◇연료전지 원리 및 종류

연료전지는 전기를 사용하여 물을 수소 및 산소로 전기분해하는 과정의 반대의 원리를 이용한 것으로 수소와 공기를 공급하여 전기를 생산하는 장치를 말한다. 최초의 알칼리형 연료전지는 1950년대 부터 현재까지 우주선에 꾸준히 사용되어져 오고 있다. 상업용으로는 1960년대에 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형 같은 다양한 형태의 연료전지가 개발되면서 고려되기 시작하였으며 1970년대에 인산형을 필두로 민간 발전용으로 적용이 되기 시작하였고 1990년대에는 고분자전해질형이 자동차용의 목적으로 개발되기 시작하였다.

연료전지는 기본 단위셀이 음극-전해질-양극으로 이루어지고 중간 전해질의 재질에 따라 그 종류가 분류된다. 인산형이나 고분자전해질형은 음극에서 활성화 된(H2-->2H+2e-)에 수소이온이 전해질층을 통해 이동하여 양극에서 산소와 만나 물을 생성하고 (2H+ +1/2O2+2e- -->H2O) 최종적으로 전기가 발생된다. 반면에 고체산화물형이나 용융탄산염형은 양극에서 활성화된 (1/2O2+2e- -->O2-) 산소이온이나 산소함유 탄산이온이 전해질층을 통해 이동하여 음극에서 수소와 만나 물을 생성하고 (O2- +2H2-->H2O+2e-) 전기가 발생된다. 고분자전해질형에 백금량을 증가시키고 메탄올을 직접 주입하여 사용하게 되면 직접메탄올형 (DMFC), 고체산화물형에 카본 (목재·석탄) 등을 직접 연료로 주입하여 사용하게 되면 직접탄소형 (DCFC) 연료전지라고 부르기도 한다.

반응원리는 아주 간단하다. 그러나 양극 및 음극은 전기전도성 재질이어야 하고 가스가 통과해야 하기 때문 다공성 막으로 제조되야 한다. 전해질은 이온전도성 재질이어야 하고 전기부도체라야 하며 수소와 공기를 차단해야하기 때문에 치밀막으로 제조되어야 한다. 양극-전해질-음극으로 된 하나의 MEA의 양극과 이웃한 MEA의 음극 사이에 가스체널판 (BP·Bipolar plate)가 접착되고 상기 가스체널판은 전기전도성이어야 하고 양극 쪽 접촉 면은 공기가 반대 쪽 면은 수소가스가 통과할 수 있게 많은 홈을 파서 처리해야 한다. MEA와 BP 사이에 수소와 공기가 새는 것을 막기 위해 밀봉재가 끼워지게 되며 이렇게 제조된 단위셀의 전체의 두께는 통상 4mm이하로 유지된다. 단위셀을 반복해서 적층하게 되면 최종 스택이 되는데 이렇게 박막으로 제조되면서도 반도체와 달리 면적은 될수록 넓어야 하고(예 100x100 cm2), 적층 수는 될수록 많아야 하기 때문 (예 100~200층) 제조가 힘들고, 아직까지도 관련 재질·밀봉·부식 등의 문제 등이 완벽하게 해결되지 못해 현재 수명이 2~7년 정도여서 상업화가 더디게 진행되고 있다.

◇산업 응용 분야 및 향후 시장 전망

연료전지는 전기발전 효율이 일반 발전기 보다 2배 높고 무공해라는 이점과 함께 다양한 크기로 만들 수가 있어서 모든 종류의 전기발생 장치와 수송용의 엔진 대체용으로 개발되고 있다. 그외에도 잠수함 등 군사용, 비상발전용, 선박용, 지게차 등 다양한 용도로 사용이 되고 있거나 개발되고 있다.

더구나 연료전지 시스템은 자동차로 치면 엔진에 해당하는 스택 외에도 연료를 수소로 바꾸는 개질기, 탈황기, 각종 열교환기, 가습기, 브로아 및 펌프, 인버터 및 전자제어기 등 수많은 부품의 조합으로 이루어져서 부품 수가 2,000여개가 넘고 모듈화해도 200여개가 넘는 아주 고용유발효과가 큰 산업이다. 현재 PEMFC는 가정용 (1-5KW급) 및 자동차용 (100KW급) 분야에서 이미 시판이 되고 있고 1W급의 전자기기용 으로 개발이 되고 있으며, MCFC는 발전용 (1-2MW급) 분야에서 판매가 되고 있고, SOFC는 1KW급의 가정용, 10KW급의 비상발전용 분야에서 실증화가 이루어지고 있으며 그 외 mW급의 MIcro-device나 100KW급의 발전용으로 활발히 개발이 되고 있다. 특히 디젤엔진을 대체하기 위한 차세대 친환경 선박용은 2016년 디젤엔진의 SOx 및 NOx 배출 금지와 맞물려 유럽 쪽에서 실증화 시험이 활발하게 진행되고 있다. 따라서 미국, 일본 및 유럽을 위시한 선진국과 우리나라도 태양광, 풍력 등에 우선하여 정부 그린에너지 연구비의 45~55%를 아직 기술개발이 미흡한 연료전지에 투입하고 있다.

연료전지 시장은 잠재력 면에서는 그 어떤 상품보다 시장성이 크나, 기술이 아직 완성되지 않았고 선진 각국이 기술 노출을 꺼리고 정부가 수출 금지 품목으로 지정한 것도 많아서 오히려 시장화의 발목을 잡고 있다. 일례로 SOFC 같은 경우는 팔지도 않을 뿐 더러 파는 곳도 Black box 형태로 임차 형식으로 판매를 하며 1KW급 한 대에 8천만원 정도한다. 현재 전 세계에서 상품화된 연료전지의 판매 시장은 대략 1조원 정도로 추산되나 근래의 기술 발전 속도 추이로 예상할 때 향 후 건물용, 비상발전용, 10MW급 이상의 대형발전용, 자동차용 및 선박용 등에서 폭발적으로 수요가 증가하여 향후 10년 이내에 수백조원 대의 매출이 일어날 것으로 예상하고 있다.