용한 bottoming cycle로 양질의 고온 폐열을 회수하면 전체 발전 시스템의 열효율을 약 60% 이상으로 높일 수 있다.
• 내부개질: 높은 작동 온도는 연료전지 스택 내부에서 전기화학반응과 연료개질반응이 동시에 진행되는 내부개질 형태를 가능하게 한다. 내부개질형 MCFC는 외부개질형에 비해 열효율이 높고 시스템 구성이 간단하다.

4. 2. 고분자전해질 연료전지 (PEMFC)

4. 3. 고체산화물 연료전지 (SOFC)

4. 4. 직접메탄올 연료전지 (DMFC)

4. 5. 직접에탄올 연료전지 (DEFC)

4. 6. 인산형 연료전지 (PAFC)

4. 7. 직접탄소 연료전지 (DCFC)

• 반응 메커니즘^[260][261]

5. 연료전지 기술 개발 역사

최초의 수소 연료전지에 대한 언급은 1838년에 등장했다. 1838년 10월에 작성되었지만 1838년 12월호 ''The London and Edinburgh Philosophical Magazine and Journal of Science''에 게재된 편지에서 웨일스의 물리학자이자 변호사인 윌리엄 로버트 그로브 경(Sir William Grove)은 최초의 조잡한 연료전지 개발에 대해 기술했다. 그는 철판, 구리판, 자기판을 조합하고 황산구리 용액과 묽은 산을 사용했다.^[6][7] 1838년 12월에 작성되었지만 1839년 6월에 같은 출판물에 게재된 편지에서 독일의 물리학자 크리스티안 프리드리히 쇤바인은 자신이 발명한 최초의 조잡한 연료전지에 대해 논의했다. 그의 편지에서는 물에 용해된 수소와 산소로부터 생성된 전류에 대해 논의했다.^[8] 그로브는 나중에 1842년 같은 저널에 그의 설계를 스케치했다. 그가 만든 연료전지는 오늘날의 인산형 연료전지와 유사한 재료를 사용했다.^[9][10]

5. 1. 세계

5. 2. 대한민국

6. 연료전지 관련 정책 및 규제

연료전지 실용화를 위해서는 소방법, 고압가스안전법, 전력사업법, 건축기준법 (메탄올 연료 사용 시 독극물취급법) 등 관련 법규의 완화가 필요하며, 이에 따라 전기설비기술기준 등이 재검토되었다. 2002년 10월, 미국 교통부는 연료전지의 항공기 반입을 허용하며 규제 완화 방침을 발표했다. 더불어 안전 기준 및 성능 평가에 대한 국제 표준 제정 움직임도 활발하다.

1998년 국제전기표준회의(IEC) 산하 TC105가 발족하여 연료전지 관련 전기 분야 표준화를 논의, 8개의 표준을 제정했다. 전기 분야 외 표준화는 국제표준화기구(ISO)에서 담당한다.^[225]

6. 1. 대한민국

7. 연료전지 보급 과제

2023년 현재, 연료전지 보급에는 여전히 기술적 장벽이 남아있다.^[197] 연료전지는 주로 창고, 유통센터 및 제조 시설의 물류 처리에 사용된다.^[198] 연료전지는 더 넓은 범위의 응용 분야에서 유용하고 지속 가능할 것으로 예상되지만,^[199] 현재 응용 분야는 저소득층 지역 사회에 도달하지 못하는 경우가 많다.^[200] 접근성과 같이 포용성을 위한 일부 시도가 이루어지고는 있다.^[201]

2012년 연료전지 산업 매출액은 전 세계적으로 10억 달러를 넘어섰으며, 아시아 태평양 국가들이 전 세계 연료전지 시스템의 4분의 3 이상을 공급했다.^[202] 그러나 2014년 1월 현재, 이 산업의 어떤 상장 기업도 아직 수익을 내지 못했다.^[203] 2010년에는 전 세계적으로 14만 개의 연료전지 스택이 출하되었는데, 이는 2007년 1만 1천 개 출하량에서 증가한 수치이며, 2011년부터 2012년까지 전 세계 연료전지 출하량은 연평균 85%의 성장률을 기록했다.^[204] 다나카 귀금속은 2011년에 생산 시설을 확장했다.^[205] 2010년 연료전지 출하량의 약 50%는 고정형 연료전지였으며, 이는 2009년 약 3분의 1에서 증가한 수치이다. 미국, 독일, 일본, 한국은 연료전지 산업의 4대 주요 생산국이었다.^[206] 미국 에너지부 고체상태 에너지 변환 연합은 2011년 1월 기준으로 고정형 연료전지가 킬로와트당 약 724USD에서 775USD의 설치 비용으로 전력을 생산한다고 밝혔다.^[207] 2011년 주요 연료전지 공급업체인 블룸에너지는 자사 연료전지가 연료, 유지보수 및 하드웨어 비용을 포함하여 킬로와트시당 9~11센트의 전력을 생산한다고 밝혔다.^[208][209]

철도 운영사들은 가선 전철화 설비 설치 비용을 절감하고 디젤 기관차가 제공하는 운행 범위를 유지하기 위해 열차에 수소 연료전지를 사용할 수 있다. 그러나 열차용 연료전지의 수명이 3년에 불과하고, 수소 탱크 유지보수가 필요하며, 전력 완충 장치로 배터리가 추가로 필요하기 때문에 비용 문제에 직면해 왔다.^[136][137] 2018년, 최초의 연료전지 동력 열차인 알스톰 코라디아 iLint 다중 운행 열차가 독일의 폭스테후데-브레머뵈르데-브레머하펜-쿡스하펜 노선에서 운행을 시작했다.^[138] 스웨덴^[139]과 영국^[140]에서도 수소 열차가 도입되었다.

업계 단체들은 향후 수요에 충분한 백금 자원이 있다고 예측하고 있으며,^[210] 2007년 브룩헤이븐 국립 연구소의 연구에 따르면 백금을 금-팔라듐 코팅으로 대체할 수 있으며, 이는 중독에 덜 취약하여 연료전지 수명을 향상시킬 수 있다.^[211] 또 다른 방법으로는 백금 대신 철과 황을 사용하는 것이다. 이렇게 하면 연료전지 비용을 낮출 수 있다(일반 연료전지의 백금 비용은 약 1500USD인 반면, 같은 양의 철은 약 1.5달러에 불과하다). 이 개념은 존 인네스 센터와 밀라노 비코카 대학교의 연합에 의해 개발되고 있다.^[212] PEDOT 음극은 일산화탄소 중독에 면역성이 있다.^[213]

2016년, 삼성전자는 "시장 전망이 좋지 않아 연료전지 관련 사업 프로젝트를 중단하기로 결정했습니다".^[214]

연료전지를 보급하는 데 있어 가장 큰 과제는 비용과 효율의 저하이다. 초기 구입 비용과 사용 기간 동안 발생하는 운영 비용이 모두 높기 때문에 보급이 저해되고 있다. 더욱이 내구성 및 발전 효율 향상, 전해질의 장수명화, 인프라 정비 등의 과제가 지적되어 왔다.^[225][246]

또한 수소가 매우 취급하기 어려운 성질이기 때문에 비용이 매우 높아지는 것과, 애초에 지구상에 존재하지 않는 수소를 화석연료에서 생산하고 있어 환경 부하에 대한 우려가 제기되고 있다.^[247] 촉매에 백금과 같은 귀금속을 사용하는 방식의 경우, 귀금속이 부족해질 가능성이 지적되고 있다.^[248] 연료전지 시스템 전체의 효율 저하는 무시할 수 없는 수준이며, 수소의 제조·수송·압축·발전에 있어서 아직 발전 단계이다.

8. 연료전지 활용 분야

연료전지는 연료를 소모하여 전력을 생산하는 장치로, 기존 전지와 달리 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 생산할 수 있다. 연료전지의 전극은 촉매 작용을 통해 안정적으로 작동하며, 수소, 탄화수소, 알코올 등 다양한 연료와 산소, 공기, 염소 등의 산화제를 사용할 수 있다.^[253] 연료전지는 발전 효율이 40~60%로 높고, 배출열을 활용하면 최대 80%까지 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한, 다양한 연료를 사용할 수 있어 에너지 자원 확보에 유리하며, 환경 오염 물질 배출량이 적고 소음이 적다는 장점이 있다.
고정형 연료전지

• 기지국 또는 기지재의 전력 공급^[184][185]
• 비상 전원 시스템^[186]
• 통신^[187] 장비 및 현대 해군 함정
• 무정전 전원 장치(UPS)
• 스마트폰, 노트북, 태블릿 등 휴대용 기기 충전
• 소형 난방 기구^[188]
• 식품 보존^[189]
• 음주 측정기 등 센서^[190]

• 유럽의 캠핑카에서 메탄올을 사용한 연료전지가 개발되었으며, 일본에서는 에탄올 농도를 조정한 제품이 판매되기 시작했다.^[249]
• 액화석유가스(LPG)를 사용하는 연료전지도 채택될 전망이다.^[249]
• 뉴욕의 프리덤 타워에는 UTC Power사의 400kW 인산형 연료전지(PAFC) 12대가 설치되었다.
• 교토의 한 벤처기업은 물에서 수소를 분리하여 연료로 사용하는 소형 연료전지를 개발하여 편의점에서 판매할 예정이었다.^[250]
• 도시바는 메탄올을 연료로 하는 소형 모델을 한정 판매했다.^[251]
• 미국 뉴저지 주에서는 태양광 발전 패널과 수소 연료를 이용한 주택 설비가 가동되고 있다.^[252]

9. 용어

연료전지 설명에는 몇 가지 고유한 용어가 사용된다. 일반적인 용어도 있지만, 연료전지에서만 독자적인 의미를 갖는 용어도 있다.

• 셀(cell): 전지 분야에서 "cell"은 양극과 음극, 전해질, 세퍼레이터를 포함하는 가장 간단한 전지를 의미한다. 반면 "battery"는 조립된 전체 전지를 가리킨다. 연료전지에서는 일반적으로 적층하지 않은 단일 연료전지를 "단위셀", "단셀" 또는 간단히 "셀"이라고 부르는 경우가 많다.

• 스택(stack): 단판 형태의 단위셀들을 적층한 것이다. 원통형 가로줄무늬 또는 세로줄무늬 단위셀의 경우에는 위아래로 쌓거나 꿰어 늘어놓는다. 어느 경우든 직렬 연결된다. "셀 스택"이라고도 불린다.

• 연료극(fuel electrode): 양극(anode)을 의미하며, 전자를 잃는 쪽의 전극인 양극을 수소 등의 연료를 공급하는 쪽을 의미하는 "연료극"이라고 부른다. 전극 단자의 전압 방향에 따른 '''양극'''이나 '''음극'''이라는 명칭, 전류의 방향에 따른 '''양극(anode)'''이나 '''음극(cathode)'''이라는 명칭에 비해, '''양극'''·'''음극'''이라는 용어는 "전위의 고저 의미"와 "전류의 출입 의미"의 두 가지 의미로 사용되어 혼란스럽다. 따라서 공급 가스를 전극의 이름으로 선택하는 것이 일반적이다. 연료극=양극(anode)=(양극)=음극이다. 즉, 일반적인 전지에서 말하는 마이너스극이다.

• 공기극(air electrode): 음극(cathode)을 의미하며, 전자를 얻는 쪽의 전극인 음극을 산소를 포함하는 공기를 공급하는 쪽을 의미하는 "공기극" 또는 "산소극"이라고 부른다. 공기극=음극(cathode)=(음극)=양극이다. 즉, 일반적인 전지에서 말하는 플러스극이다.

• 세퍼레이터(separator): 셀의 주요 구성 요소이며, 한쪽 면에 수소를, 반대쪽 면에 산소를 두고 이들을 분리(Separate)하기 때문에 세퍼레이터라고 불린다. 가능한 한 낮은 전기 저항으로 양면 사이에 전류를 흘릴 필요가 있기 때문에 얇은 것이 좋지만, 수소와 산소, 냉각수의 유로 홈을 갖추기 위해 두꺼운 것이 많다. 고농도의 수소 이온은 강산성이므로, 흑연이나 내식성이 있는 금속으로 만들어지는 경우가 많다.^[225] 전자 전도성이 있고, 이온 전도성이 없고, 강직하며, 기체·액체를 통과시키지 않는 것이 필요하다. 리튬이온전지 등에서는 "세퍼레이터"가 이온이 통과하는 부분의 양극과 음극을 정전적으로 절연하는 층을 가리키는 반면, 연료전지에서는 전해질층에 해당하는 것이므로 주의가 필요하다.

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