일단, 연료전지가 무엇인지부터 짚고 넘어가볼까.

연료전지란 기존의 연료가 가지고 있는 화학 에너지, 즉 연소 에너지를 연속적으로 직접 전기 에너지로 전환시키는 에너지 전환 장치이다. ‘연료전지’에는 전지라는 이름이 들어가는데 전기화학반응을 이용하여 연료(전지의 경우 anode의 금속)의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 원리는 일반적인 전지와 같다. 그러나, 연료전지는 연속적으로 들어오는 수소와 산소의 화학에너지를 변환시키며 전지는 금속 전극 내부에 저장되어 있는 화학에너지만을 변환시킨다. 따라서 같은 전기화학반응에 의해 구동되는 연료전지와 전지이지만 연료전지는 에너지변환기구이며, 전지는 에너지저장장치라고 할 수 있다. 이로 인해 연료전지를 전기화학엔진이라고 부르는 이들도 있다.

- 본 연구실에서 작성한 포항공대소식 기획특집 '연료전지란 무엇인가' 에서 발췌
엄격히 말하면, 연료전지는 이름이 전지일뿐 기존의 화학전지와는 다르다.
위에서 말한 것처럼 에너지 변환기구이며 에너지 저장, 발전 장치이다. 하지만, '연료전지'라는 이름에 불만은 없다.
먼가 우리에게 쉽게 와 닿는거 같지 않은가?
연료만 보충해주면 끊임없이 계속 사용할 수 있는 전지 --> 연료전지
과학적으로 이야기하자면 정확한 네이밍은 아니지만, 이렇게 일반인들도 쉽게 생각할 수 있는 네이밍 센스도 중요하다고 생각한다. ^^


연료전지의 구성요소와 원리를 볼까.
연료전지의 원리는 1839년 William Grove에 의해 발표되었지만, 120 여년이 흐른 후에야 우주선에 먼저 사용되었다. 연료전지는 두 개의 전극 사이에 전해질이 있는 형태이다. 두 개의 넓은 빵 사이에 고기나 야채 등이 들어가 있는 샌드위치를 연상하면 된다. 가장 간단한 형태는 한쪽 전극에 산소를, 다른 쪽 전극에 연료인 수소가스를 흘리는 것이다. 이 형태에서는 산소나 수소가 전해질을 통과하여 서로 반응하고 그 부산물로 물이 생성되며, 외부회로를 통해 전자가 흘러 전기를 생산한다. 이 때 산소가 공급되는 전극을 양극(cathode), 수소가 공급되는 전극을 음극(anode)이라 부른다. 두 전극은 산소와 수소 같은 기체가 쉽게 드나들도록 구멍이 많이 뚫린, 다공질 구조를 가진다. 따라서 외부에서 양쪽 전극에 각각 산소(또는 공기)와 수소가스가 계속 공급되는 한 전기는 중단 없이 생산된다.

- 본 연구실에서 작성한 포항공대소식 기획특집 '연료전지란 무엇인가' 에서 발췌
중요한 점은 바로 마지막 문장이다. 연료전지는 외부에서 산소와 연료가 공급되는 한 생산되는 전기의 중단이란 없다.
기존의 전지들과 대비되는 점이다.
1차전지야 한번쓰면 그만인거고, 2차전지라고 해도 채워진 에너지를 다 쓰고 나면 그 만큼의 에너지를 채우기 위해 다시 충전해야만 한다.
연료전지는 연료만 채워주면 된다. 마치 라이터에 연료를 채우듯이 말이다.

예를 들어,
10시간을 쓸수있는 연료전지가 달려있는 노트북을 사용하고 있었다고 가정하자.
10시간동안 열심히 사용을 하고, 전지 경고등에 불이 들어오면 연료전지의 연료통에 연료만 채워주면, 바로 다시 10시간을 사용할 수 있게 된다. 그렇게 반복해서 계속 사용할 수 있다. 외부 전원 없이도 말이다. 진정한 포터블의 세계가 열리는 것이다.
2차전지를 사용한 노트북이었다면, 10시간 사용후에 아답터를 이용해서 충전하면서 사용해야만 할꺼고, 아답터를 끼울 콘센트가 없다면 사용을 중지해야만할 것이다. 아답터로 충전한다고 해도 10시간을 다시 사용하기 위해 충전해야하는 시간이 짧지 않다.

글만 있으면 심심할 것 같아, 연료전지의 구성요소를 잘 보여주는 개념도를 하나 넣어본다.

- 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell)의 개념도 및 전해질, 전극 반응


연료전지의 또다른 장점을 볼까.
연료전지는 내연기관이나 대형발전소에 비해 효율이 높다. 보통 내연기관에서는 고온영역으로부터 저온영역으로 열이 이동할 때, 그 열에너지가 기계적 에너지로 변환되는데, 이 때의 열에너지 변환은 Carnot cycle에 따라 행해지게 된다. Carnot’s equation에 의하면 실질적으로 Carnot cycle을 따르는 내연기관의 경우 최대로 낼 수 있는 효율은 50%를 넘지 못한다. 더군다나 실제 발전소에서는 화학에너지(가솔린, 디젤)를 연소시켜 열에너지를 얻고 다시 기계적 에너지로 바꾸며, 기계적 에너지를 다시 전기에너지로 바꾸기 때문에 여러 변환단계를 거치면서 에너지 손실이 매우 크며 송전선에 의한 손실도 추가된다. 연료전지의 경우, 화학에너지를 전기에너지로 직접 바꿔주므로 열을 기계적 에너지로 바꾸는 과정이 없기 때문에, 80℃정도의 낮은 온도에서 작동하더라도 열기관보다 효율이 훨씬 높다. 내연기관의 효율이나 전력선을 통한 전기공급 효율이 30% 미만인 반면, 연료전지의 효율은 보통 60%로 두 배 정도이며 고온에서 작동하는 경우 발생 수증기의 열량을 고려하면 85%에 이른다. 지구의 에너지가 점차 고갈되어 간다는 점을 생각하면, 연료전지는 미래의 발전 시스템이라고 할 수 있다. 또한 연료전지의 에너지 밀도를 여러 종류의 2차 전지와 비교하면 이 점은 확연하다. 2차 전지는 자동차에 사용되는 납 축전지에서 시작해 니켈-카드뮴(Ni-Cd) 전지, 니켈-수화물(Ni-MH) 전지, 리튬 전지로 발전하면서 에너지 밀도가 급격히 증가하고는 있지만, 연료전지의 에너지 밀도에는 크게 못 미치고 있다. 연료전지를 사용한 전력 생산은 전기화학반응에 의하므로 작동시 소음이 전혀 없고, 수소를 연료로 사용할 경우에는 부산물로 수증기만 생산되므로 공해가 전혀 없다.

- 본 연구실에서 작성한 포항공대소식 기획특집 '연료전지란 무엇인가' 에서 발췌
딱 2가지로 압축할 수 있다. 높은 효율과 무소음, 무공해라는 것이다.
예를들어, 다음과 같이 설명할 수 있다.
집에 보일러만한 크기의 연료전지를 설치해놓았다고 하자. (실제로 나중에 이렇게 될 것이다.)
연료는 기존의 보일러처럼 가스관을 통해 도시가스를 공급받으면 된다. 도시가스가 공급된 연료전지는 800도 근처의 온도에서 가정에서 쓰는 전기를 공급하고 그 열로 물을 데워서 온수도 공급하고 집안의 난방도 책임지게 된다. 연료전지 하나로 집안의 전기, 온수, 난방이 해결되게 된다. 이제 더이상 전기세를 내지 않아도 되며 거꾸로 타는 가스보일러를 선택할 것인지, 세번타는 가스보일러를 선택할 것인지 고민하지 않아도 된다. :)


그렇다면, 연료전지는 어떤 종류가 있을까.
연료전지는 일반적으로 전해질 및 전극의 종류에 따라 알카리형(AFC, Alkaline Fuel Cell), 인산형(PAFC, Phosphoric Fuel Cell), 용융탄산염형(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell), 고체산화물형(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell), 고체고분자형(PEMFC, Polymer Exchange Membrane Fuel Cell), 그리고 직접메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)가 있다. 각각의 연료전지는 구성물질의 특성상 사용범위나 사용조건 및 효율 등에서 차이를 갖는다. 이를 용도 관점에서 보면 발전용, 가정용, 이동용 및 수송용으로 구분할 수 있으며, 발전용 연료전지로서는 수백 kW급 이상으로 외국에서 이미 상용화가 진행되고 있는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)가 그 대상이 되고 있다. 기존의 인산형 연료전지(PAFC)는 상대적으로 낮은 효율 및 경제성으로 발전용 연료전지로서 시장점유율이 감소하는 추세이다. 가정용 또는 소규모 상업용 연료전지로는 수 kW급으로 고출력의 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 고온의 열을 공급할 수 있는 고체산화물 연료전지(SOFC)가 적용가능하며, 이동용 연료전지로는 주로 액체 연료인 메탄올을 사용하여 시스템을 단순화시킨 직접 알코올 연료전지(DMFC)과 micro Fuel Cell분야의 PEMFC, SOFC가 대상이 되고 있다.

- 본 연구실에서 작성한 포항공대소식 기획특집 '연료전지란 무엇인가' 에서 발췌

고체산화물 연료전지(SOFC)는 대체로 500도 이상의 고온에서 작동하여, 연료 개질 및 효율 측면에서 다른 연료전지들보다 우수하고, 전극과 전해질 물질이 모두 고체로 이루어져있기 때문에 관리도 쉽다.
하지만, 지금까지 많은 연구가 이루어졌음에도 불구하고 상용화가 되려면 시간이 더 필요하다. 그 이유가 무엇일까?

가장 큰 문제는 바로 안정성(Stability)에 대한 것이다.
많은 연구자들은 연료전지가 상용화되려면 최소한 40,000 시간 이상의 운전에 대해 안정성을 확보해야할 것으로 보고 있다. 40,000 시간은 약 4년 6개월 정도의 시간이다. 이 시간동안 1% 이내의 성능저하를 보여야 이상적으로 보고 있다.
하지만, 현재 연구보고된 결과들을 보면 1%/1,000시간 정도로써, 아직 갈길이 멀다.
요즘 국가에서도 과제를 쏟아내며 연구지원을 하고 있고, 삼성에서도 계속 연구 시작하려고 간보고 있고, 포스코라는 대기업도 연료전지 사업에 뛰어들었으니, 조만간 우리나라에서도 좋은 결과가 있지 않을까 생각한다.

안정성의 확보를 위해 해결해야될 과제는 많다.
전극과 전해질 물질 선택, 물질간의 반응 제어, 전극 미세구조 제어, 집전체 선택 및 제어, 각 물질간의 열팽창률 제어, 밀봉재 선택 및 제어, 연료로 사용할 gas 선택 및 flow 제어, 연료전지 셀 외의 외부 장치의 효율적 제어 등...


(원문 : 연료전지연구실 졸업한 유경빈의)

-
2013/07/03 14:03 2013/07/03 14:03