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연료전지는 외부에서 공급된 연료와 산화제를 이용해 전기화학 반응으로 전기를 생성하는 시스템으로, 발전 원리는 망간건전지와 동일하나 연료, 산화제를 외부에서 공급함에 따라 용량 제한이 없는 특징이 있다.
따라서 축전 디바이스보다는 화학에너지로부터 전기에너지를 얻는 에너지 변환장치에 가깝다고 할 수 있다.
연료전지는 1839년 영국에서 원리가 실증된 이후 다양하게 연구되고 있으며 현재 개발이 진행되고 있는 알칼리형, 산형, 고체 전해질형의 원리는 1900년 무렵 발견됐다.
실용기술은 우주용으로 시작해 1960년대 미국 가스협회와 Pratt & Whitney가 TARGET(Team to Advance Research for Gas Energy Transformation) 프로젝트를 진행해 가정용으로 투입할 수 있는 인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)를 개발했다.
PAFC는 수십kW에서 11MW까지 테스트를 완료했으나 크게 보급되지는 않고 있다.
산성 고체 고분자 전해질을 이용하는 고체 고분자형 연료전지(PEFC: Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 일본에서 「Ene Farm」을 중심으로 보급이 가속화되고 있다.
아울러 앞으로는 FCV(Fuel Cell Vehicle) 보급이 확대될 것으로 예상됨에 따라 촉매의 탈백금 문제에 대한 관심도 높아지고 있다.
PEFC, 출력밀도 향상기술 개발
PEFC는 전해질에 이온교환막을 이용하는 연료전지로 전자 전도체인 애노드(Anode)와 캐소드(Cathode) 전극, 이온 전도체인 고분자 전해질 이온교환막으로 구성된다.
애노드와 캐소드는 산화반응이 일어나는 전극으로, 애노드는 연료극이나 수소극, 캐소드는 산소나 공기를 이용함에 따라 산소극, 공기극으로 지칭되고 있다.
전극 촉매는 애노드와 캐소드 모두 백금을 담지한 고비표면적 탄소를 사용하며, 이온교환막은 산성 불소수지계가 주류를 이루고 있다. 알칼리성은 원리적으로 뛰어나지만 성능 향상이 필요한 것으로 나타나고 있다.
미국은 우주개발 분야에서 PEFC를 실용화했으며 1968년 세계 최초로 유인 우주선인 제미니 위성에 PEFC를 적용했다.
다만, 탄화수소계 이온교환막을 이용함에 따라 수명이 한정적이었다.
이에 따라 화학 메이저 DuPont은 내구성을 향상시키기 위해 불소수지인 PTFE(Polytetrafluoroethylene)를 베이스로 Perfluorosulfonic Acid 베이스 고분자 전해질막 「Nafion」을 개발했다.
불소수지계 산성 이온교환막은 우주개발 분야에서 알칼리형 연료전지를 넘어서지 못했으나 세계 최대의 수용액 전해공업인 식염 전해공업에 응용됨에 따라 이온교환막법 식염 전해기술이 확립됐다.
이온교환막법 식염 전해기술은 에너지 절약효과가 매우 뛰어날 뿐만 아니라 탈수은, 탈석면을 실현함에 따라 친환경적이고 이상적인 프로세스로 평가받고 있다.
제미니 계획의 고분자형 연료전지 기술은 캐나다 Ballard가 개발을 계속했으며, 1980년 무렵 미국 Dow Chemical은 신규 불소수지계 산성 이온교환막을 개발해 Los Alamos 국립연구소, Texas A&M 대학, Ballard 등에서 연구를 진행했다.
이에 따라 「Nafion」에 비해 전류밀도(출력밀도)를 4배 이상으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.
개발제품은 상온에서 작동하고 출력밀도가 크며 고분자 전해질을 이용함에 따라 디자인 자유도가 높은 특징이 있어 고정용 분산형 발전에 휴대용 전원으로 적용하거나 자동차를 비롯한 이동체용 전원으로 적용하는 기술을 개발하고 있다.
고정용은 1kW급이 3000대에 달하는 대규모 실증에 성공해 2009년부터 일본에서 출시된 후 판매량이 꾸준히 늘어나고 있으며 2015년 코스트다운 목표를 달성한 것으로 추정되고 있다.
아울러 에너지 이용효율은 열이용을 병합함으로써 90% 수준으로 향상됨에 따라 에너지 절약 효과가 뛰어나 고정용 분산형 발전 시스템의 특징을 크게 발휘하고 있다.
자동차용, 내연기관 수준으로 성능 향상
연료전지는 출력밀도가 향상되면서 자동차 엔진을 대체할 수 있을 것으로 기대됨에 따라 오래전부터 자동차에 탑재하는 시도가 이루어졌다.
GM(General Motors)은 1960년대에 FCV를 발표했으며, 일본에서는 Daihatsu가 1970년대 하이드라진(Hydrazine)을 연료로 사용하는 FCV를 발표한데 이어 대학 연구팀이 1988년 일본 최초로 수소-산소로 작동하는 FCV를 시험제작했다.
모두 알칼리형, 황산형 액체 전해질을 사용했으며 몸체가 커 당시에는 연료전지가 자동차에 실제로 적용되지 않을 것이라는 의견이 주류를 이루었다.
그러나 Dow Chemical이 신규 불소수지계 산성 이온교환막을 발표한 이후 자동차기업들이 친환경자동차에 채용하는 방안을 검토하기 시작했다.
특히, 독일 Daimler는 Toyota Motor의 하이브리드 기술에 대항하기 위해 Ballard와 함께 R&D(연구개발)에 주력했다.
자동차용 연료전지는 1990년 무렵까지 출력밀도가 리터당 최대 1kW에 머무를 것으로 예상됐으나 최근에는 3kW 수준으로 내연기관과 동등한 수준에 달하고 있다.
이에 따라 연료전지는 2차원 반응장치로 크고 무거운 결점을 극복한 것으로 판단되고 있다.
연료전지 속에 남아있는 수분을 정확히 제어함에 따라 마이너스 30℃에서 스타트가 가능해지는 등 출력밀도 뿐만 아니라 성능도 대폭 향상되고 있다.
WTW(Well to Wheel) 종합효율도 천연가스를 개질해 생성되는 수소를 이용하는 FCV가 36%로 29%인 천연가스자동차, 26%인 전기자동차에 비해 높은 것으로 나타나고 있다.
일본은 미래 에코자동차로 FCV를 주목하고 있다.
2015년에는 자동차기업과 에너지기업이 공동으로 FCV를 판매하기 시작했으며 수소 인프라를 정비하는 계획을 진행하고 있다.
2015년 100개, 2025년 2000개를 목표로 수소 충전소를 구축할 계획이다.
FCV용 탈백금 촉매 연구개발 “활발”
자동차용 뿐만 아니라 상온에서 작동하는 연료전지는 전극 촉매에 고가의 백금을 사용해야 하는 단점이 있다.
수소-산소 연료전지는 발열반응으로 이론효율이 저온으로 높지만 충분한 반응속도, 즉 충분한 출력밀도를 얻기 위해서는 활성 촉매인 백금에 의존할 수밖에 없기 때문이다.
그러나 백금도 공기극의 산소환원에 대해서는 활성이 충분하지 않은 것으로 나타나고 있다.
또 백금은 공기극에서 산화물로 변화하고 전해질 속에 녹아 촉매 기능이 불안정해지는 등 원리적으로 피할 수 없는 과제가 산적해있다.
자원 측면에서도 양적으로 한정될 뿐만 아니라 남아프리카 및 주변국에 편재해 최근 백금 사용량 감축을 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
탈백금, 탈귀금속 전극 촉매는 FCV 보급에 막대한 영향을 미칠 것으로 예상되고 있다.
탈백금 소재는 1960년대 가정용 PAFC 개발이 시작된 이후 다양한 연구가 진행되고 있다.
크게 2가지 종류로 분류할 수 있으며 촉매 기능에 기여하는 전자 구조가 백금과 유사한 탄화텅스텐, 탄화몰리브덴 등 탄화물 소재 계통, 생체 내 산소환원 반응을 담당하는 철포르피린(Iron Porphyrin) 등 금속 착화합물 계통이 있다.
모두 활성은 일정 수준을 달성하고 있으나 안정성에 문제가 있는 것으로 알려졌다.
이에 따라 일본 요코하마국립대학 그린수소연구센터는 연료전지 공기극의 조건인 산성이면서 산소 분위기에서 안정적인 화합물을 탐색했다.
산소분위기에서 안정적인 화합물은 금을 제외하고 모두 산화물로, 산성 용액 속에서의 용해도로 안정성을 평가한 결과 티탄, 지르코늄, 니오브, 탄탈 산화물이 백금보다 용해도가 작아 안정적인 것으로 나타났다.
이에 따라 산소환원 활성을 부여해 고활성 촉매를 만드는 기술을 연구하고 있다.
FCV, 화석연료 소비 감축에 기여
대기 중의 이산화탄소(CO2) 농도는 화석연료를 대량 소비함과 동시에 급속히 상승하고 있으며 하와이 Mauna Loa 관측소에서도 400ppm을 넘어선 것으로 나타났다.
이에 따라 지구온난화가 가속화되고 있으며 대규모 자연재해도 빈발하고 있어 화석연료 소비 감축이 필수적으로 요구되고 있다.
연료전지는 고효율 발전 시스템으로 화석연료 소비 감축에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대되고 있다.
수소는 재생에너지 베이스 클린에너지 사회에서 수송·저장에 필수적인 소재로 주목받고 있는 가운데 수소를 연료로 이용하는 FCV의 역할이 점차 중요해지고 있다.
표, 그래프 : <PEFC의 구성>
<화학저널 2016년 7월 11일>
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