연료전지란 수소(H)와 산소(O2)의 화학반응을 통해 전기를 만들어 낼 수 있는 기술입니다. 일명 3차 전지로 불리고 있으며, 전해질에 따라 종류가 나뉩니다. 대표적인 연료가 수소여서 이산화탄소 배출이 없기 때문에 친환경 에너지로 알려져 있습니다.
연료전지 정의
연료전지 원리
연료전지 종류 및 특징
연료전지 장단점
연료전지 활용분야
연료전지 전망
연료전지 정의
연료전지(Fuel Cell)는 앞서 언급한 것처럼 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 기술입니다. 즉, 일반적인 배터리와는 다르게 수소라는 연료를 지속적으로 공급하면서 전기를 생산할 수 있는 기술이죠. 최근에는 암모니아(NH3) 연료전지도 개발되고 있지만 결국 연료전지 안에서 H란 수소가 추출되어 수소가 사용되는 연료전지이기 때문에 현재 기술로 연료전지는 수소 연료로 작동되는 전지입니다.
그 이유는 화학반응의 원리에 있습니다.
- 수소 + 산소 -> 전기 + 물
이러한 화학반응 원리가 가능하기 때문에 수소라는 원소가 연료전지에 사용되고 있죠. 또 다른 이유는 친환경이라는 범주에 속해 있다는 것입니다. 수소가 음극에 공급되고 산소가 양극에 공급되면 화학반응을 통해 전자가 발생되고 이 전자가 이동을 하면서 전기가 만들어지죠.
이러한 과정에서 물만 배출되며, 결국 지구촌의 숙제인 기후변화 대응에 필요한 친환경 에너지의 원리를 가지고 있기 때문에 손색이 없습니다.
연료전지 원리
음극 반응 : 수소(H2)가 음극에 공급되면 촉매(대표적인 백금) 작용을 통해 수소 이온(H+)과 전자(e-)로 분해됩니다.
- 2H2 + 2e– -> 2H+
양극 반응 : 산소(O2)가 양극에 공급되면 촉매 작용을 통해 산소 이온(O2-)으로 변환됩니다.
- O2 + 4e– -> 2O2-
결국 음극에서 생성된 수소 이온(H+)은 양극으로 이동하고, 양극에서 생성된 산소 이온(O2-)과 결합하여 물(H2O)을 만들어내죠. 이때 전자가 이동을 하는데 이동하는 과정에서 전기가 만들어집니다.
- 2H+ + 2O2- -> 2H2O
추가로 수소와 산소의 원자는 고유한 에너지 준위(에너지 높낮이)를 가지고 있는데 수소가 산소보다 에너지 준위가 낮습니다. 따라서 수소와 산소가 결합하면 에너지가 방출되고 이때 에너지 일부가 곧 전기 형태로 변환되는 것이죠.
이러한 원리를 가지고 있는 연료전지는 위 그림과 같이 전해질에 따라 그 종류와 특징이 달라집니다.
연료전지 종류 및 특징
| 고분자 전해질 | 알칼리 | 인산형 | 용융탄산염 | 고체 산화물 | |
| 운영온도 | 50~100도씨 | 800~200도씨 | 160~200도씨 | 650~800도씨 | 600~1000도씨 |
| 효율 | 40~60% | 60~80% | 60~80% | 60~85% | 50~60% |
| 장점 | 낮은 운영 온도 빠른 시동 시간 높은 효율 다양한 연료 활용 | 높은 효율 높은 내구성 연료 다변화 | 높은 효율 낮은 가격 시스템 신뢰도 상용화 가능성 | 높은 효율 대규모 발전 시스템 신뢰도 성능 우수 | 높은 효율 성능 우수 연료 다변화 모듈형 구조 |
| 단점 | 가격 경쟁력 확보 수소 인프라 구축 내구성 향상 | 높은 초기 비용 수소 인프라 구축 | 높은 온도 촉매제 내구성 일산화탄소 문제 | 높은 온도 부식 문제 시스템 가격 | 높은 온도 내구성 필요 관련 인프라 구축 |
| 활용분야 | 자동차, 버스 비상 전력 해양분야 | 자동차, 선박 휴대용 전자기기 | 비상 전력 산업용 전력 해양분야 | 대규모 발전 산업용 발전 해양분야 | 대규모 발전 해양분야 분산형 발전 |
1. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 특징
높은 에너지 효율
대표적으로 수소차에 적용되는 기술로 다른 종류의 연료전지에 비해 에너지 효율이 높습니다. 즉, 수소가 전기로 변환되는 과정에서 더 많은 전기를 얻을 수 있다는 뜻이죠. 또한 소형으로 제작 가능하기 때문에 수소차에 적용하기에 알맞은 연료전지입니다.
낮은 작동 온도
통상 60~100도씨의 낮은 온도 환경에서도 작동이 가능합니다. 따라서 다른 연료전지보다 제작 비용이 낮으며, 빠른 시동시간, 에너지 효율 등을 고려해서 자동차, 휴대용 전원, 가정용 에너지 시스템 등의 분야에 활용되고 있죠.
빠른 시동 시간
다른 종류의 연료전지에 비해 작동 시간이 빠릅니다. 몇 초 안에 최대 출력을 낼 수 있는 특징이 있죠.
간단한 구조
상대적으로 간단한 구조를 갖고 있기 때문에 제작 비용, 유지 관리 비용이 낮죠. 이는 대량 생산이 가능하다는 뜻으로 규모의 경제를 이룰 수 있는 가능성이 있습니다.
친환경, 소형화 가능
물만 배출되기 때문에 매우 친환경적인 에너지 기술이며 에너지 용량에 따라 충분히 작게도 만들 수 있습니다.
다양한 연료 사용 가능
PEMFC는 수소뿐만 아니라 메탄올, 천연가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 특징이 있습니다.
다만, 촉매를 백금으로 사용하기 때문에 가격이 비싼 점이 가장 큰 제약이죠.
2. 알칼리 연료전지(AFC)
높은 에너지 효율
다른 유형의 연료전지보다 에너지 절약이 가능하며 대략 60~80% 수준의 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있습니다. 화석연료는 30~40% 정도 수준이죠.
낮은 작동 온도와 경제성
알칼리 연료전지는 시스템 자체가 간단하기 때문에 부품 수가 적어 제작 비용도 낮습니다. 80~200도씨의 낮은 온도에서 작동되기 때문에 시동 시간도 다른 연료전지보다 짧은 편에 속합니다. 이러한 특징은 수소차에 적용되어 있는 PEMFC(고분자전해질 연료전지)와 유사한 특징을 가지고 있죠.
높은 내구성
강력한 알칼리 전해질을 사용하기 때문에 높은 내구성이 필요하며 따라서 연료전지 자체가 내구성 기술이 좋습니다. 다른 유형의 연료전지에 비해 수명이 길어 유지 관리 비용이 낮으며, 다양한 온도 환경에서도 사용가능 합니다.
다양한 연료 활용 가능
알칼리 연료전지는 수소뿐만 아니라 천연가스, 메탄올 등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 시스템 활용도가 높습니다.
이러한 특징들로 인해 자동차 분야, 발전 분야, 선박, 잠수함, 노트북 등에 사용될 수 있으며, 1960년대 미국의 아폴로 프로젝트 당시 적용되었던 연료전지도 이 알칼리 연료전지입니다. 따라서 우주인들의 식수 공급을 알칼리 연료전지가 역할을 했다고 알려져 있죠.
3. 인산형 연료전지(PAFC)
인산형 연료전지는 1950년데에 개발되어 연료전지 중 오래된 역사를 가지고 있습니다. 오래도록 사용된 만큼 시스템의 신뢰도가 높은 편입니다.
높은 작동 온도와 높은 효율
인산형 연료전지는 160~200도씨의 높은 온도에서 작동을 합니다. 작동 온도 환경이 높기 때문에 전기 화학반응이 쉽게 일어나 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있습니다.
다양한 연료 활용 가능
수소뿐만 아니라 천연가스, 메탄올 등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 시스템 활용도가 높습니다.
기본적으로 오래된 연료전지 기술이기 때문에 시스템적으로 신뢰도가 있는 편이며 제작 비용이 낮기 때문에 비상 전력, 대규모 발전, 선박 등에서 활용 가능한 연료전지 기술입니다.
4. 용융탄산염형 연료전지(MCFC)
용융탄산염 연료전지는 고온에서 작동되는 연료전지입니다. 운영 온도가 650~800도씨로 높기 때문에 활발한 화학반응을 유도하여 에너지 효율이 높은 편이죠.
높은 에너지 효율
다른 연료전지 유형보다 적은 연료를 소비하기 때문에 연비가 좋으며, 연료 소비 감소로 운영 비용을 줄일 수 있죠.
다양한 연료 활용 가능
수소뿐만 아니라 천연가스, 석탄가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 시스템 활용성이 좋은 편에 속합니다. 대규모 발전이나 공장 등 산업용 전력 공급, 장거리 주행이 가능한 연료전지 자동차, 우주선 등에서 활용할 수 있죠.
다만 운영 온도가 높아 부품 손상 가능성, 그 점을 해소하기 위해 시스템이 복잡해지는 단점이 있습니다.
5. 고체산화물 연료전지(SOFC)
고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하는 연료전지 유형으로 대략 600~1000도씨에서 본연의 성능을 자랑합니다.
높은 온도에서 작동하는 만큼 화학반응이 원활하여 에너지 변환 효율을 자랑합니다. 따라서 동일한 양의 전기를 생산하는데 다른 연료전지보다 적은 연료를 소비하기 때문에 연비가 좋은 기술입니다.
다양한 연료 활용 가능
수소뿐만 아니라 천연가스, 프로판, 부탄 등 다양한 연료를 사용할 수 있으며, 수명이 긴 축에 속해 유지 관리 비용을 절감할 수 있습니다.
또한 모듈형 구조가 가능하기 때문에 용량에 따라 제작이 가능하고 유지 보수가 간편한 특징을 가지고 있죠. 따라서 가정이나 공장 등에서 전력을 생산하는데 효과적이며, 대규모 발전도 가능합니다.
다만, 태생적으로 높은 운영 온도를 가지고 있기 때문에 그것을 해결하기 위해 촉매제 내구성, 시스템 복잡성 등이 있을 수 있죠.
연료전지 장단점
연료전지는 대부분 높은 에너지 효율을 가지고 있습니다. 화석연료의 경우 30~40% 수준으로 보았을 때 연료전지는 40~85%이기 때문에 연료를 덜 소비하는 기술입니다. 따라서 오염물질 배출이 거의 없고 연비도 좋기 때문에 지속가능한 기술로 평가받고 있죠. 또한 고체 산화물 연료전지(SOFC)는 모듈형태로 제작할 수 있기 때문에 필요에 따라서 언제 어디서든 전력 공급이 가능합니다.
다만, 기술 자체가 아직은 범용적인 상용화 기술이 아니기 때문에 초기 비용이 높은 편이며, 국가 단위의 지원을 통해 연료전지 기술 개발 및 관련 인프라 구축이 필요한 것도 사실입니다.
| 구분 | 장점 | 단점 |
| 에너지 효율 | 평균 에너지 효율 40 ~ 85% 에너지 절약 및 지속 가능성 | 높은 초기 투자 비용 |
| 오염물질 | 친환경 에너지 기후 변화 대응 | 일부 오염물질 발생 |
| 연료 활용성 | 수소, 천연가스, 메탄올 등 | 일부 연료의 가격 변동성 공급 불안정성 |
| 운영 | 빠른 시동 및 정지 신속한 전력 공급 | 일부 연료전지 고온 시동 어려움 |
| 구조 | 모듈형 구조 용량 조절, 제작 가능 | 일부 복잡한 시스템 구축 |
연료전지 활용분야
자동차 분야
자동차 분야에 대표적으로 사용되고 있는 연료전지 종류는 고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEMFC)입니다. 동일한 수소연료전지라 하더라도 전해질에 따라 다른 특성을 가지고 있으며, 자동차 분야에서는 현재까지 PEMFC가 적용되고 있죠. 60~100도씨 정도의 작동온도를 가지고 있고 에너지 효율이 높으며 구조가 간단하기 때문에 일명 수소차에 적용되고 있는 기술입니다.
이러한 수소 연료전지 자동차는 전기 자동차보다 빠른 속도로 충전이 가능하며 긴 주행거리를 가지고 있기 때문에 운송분야에 사용되고 있습니다. 더욱 중요한 부분은 배기가스가 물 밖에 나오지 않으며 친환경적이기 때문에 자동차 분야에서 선택받은 연료전지 기술입니다.
발전 분야
대규모 전력을 만들어 낼 수 있는 수소 발전은 크게 수소연료전지 발전과 수소혼소 발전이 있습니다. 수소 연료전지는 앞서 언급한 것처럼 물을 전기분해 할 수 있는 수전해 방식을 사용하여 전기를 생산할 수 있죠. 반면에 수소 혼소발전은 기존 화력발전 방식에서 다른 혼합가스와 연소시켜 전기를 생산하는 방식입니다.
기존 석탄이나 LNG와 같은 기존 화석 연료에 수소를 첨가하여 연소효율을 높이고 이산화탄소 배출량을 줄이는 상대적으로 친환경적인 발전 방식으로 알려져 있습니다. 다만, 연소과정에서 질소산화물(NOx) 등이 미소하게라도 배출이 되기 때문에 완벽한 친환경 발전은 아닙니다.
따라서, 연료전지 발전은 물을 전기분해하는 전력을 풍력이나 태양광 같은 신재생 에너지를 원천으로 사용하기 때문에 완벽한 친환경 발전으로 볼 수 있습니다.
이외에도 소음이 적고 모듈형태로 제작이 가능하기 때문에 용량을 상황에 맞게 제작할 수 있으며, 빠르게 설치할 수 있기 때문에 백업 발전으로도 사용할 수 있죠.
가정용 에너지 분야
가정용에서 쓰이는 연료전지는 전기와 열을 동시에 만들 수 있는 에너지 시스템으로 활용될 수 있습니다. 특히 태양광 발전 시스템과 연계하여 사용하면 에너지 자립도를 더욱 높일 수 있죠.
아래와 같은 단계를 거쳐 가정용 연료전지로 전기를 생산할 수 있습니다.
1단계 : 연료공급
- 가정에서 탱크에 수소를 충전하면 그 수소는 연료전지 시스템으로 공급됩니다.
2단계 : 전기화학반응
- 연료전지 내부에서 수소가 음극에 공급되고, 산소가 양극에 공급됩니다. 이 과정에서 전자의 이동이 발생되는데 이때 전기가 만들어집니다.
3단계 : 폐열활용
- 전기 생산 과정에서 발생하는 열을 이용해 난방이나 온수로 사용할 수 있습니다.
이러한 과정을 거치는 가정용 연료전지는 다양한 장점을 가지고 있습니다. 특히 에너지 효율 측면에서 유리합니다. 높은 에너지 변환 효율을 가지고 있어 에너지 절약 효과가 뛰어나며, 이산화탄소 배출이 없는 시스템이기 때문에 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있죠.
또한 기계적인 시스템이 아니기 때문에 소음이 거의 없으며, 풍력, 태양광과 다르게 안정적인 전력 공급이 가능합니다. 따라서 비상 시에 백업 발전으로 활용할 수 있으며, 가정 내에 에너지 자립도를 높일 수 있습니다.
다만, 초기 설치비용이 만만치 않으며, 수소 단가가 현재까지는 화석연료 대비 높은 것은 사실입니다. 또한 가정용 연료전지는 용량이 제한적이라 큰 용량을 얻기에는 부적합하죠.
휴대용 전원 분야
휴대용 연료전지에는 수소, 메탄올, 에탄올 등의 다양한 연료가 사용됩니다. 즉, 핸드폰, 노트북, 태블릿, 웨어러블 기기 등에 사용하고 있으며, 그 이유는 작동시간을 크게 늘릴 수 있는 점과 충전을 빠르게 할 수 있다는 큰 장점이 있기 때문입니다.
앞서 언급한 내용과 같이 기존 배터리보다 훨씬 많은 에너지를 저장, 사용할 수 있으며, 충전도 몇 분 만에 완전 충전이 가능하죠. 따라서 배터리보다 더 작고 가볍게 만들 수 있습니다.
다만, 배터리보다 비용이 상당히 고가이고 수소 인프라가 완벽하게 구축되어 있지 않기 때문에 특수 목적으로 사용하되 범용적으로 사용하고 있지는 않는 분야이기도 합니다.
연료전지 전망
이러한 연료전지는 차세대 전력으로 일정 부분 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다. 미국, 유럽 등 많은 나라에서 수소경제를 일으키기 위한 구체적인 정책들을 하나씩 발표하면서 국가 기간산업으로 발전 시키려는 모습을 보이고 있죠.
따라서, 인류가 친환경 정책을 펼치면서 인공지능 기술 개발 및 첨단 기술 개발 등을 위해 막대한 컴퓨팅 파워의 전력을 어떻게 가져올 것인지에 대한 해법이 필요한 상황입니다. 다만, 각 나라들의 전력 정책으로 보았을 때 수소 경제의 연료전지가 전력 부문에서 일정 부분 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.