연료전지, 국가적 지원 必

■ 기술의 정의 및 분류

일반적인 연료전지란 수소와 산소가 화학적으로 반응하면서 발생하는 에너지원을 직접 전기에너지 및 열에너지로 변환하는 에너지 변환 및 발전장치 중 하나이며, 수소와 산소의 촉매에 의한 화학반응에 의해 물이 생성될 때의 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 것을 말한다. 연료전지의 가장 큰 특징은 화석연료를 이용한 에너지 변환 시 발생하는 이산화탄소 등의 온실효과를 유발하는 환경 비친화적인 요소를 부산물로 생성하지 않는다는데 있다. 아울러 기존 화석연료를 사용한 발전 효율보다 우수하므로 미래 청정형 에너지 발전 기술이라고 할 수 있다.

연료전지를 구성하는 핵심 요소로는 수소 및 산소를 산화 및 환원 시킬 수 있는 촉매와 화학적 반응을 전기적 변환으로 연결해 주는 전극, 그리고 마지막으로 연료의 산화 또는 환원 반응에 의해 생성된 이온을 전달하는 역할의 전해질로 구성되어 있다.

연료전지에는 이미 널리 알려져 있는 바와 같이 고분자 전해질을 이용하는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, 이하 PEFC), 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)와 같이 크게 분류할 수 있다. 그 중에서도 고분자 전해질을 사용하는 PEFC는 다음과 같이 세분화하여 나누기도 한다.

가. 프로톤 교환막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)

연료로서 직접 또는 개질된 수소 및 산소 (또는 공기) 가스를 사용하는 연료전지로서 고분자 전해질을 사용하는 연료전지 중 가장 에너지 밀도가 높은 장점이 있어 전 세계적으로 가장 널리 연구 개발되고 있는 연료전지이다. PEMFC는 자동차 등의 수송용 발전 장치를 대체하기 위한 작동 온도 100 ℃ 이하의 저온형 고분자 전해질 연료전지와 보다 많은 발전량을 필요로 하는 건물용 전력체계의 대안으로 연구 개발되고 있는 작동 온도 200℃ 이하의 고온형 고분자 전해질 연료전지로 구분할 수 있다. 이때 사용되는 고분자 전해질은 연료인 수소가 촉매 반응에 의해 산화된 수소이온을 환원 전극으로 이동시키는 역할을 해야 하므로 수소이온 전도성이 우수한 고분자 전해질을 사용하게 된다.

나. 직접 액체형 연료전지(Direct Liquid Fuel Cell, 이하 DLFC)

PEMFC와는 달리 산화할 연료로서 수소 가스를 직접 사용하지 않고 수소 원의 가장 단분자 형태 중 취급이 용이한 연료로서 알코올 또는 저분자량의 산 등을 이용하는 연료전지이다. DLFC는 메탄올, 에탄올 등 저급 탄소원을 산화 분해 반응시켜 수소이온 또는 수산화이온이 발생하는 방식과 개미산 등의 분해를 통해 수소이온을 얻어 내는 방식으로 개발되고 있다. 이때 PEMFC와 마찬가지로 수소이온의 전달이 필요한 경우 수소이온 전도성이 요구되는 고분자 전해질을 사용하게 되는 연료전지 형태가 있다. 또한, 수산화이온의 발생에 의해 수산화이온의 전달이 요구되는 수산화이온 전도성 고분자 전해질을 적용하는 연료전지 형태도 있다.

다. 고체 알칼리 연료전지(Solid Alkaline Fuel Cell, 이하 SAFC)

PEMFC에서 연료로 사용되는 수소와 산소를 이용하는 것은 동일하지만 수소와 산소의 화학반응 기작을 달리하여 수소의 산화로 인한 수소이온의 발생 대신 산소의 촉매 반응에 의한 환원과 도입되는 물 분자와의 반응에 의해 수산화이온을 생성하고 이를 통한 전기에너지를 발생시키는 원리를 이용한 것이 알칼리 연료전지이다. 수산화이온을 이동시키는 전해질로 고분자를 이용하는 것이 SAFC이다. 수산화이온의 전도성이 수소이온의 전도성보다 낮으므로 SAFC의 에너지 변환 효율은 PEMFC에 비해 떨어진다. 하지만 저가의 비귀금속을 촉매로 사용할 수 있다는 점에서 연료전지의 발전장치 시장 진입을 위한 가격 저감을 위해서도 꾸준히 연구 개발되고 있다.

수요기업 협의체 구성 산업계 소통·협력

효율 향상·제조비 절감 민간수요 극대화

■ 기술의 원리

기술의 정의 및 분류에서 간단히 언급한 바와 같이 연료전지에 사용되는 고분자 전해질은 고분자 전해질 연료전지, 즉 PEFC의 종류에 따라 적용되는 고분자 전해질이 다르다. 이는 연료의 화학적 반응 기작이 서로 다른데서 기인한다. 즉, 수소이온을 전달해야 하는 수소이온 전도성 고분자 전해질을 사용해야하는 연료전지에서는 통상적으로 술폰산(-SO3-H+)을 관능기로 보유한 고분자가 전해질로 사용되며, 수산화이온을 전달해야 하는 연료전지에서는 일반적으로 암모늄(-N+R3)을 관능기로 보유한 고분자 전해질을 사용해야 한다.

각각의 전해질 고분자를 이용한 연료전지의 작동 원리는 다음의 그림에 간단히 나온다. 전해질 고분자로 사용되는 물질은 화학적 구성 성분에 따라 크게 불소계 전해질 고분자와 탄화수소계 전해질 고분자로 나뉜다. 수소이온 전도성 전해질 고분자 또는 수산화이온 전도성 전해질 고분자를 막론하고 고분자의 화학적 구성 성분에 따라 소재의 내구성 등 물리 화학적 특성이 다르므로 어떠한 시스템에 적용할 것인가에 따라 전해질 고분자의 선택이 달라질 수 있다. 그러나 기본적인 연료전지의 작동 원리는 관능기를 어떤 것으로 선택하느냐에 따른 것으로 전해질 고분자에 화학적 구성 성분 자체로는 불소계 수지와 탄화수소계 수지로만 나누어도 무리가 없다.

■ 기후변화대응 관점에서 기술의 중요성

화석연료 사용 증가에 따른 전 세계 기후변화가 급격한 상황이 지속되는 문제를 타결하기 위해서는 신재생에너지 기술이 더욱 고도화되어야 한다. 더불어 기존 화석연료를 사용하는 상용 발전 기술과 비교하여 충분한 가격 경쟁력을 확보해야 한다. 지구 온난화 가속을 최대한 억제하려는 정책적 관점, 즉 기후변화에 신속히 대응해야 하는 시급성을 고려하여 국가적 차원에서의 신재생에너지 기술에 대한 도전적 지원이 필요하다. 실제로 세계 각국, 특히 유럽은 국가 정책으로 신재생에너지 기술로의 대체에 큰 비중을 두고 있다. 이러한 세계적 조류에 발맞추어 국내에서도 연료전지의 상용화와 보급을 정부 차원에서 적극적으로 지원하는 프로그램을 개발 중이다.

이미 2015년에 산업부에서는 기후변화 대응을 위한 ‘에너지 신산업 및 핵심 기술개발 전략’ 이행계획을 발표하여 신재생에너지 신성장 동력을 통한 세계 시장 진출의 교두보를 마련하고 있다.

특히, 연료전지와 관련하여서는 상용화된 연료전지 기술은 창조경제혁신센터 등을 통해 상생협력 활동을 지원하고, 차세대 연료전지(SOFC 개발, MCFC 기반 복합발전 등)는 2020년까지 기존 연료전지보다 발전효율을 1.5배, 수명은 두 배로 끌어올려 세계 최고의 기술력을 확보한다는 목표를 설정하였다. 세부적으로는 광주에서는 창조경제혁신센터와 현대차가 공동으로 수소펀드(150억원)를 조성하여 고가부품 국산화를 위한 공동 연구를 추진하며, 포항에서는 창조경제혁신센터와 포스코가 합동으로 기술 멘토링을 협약하여 실증 실험 공간 제공 등 사업화 및 창업 지원에 나서게 된다. 이에 더하여, 먼저 11개 세부 기술 분야별로 정부 부처, 200여 개 기업, 연구기관 등이 참여하는 ‘수요기업 협의체’를 구성하여 산업계와 소통과 협력을 강화하고자 한다. 또한, 기후변화대응 기술 허브로서 한국에너지기술연구원이 기술개발·지식저장·네트워크 서비스 등을 제공하고 국내외 기술개발 기관과 산업계 수요를 이어주는 역할을 맡게 된다. 특히, 연료전지의 효율 향상 및 제조비용 절감을 통한 민간 수요를 극대화하고 발 빠르게 세계 시장을 선점하여 민-관이 동반 성장하는 데 중요한 방점을 두게 될 것이다.

▲<그림 3-3-2-1>PEMFC의 원리

▲<그림 3-3-2-2>DLFC 중 하나인 직접 메탄올 연료전지의 원리

▲<그림 3-3-2-3>SAFC의 원리