연료전지
Fuel Cell
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메탄올 연료전지의 모습.*
수소연료전지에 대한 해설
말 그대로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로서, '3차 전지'라고도 부른다. 연료나 재질에 따라 PEMFC[1], SOFC[2], MCFC[3]등의 다양한 종류가 존재한다.
연료를 태워서 발전기를 돌리는 것이 아니라 연료의 화학반응에서 직접 전기를 얻는다. 가장 기초적인 형태의 연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 사용한다. 간단히 요약하자면 물을 전기분해하면 양극에서는 산소가 생성되고 음극에서는 수소가 생성되는데, 이 과정을 완전히 거꾸로 진행시킨다고 보면 된다. 메탄올 등의 알코올을 사용하는 연료전지도 있다. 주스나 혈액에 있는 당으로 작동하는 연료전지도 있다. 발전용으로 쓰이는게 아닌 페이스 메이커같은 신체삽입물 충전에 쓰이거나 혈당이나 과당을 측정하는 기기에 쓰이는 방식.
PEMFC의 경우 수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극(anode)에서는 H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해된다. 전자는 도선을 타고 음극(cathode)로 이동하고, 수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과하여 양극으로 이동하게 된다. 양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성된다. SOFC의 경우 양극(anode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 연료전지의 기본 개념이다.
연료전지와 배터리(2차 전지)는 큰 차이가 있는데, 배터리가 전기를 저장하는 장치[6]라면 연료전지는 '''전기를 만들어내는''' 발전기와 같은 장치이다. 따라서 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로서 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야 전력원으로서 사용 가능하다. 또한 충전시간이 꽤 오래 걸린다는 한계가 있는 배터리와는 달리, 연료전지는 그냥 열기관과 같이 연료만 채워넣으면 되므로 충전시간이 비교적 빠르다. 또 시간의 경과에 따라 발생되는 자연방전 문제를 심히 고민해야 하는 배터리와는 달리, 연료전지는 분자 크기가 작아 용기 표면으로 누출되는 양을 무시할 수 없는 수소를 제외하면 자연방전 문제에 있어서 자유롭다. 이에 더해서 연료전지는 기후조건이나 기상상황의 영향도 배터리에 비해서는 상대적으로 덜 받는 편이다.
결론부터 말하자면 특수 목적인 군사 분야에서는 발전이 현저하고 그 외의 분야에서는 지지부진하다. 교통 분야에의 적용도 시도되고 있으나 성과는 아직 미미하다.
최초의 실용적인 연료전지는 아폴로 계획 당시 식수와 전기를 동시에 해결하기 위해 사용되었다.
미국이나 일본의 일부 지역을 중심으로 하여 일반 가정에서의 실용화를 목표로 하고 있다. 다만 1960년대에 본격적인 개발이 시작된 것 치고는 아직도 넘어야 할 문제점들이 많다는 것이 문제. 가장 큰 문제점으로는 수명 문제가 있다. 연료전지의 경쟁자인 보일러의 수명이 10년 이상인데 반해 연료전지의 경우 현재 시판되고 있는 제품의 수명은 길어야 5년 정도. 또한 연료전지의 종류에 따라 다르지만 예열이 필요한 경우도 있다. 특히 건물용/발전용으로 쓰이는 대형 연료전지가 그러한데 길게는 1일 이상의 예열을 거친 후에야 제대로 전력을 생산해낼 수 있다.
국내에도 연료전지 실용화는 진행중이다. 실제로 삼성전자 등에서 노트북용 연료전지를 2006년 개발하여 뉴스로도 나오기도 했다. 현재는 삼성전자가 연료전지 사업에서 전면 손을 뗀 바람에 시판되고 있지 않다. 2012년에는 지식경제부 주관으로 90억 정도의 사업 비용을 들어 연료전지 타운을 만들겠다는 기사가 나오기도 했다. 2010년대 이후로는 자동차 업체인 현대자동차그룹이 연료전지 사업에 적극적으로 임하고 있는 중.
2013년 울산 지역 석유화학 공장에서 나오는 부생수소를 이용한 수소타운을 설립하였다. 회사 소유 사택과 그외 건물에 설치하여 약 160kW급의 수소타운이 형성되었는데 이는 세계 최대 규모의 실증 시설이다. 국책 연구과제로 진행되며 각 가정마다 1kW급 연료전지가 설치되어있고, 건물에 5kW, 10kW급 연료전지가 설치되어 전력과 온수를 공급하고 있다.
2010년대의 시점에서는 휴대용 전자기기 등에 동력원으로 사용하려는 시도는 실용성 문제와 가성비 문제로 인해 현저히 사그라들었고, 그 대신 주로 군사 분야나 자동차·철도로 대표되는 교통 분야와 주거 분야에서 전력원으로 사용하는 추세이다. 재래식 잠수함의 AIP 시스템, 수소자동차의 일종인 수소연료전지차의 동력원, 전동차의 동력원 등이 오늘날 연료전지가 주로 쓰이고 있는 활용 분야이다. 이러한 분야에서는 연료전지의 이점이 극대화되기에 연료전지의 활용이 기술적으로 비교적 용이해진다.
특히, 주거 분야에서의 연료전지의 이점은 도시가스를 공급받아 연료전지의 연료로 사용할 수 있어 설치 비용이 비싼 수소 공급 라인을 설치하지 않아도 된다는 점이다. PEMFC를 적용한 시스템의 경우 개질기 모듈이 장착된 연료전지가 시판되고 있으며, 사우나, 피트니스 등 난방/온수와 전기를 모두 필요로 하는 곳에 주로 설치되고 있다.
인체 내의 포도당을 이용한 연료전지 또한 시제품이 나와 개발중이다. 현재 면섬유 기반 생체연료전지가 0.5v의 전압을 낼 수 있다. 개발이 진행된다면 페이스메이커[7] 등의 반영구적 동력원으로 사용될 수 있을것으로 전망된다.
수소와 산소를 이용해 전력을 생산해내는 연료전지의 '''전력'''생산 효율은 종류에 따라 다르지만 40~50% 선이다. '''전력'''을 강조해놓은 이유는 연료전지에서 발생하는 열 또한 이용할 경우의 효율까지 고려해야 하기 때문이다. 이 경우 효율은 '''80% 이상'''이며, 연료전지에서 발생하는 열은 물을 가열하여 난방이나 온수 등으로 이용할 수 있게 된다. 특히 SOFC, MCFC 등 고온에서 작동하는 연료전지의 경우 발생하는 열에너지가 많으므로 이를 적절하게 이용하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
연료를 이용하는 효율이 높아 보일러보다 투입되는 연료는 적으면서 비슷한 에너지를 낼 수 있다는 장점이 있어 보일러를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 아직까지 보일러의 가격을 상쇄할 정도로 가격[8]이 현실화되지는 않아서 코스트 다운 등 실용화에 대한 연구가 있어 왔으나 진척은 더딘 실정이다.
한편 전력생산 효율 역시 사실 그렇게 낮은 효율은 아니기도 한데, 이것만 해도 어지간한 내연기관들보다는 효율이 높은 편이며, 지금까지 개발된 동력원들 중에서는 전력생산에 있어서 그럭저럭 쓸만한 효율을 가진 편에 속하기 때문이다.[9] 생물의 에너지 전환율과 비교해 보아도 그러한데, 인간의 신체의 포도당 에너지 전환율이 약 40%인 것을 생각해봐도 그러하다는 점을 알 수 있다.
현재의 연료전지는 에너지 전환율뿐만 아니라 연료 수급에 있어서도 문제가 있다. 대표적으로 수소는 현재의 기술 수준에서는 석유류를 크래킹해서 뽑아낸다. 물에서 뽑아낼 수도 있지만, 지금의 기술로는 수소를 뽑아내서 연료전지에 쓰는 거 보다 석유를 화력발전에 돌리는 게 아직 더 싸게 먹힌다고 한다.
수소는 밀폐된 공간에서 고농도의 산소와 반응, 즉 폭발하는 농도 범위[10]가 크기 때문에 위험한 것이지, 실사용 환경에서는 LPG나 도시가스보다 안전하다. 잘 알려지지 않아서 그렇지 LPG 차량과 수소연료전지 차량을 세워놓고 연료탱크를 실탄으로 사격하는 실험도 한 적이 있는데 LPG 차량은 그대로 폭발한 반면 연료전지 차량의 경우 내부의 가스만 모두 분출되었다는 실험결과도 있다고 하나, 가스통 문서를 보면 알 수 있듯이 일반 총알로는 가스통이 폭발하지 않으니 이는 믿기 힘든 얘기다. 또한, 분자량이 공기보다 커서 바닥으로 가라앉는 LPG와는 달리 '''가장 가벼운 분자'''인 수소의 특성상 '''누출이 되더라도 순식간에 빠져나가버린다는 점'''도 안전성에 플러스 요인이다(가장 널리 쓰이는 도시가스는 공기보다 가볍다.). 실제 피해를 끼치기 위해서는 폭발하기 위한 최소 농도(4%)까지 쌓여야 하는데, 이마저도 쉽지 않다는 이야기.
수소보다는 생산비가 좀 더 싸게 먹히는 메탄올 등의 각종 '''수소화합물'''들을 수소 대신 연료전지의 연료로 사용하는 것이 보다 실용적이라 여겨져 그쪽으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 연료전지에 수소화합물이 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식이다. 심지어는 석유의 주성분이 탄화수소라는 점을 이용해서, 심지어 수소나 메탄올 같은 것들 대신 그냥 '''석유를 연료로 쓰는''' 연료전지도 구상된 바 있는 모양. 셰일에서 추출하는 천연가스나 석유(Shale gas/oil)를 사용하는 연료전지도 대학교/대기업에서 활발히 연구되고 있다. 사실 수소 얻는건 물을 전기분해하는 게 제일 간단하고 쉽다는 것 뿐이지 투입되는 에너지량 대비 얻는 에너지가 너무 적다. 즉, 가성비가 낮다. 때문에 보통은 천연가스나 도시가스를 개질해 수소를 얻는 방법이 상용 제품에 적용되어있다.
한편 한국의 연료전지 관련 기업들의 경우, 2016년 시점에서는 대부분 수소화합물을 이용하는 연료전지를 개발하는 쪽으로 연구를 진행하고 있다. 특히 시스템 3사로 유명한 이들은 PAFC(Phorspourusic acid fuel cell, 인산염 연료전지), MCFC(Molten carbon fuel cell, 용융 탄산염 연료전지), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체 산화물 연료전지) 등 고온에서 작동하는 연료전지 시스템의 실용화를 위한 연구를 진행 중이다.
전해질로서 산소이온을 전달하는 세라믹 멤브레인을 사용하는 연료전지를 SOFC라고 한다. 작동온도가 700도~1000도 가량으로 상당히 고온이라는 점이 있지만 스택에서 발생하는 열을 Hot-box 등에 이용해 실제 시스템 외부 온도는 40~50도 수준이다. 또한 여기서 배출되는 열에너지를 회수하여 보일러에 이용한다든지, 혹은 또 다른 스팀발전기 등을 연동하여 추가적인 에너지를 생산 가능하므로 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다는 장점을 지닌다.
최근 유가하락으로 인해 도시가스 가격까지 덩달아 하락하는 추세이고, 가정에서 가스레인지 대신 전기레인지를 사용하는 등 도시가스 사용량이 급감하여 남는 가스를 이용한 연료전지에 대한 연구 역시 활발하다. 특히 수소라는 물질이 가지는 특성 상 보관이 용이하지 않으므로 도시가스를 개질하여 연료전지의 연료로 사용하는 방식이 주를 이루고 있다. 연료전지에 도시가스가 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식. 이는 상술한 바와 같이 도시가스의 가격 하락에 힘입은 바가 크다.
반드시 따로 생산해야만 하는 수소와는 달리 천연가스나 석유 등을 그대로 연료전지에 넣고 돌리기 위한 연구는 많이 하고 있으나, 후술할 이유 때문에 기술적 난이도가 높다는 문제가 있다.
연료전지를 주 동력원으로 하는 '연료전지식 전기자동차' 즉 '연료전지차(연료전지 자동차)'도 개발되고 있으며, 수소자동차의 일종으로 분류되는 '수소연료전지차(말 그대로 수소를 연료로 쓰는 수소연료전지를 사용하는 연료전지차)'가 그 대표적인 예이다. 수소연료전지차는 세계 최초로 국내에서 개발되었으며, 현대자동차그룹이 이 분야에 적극적으로 투자하고 있다. 2020년 시점에서는 현대자동차의 현대 넥쏘와 토요타의 토요타 미라이가 수소연료전지차의 대표적 실용화 사례로 여겨지고 있다.
수소연료전지차를 비롯한 연료전지식 전기자동차는 기존의 내연기관 차량들은 물론 배터리(2차 전지)를 주 동력원으로 하는 배터리식 전기자동차와도 경쟁해야 한다는 문제를 안고 있기는 하다. 연료전지식 전기자동차는 한 발 먼저 실용화되고 있는 배터리식 전기자동차에 비해서 좀 더 긴 항속거리와 가동시간을 확보할 수 있고 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 좀 덜 수 있으며 기후조건이나 기상상황의 영향도 상대적으로 덜 받는다는 이점이 있으며, 한편으로는 배터리식 전기자동차와 마찬가지로 충전 인프라의 문제가 보급의 걸림돌이 되고 있기도 하다. 그냥 전기만 공급해주면 되는 배터리식 전기자동차와는 달리 기존의 내연기관 차량들에 기름 넣어주듯 연료를 넣어줘야 되어서 그 연료를 생산하기 위한 연료 생산 인프라를 따로 마련해야 한다는 부담이 있는 점도 여기에 한 몫 하는 듯 하다. 배터리식 전기자동차가 이미 실용화 단계에 접어든 것과는 달리 연료전지식 전기자동차는 아직 실용화 단계에는 이르지 못하고 있는 것도 이런 여러 문제들 때문인 듯 싶다.
덧붙여 배터리식 전기자동차와 연료전지식 전기자동차는 각각 일장일단이 있는데, 배터리식 전기자동차는 말 그대로 충전 스탠드에 차량의 배터리를 연결해서 휴대폰 배터리 충전하듯 충전시키기만 하면 되므로 충전절차가 비교적 간단하지만 그 대신 배터리의 한계로 인해서 충전시간이 좀 오래 걸리는 데다가 시간의 경과에 따른 자연방전 문제를 심히 고민해야 되는 편이며 기후조건이나 기상상황의 영향도 은근히 받는 편이다.[11] 한편 연료전지식 전기자동차는 연료전지의 특성 덕분에 충전시간이 오래 걸리지 않아서 빠르게 충전을 할 수 있으며[12], 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 덜한 편이고 기후조건이나 기상상황의 영향도 상대적으로 덜 받는 편이긴 하지만 그 대신 기존의 내연기관 차량들의 연료탱크에 기름을 넣듯이 연료전지에 연료를 넣어주는 작업을 해야 하므로 충전절차 그 자체는 배터리식 전기자동차에 비해서 살짝 복잡한 편이라 할 수 있다.
연료전지식 전기자동차의 실용화에 있어서 큰 이슈가 되고 있는 부분은 아직 비용 문제와 안전 문제가 남아 있는 수소를 연료로 쓰는 수소연료전지를 채용할 것인가, 아니면 비용 문제와 안전 문제를 해결하기 위해서 수소 이외의 다른 연료를 사용하는 연료전지를 채용할 것인가에 대한 문제이다. 현재 가장 많이 알려진 수소연료전지의 경우에는 이미 오래 전부터 개발되어 오던 것이니만큼 기술적으로는 어느 정도 성숙되어 있으나 연료가 되는 수소를 생산하고 저장하는 것이 매우 복잡하고 위험한지라 자동차에 사용하기에는 여러모로 문제가 많다. 한편 메탄올을 사용하는 메탄올연료전지 같은 경우라면 이런 문제에 상관없이 연료만 넣어주면 되기에 자동차에 사용하기에는 수소연료전지보다 안전하고 실용성이 높지만 수소연료전지에 비해서 개발된 지가 얼마 안 된 편이기 때문에 자동차에 쓰기에는 아직 많은 시간이 필요하다.
메탄올은 카본 찌꺼기나 산소와 반응하여 폼알데히드를 생성할 수 있는 문제점도 존재한다.
또한 현재 연료전지식 전기자동차가 직면한 가장 큰 문제는 연료전지 시스템 자체의 가격이기도 하다. 백금을 사용하는 촉매 등 가격을 올리는 요소가 너무 많기 때문에 보급 시도에 큰 걸림돌이 되고 있다고 한다. 촉매이외에도 산도가 높은 환경인 연료전지 내부(수소가 분해되어 수소이온이 된다.)에서 분리판의 부식을 막기위해서 내식성이 강한 금과 같은 금속을 도금해야된다. 그래서 현재의 연료전지 시스템은 가격적으로 너무 비싸기 때문에, 촉매의 소재를 값비싼 백금 대신 다른 소재로 바꾸는 등 연료전지에서 가격 상승의 요인이 되는 부분들을 없애기 위한 연구가 진행되고 있는 중이다. 특히 촉매의 소재가 관건인데, 백금을 대신할 촉매의 소재로서 그래핀이 유력하게 거론되고 있는 모양이다.# 또한 이렇게 신소재를 사용한 촉매가 개발되고 있는 것 외에도, 현재 사용되고 있는 기존의 촉매에서 백금 사용량을 줄여 촉매의 효율성을 높이고 가격을 낮추기 위한 연구도 별도로 진행되고 있다.#
알스톰이 Coradia iLint라는 연료전지 기반 전동차를 개발했다. 스펙상으로는 최고속도 140km에 1회 연료 충전에 600~800km의 거리를 갈 수 있다고 한다. 서울과 부산에 각각 충전소가 마련되어있다고 가정한다면 경부선 왕복도 전혀 무리없는 스펙인 셈이다. 니더작센 쪽 노선에 투입될 14대가 만들어진다는 소식도 들려왔으니 연료전지 자동차와는 달리 실용화도 이미 어느 정도 성공했다. 현재까지는 동차뿐이나 연료전지 기관차가 개발된다면 전철화율이 매우 낮고 화물 비중은 높은 미국 등지에서 쓸만할 것으로 예측된다.
산소와 수소만 공급해주면 외부의 공기를 끌어들일 필요없이 계속 전력을 생산해 낼 수 있다는 장점 덕분에 가장 빠르게 적용된 사례는 바로 재래식 잠수함. 연료전지를 사용한 AIP 시스템은 디젤 엔진을 돌릴 필요없이 산소와 수소만 공급되면 지속적으로 발전이 가능하므로 디젤 엔진 가동을 위해서 위험하게 수면 위로 접근하여 스노클을 올리거나 시끄러운 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 수중에서 작전을 실시하는 것이 가능하다. 또한 기존 축전지와는 비교할 수 없는 용량이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 기존 축전지에 비해서는 덜한 편이므로 여러모로 잠수함엔 제격. 이러한 연료전지 AIP를 채용한 대표적인 사례 중 하나로 대한민국 해군의 손원일급 잠수함과 장보고-3를 들 수 있다.
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메탄올 연료전지의 모습.*
수소연료전지에 대한 해설
1. 개요
말 그대로 연료를 사용하여 전기를 만들어내는 장치로서, '3차 전지'라고도 부른다. 연료나 재질에 따라 PEMFC[1], SOFC[2], MCFC[3]등의 다양한 종류가 존재한다.
연료를 태워서 발전기를 돌리는 것이 아니라 연료의 화학반응에서 직접 전기를 얻는다. 가장 기초적인 형태의 연료전지는 수소와 산소를 사용하는 것으로서, 수소와 산소가 반응하여 물이 만들어지는 반응을 사용한다. 간단히 요약하자면 물을 전기분해하면 양극에서는 산소가 생성되고 음극에서는 수소가 생성되는데, 이 과정을 완전히 거꾸로 진행시킨다고 보면 된다. 메탄올 등의 알코올을 사용하는 연료전지도 있다. 주스나 혈액에 있는 당으로 작동하는 연료전지도 있다. 발전용으로 쓰이는게 아닌 페이스 메이커같은 신체삽입물 충전에 쓰이거나 혈당이나 과당을 측정하는 기기에 쓰이는 방식.
PEMFC의 경우 수소와 산소를 사용하는 연료전지의 음극(anode)에서는 H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해된다. 전자는 도선을 타고 음극(cathode)로 이동하고, 수소 이온은 전해질(electrolyte)를 통과하여 양극으로 이동하게 된다. 양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성된다. SOFC의 경우 양극(anode)에서 산소가 산소이온과 전자로 분리되고 음극에서 산소이온, 수소, 전자가 반응하여 물이 생성된다. 이 과정에서 존재하는 전자의 이동을 전력으로서 사용한다는 것이 연료전지의 기본 개념이다.
2. 종류
3. 배터리(2차 전지)와의 차이
연료전지와 배터리(2차 전지)는 큰 차이가 있는데, 배터리가 전기를 저장하는 장치[6]라면 연료전지는 '''전기를 만들어내는''' 발전기와 같은 장치이다. 따라서 배터리는 그 자체만 가지고 있으면 전력원으로서 사용 가능하지만, 연료전지는 수소나 산소 같은 연료를 내부에 넣어 반응시켜야 전력원으로서 사용 가능하다. 또한 충전시간이 꽤 오래 걸린다는 한계가 있는 배터리와는 달리, 연료전지는 그냥 열기관과 같이 연료만 채워넣으면 되므로 충전시간이 비교적 빠르다. 또 시간의 경과에 따라 발생되는 자연방전 문제를 심히 고민해야 하는 배터리와는 달리, 연료전지는 분자 크기가 작아 용기 표면으로 누출되는 양을 무시할 수 없는 수소를 제외하면 자연방전 문제에 있어서 자유롭다. 이에 더해서 연료전지는 기후조건이나 기상상황의 영향도 배터리에 비해서는 상대적으로 덜 받는 편이다.
4. 연료전지 실용화의 역사
결론부터 말하자면 특수 목적인 군사 분야에서는 발전이 현저하고 그 외의 분야에서는 지지부진하다. 교통 분야에의 적용도 시도되고 있으나 성과는 아직 미미하다.
최초의 실용적인 연료전지는 아폴로 계획 당시 식수와 전기를 동시에 해결하기 위해 사용되었다.
미국이나 일본의 일부 지역을 중심으로 하여 일반 가정에서의 실용화를 목표로 하고 있다. 다만 1960년대에 본격적인 개발이 시작된 것 치고는 아직도 넘어야 할 문제점들이 많다는 것이 문제. 가장 큰 문제점으로는 수명 문제가 있다. 연료전지의 경쟁자인 보일러의 수명이 10년 이상인데 반해 연료전지의 경우 현재 시판되고 있는 제품의 수명은 길어야 5년 정도. 또한 연료전지의 종류에 따라 다르지만 예열이 필요한 경우도 있다. 특히 건물용/발전용으로 쓰이는 대형 연료전지가 그러한데 길게는 1일 이상의 예열을 거친 후에야 제대로 전력을 생산해낼 수 있다.
국내에도 연료전지 실용화는 진행중이다. 실제로 삼성전자 등에서 노트북용 연료전지를 2006년 개발하여 뉴스로도 나오기도 했다. 현재는 삼성전자가 연료전지 사업에서 전면 손을 뗀 바람에 시판되고 있지 않다. 2012년에는 지식경제부 주관으로 90억 정도의 사업 비용을 들어 연료전지 타운을 만들겠다는 기사가 나오기도 했다. 2010년대 이후로는 자동차 업체인 현대자동차그룹이 연료전지 사업에 적극적으로 임하고 있는 중.
2013년 울산 지역 석유화학 공장에서 나오는 부생수소를 이용한 수소타운을 설립하였다. 회사 소유 사택과 그외 건물에 설치하여 약 160kW급의 수소타운이 형성되었는데 이는 세계 최대 규모의 실증 시설이다. 국책 연구과제로 진행되며 각 가정마다 1kW급 연료전지가 설치되어있고, 건물에 5kW, 10kW급 연료전지가 설치되어 전력과 온수를 공급하고 있다.
2010년대의 시점에서는 휴대용 전자기기 등에 동력원으로 사용하려는 시도는 실용성 문제와 가성비 문제로 인해 현저히 사그라들었고, 그 대신 주로 군사 분야나 자동차·철도로 대표되는 교통 분야와 주거 분야에서 전력원으로 사용하는 추세이다. 재래식 잠수함의 AIP 시스템, 수소자동차의 일종인 수소연료전지차의 동력원, 전동차의 동력원 등이 오늘날 연료전지가 주로 쓰이고 있는 활용 분야이다. 이러한 분야에서는 연료전지의 이점이 극대화되기에 연료전지의 활용이 기술적으로 비교적 용이해진다.
특히, 주거 분야에서의 연료전지의 이점은 도시가스를 공급받아 연료전지의 연료로 사용할 수 있어 설치 비용이 비싼 수소 공급 라인을 설치하지 않아도 된다는 점이다. PEMFC를 적용한 시스템의 경우 개질기 모듈이 장착된 연료전지가 시판되고 있으며, 사우나, 피트니스 등 난방/온수와 전기를 모두 필요로 하는 곳에 주로 설치되고 있다.
인체 내의 포도당을 이용한 연료전지 또한 시제품이 나와 개발중이다. 현재 면섬유 기반 생체연료전지가 0.5v의 전압을 낼 수 있다. 개발이 진행된다면 페이스메이커[7] 등의 반영구적 동력원으로 사용될 수 있을것으로 전망된다.
4.1. 효율
수소와 산소를 이용해 전력을 생산해내는 연료전지의 '''전력'''생산 효율은 종류에 따라 다르지만 40~50% 선이다. '''전력'''을 강조해놓은 이유는 연료전지에서 발생하는 열 또한 이용할 경우의 효율까지 고려해야 하기 때문이다. 이 경우 효율은 '''80% 이상'''이며, 연료전지에서 발생하는 열은 물을 가열하여 난방이나 온수 등으로 이용할 수 있게 된다. 특히 SOFC, MCFC 등 고온에서 작동하는 연료전지의 경우 발생하는 열에너지가 많으므로 이를 적절하게 이용하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
연료를 이용하는 효율이 높아 보일러보다 투입되는 연료는 적으면서 비슷한 에너지를 낼 수 있다는 장점이 있어 보일러를 대체하기 위한 연구가 진행되고 있다. 하지만 아직까지 보일러의 가격을 상쇄할 정도로 가격[8]이 현실화되지는 않아서 코스트 다운 등 실용화에 대한 연구가 있어 왔으나 진척은 더딘 실정이다.
한편 전력생산 효율 역시 사실 그렇게 낮은 효율은 아니기도 한데, 이것만 해도 어지간한 내연기관들보다는 효율이 높은 편이며, 지금까지 개발된 동력원들 중에서는 전력생산에 있어서 그럭저럭 쓸만한 효율을 가진 편에 속하기 때문이다.[9] 생물의 에너지 전환율과 비교해 보아도 그러한데, 인간의 신체의 포도당 에너지 전환율이 약 40%인 것을 생각해봐도 그러하다는 점을 알 수 있다.
4.2. 연료
현재의 연료전지는 에너지 전환율뿐만 아니라 연료 수급에 있어서도 문제가 있다. 대표적으로 수소는 현재의 기술 수준에서는 석유류를 크래킹해서 뽑아낸다. 물에서 뽑아낼 수도 있지만, 지금의 기술로는 수소를 뽑아내서 연료전지에 쓰는 거 보다 석유를 화력발전에 돌리는 게 아직 더 싸게 먹힌다고 한다.
수소는 밀폐된 공간에서 고농도의 산소와 반응, 즉 폭발하는 농도 범위[10]가 크기 때문에 위험한 것이지, 실사용 환경에서는 LPG나 도시가스보다 안전하다. 잘 알려지지 않아서 그렇지 LPG 차량과 수소연료전지 차량을 세워놓고 연료탱크를 실탄으로 사격하는 실험도 한 적이 있는데 LPG 차량은 그대로 폭발한 반면 연료전지 차량의 경우 내부의 가스만 모두 분출되었다는 실험결과도 있다고 하나, 가스통 문서를 보면 알 수 있듯이 일반 총알로는 가스통이 폭발하지 않으니 이는 믿기 힘든 얘기다. 또한, 분자량이 공기보다 커서 바닥으로 가라앉는 LPG와는 달리 '''가장 가벼운 분자'''인 수소의 특성상 '''누출이 되더라도 순식간에 빠져나가버린다는 점'''도 안전성에 플러스 요인이다(가장 널리 쓰이는 도시가스는 공기보다 가볍다.). 실제 피해를 끼치기 위해서는 폭발하기 위한 최소 농도(4%)까지 쌓여야 하는데, 이마저도 쉽지 않다는 이야기.
수소보다는 생산비가 좀 더 싸게 먹히는 메탄올 등의 각종 '''수소화합물'''들을 수소 대신 연료전지의 연료로 사용하는 것이 보다 실용적이라 여겨져 그쪽으로 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 연료전지에 수소화합물이 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식이다. 심지어는 석유의 주성분이 탄화수소라는 점을 이용해서, 심지어 수소나 메탄올 같은 것들 대신 그냥 '''석유를 연료로 쓰는''' 연료전지도 구상된 바 있는 모양. 셰일에서 추출하는 천연가스나 석유(Shale gas/oil)를 사용하는 연료전지도 대학교/대기업에서 활발히 연구되고 있다. 사실 수소 얻는건 물을 전기분해하는 게 제일 간단하고 쉽다는 것 뿐이지 투입되는 에너지량 대비 얻는 에너지가 너무 적다. 즉, 가성비가 낮다. 때문에 보통은 천연가스나 도시가스를 개질해 수소를 얻는 방법이 상용 제품에 적용되어있다.
한편 한국의 연료전지 관련 기업들의 경우, 2016년 시점에서는 대부분 수소화합물을 이용하는 연료전지를 개발하는 쪽으로 연구를 진행하고 있다. 특히 시스템 3사로 유명한 이들은 PAFC(Phorspourusic acid fuel cell, 인산염 연료전지), MCFC(Molten carbon fuel cell, 용융 탄산염 연료전지), SOFC(Solid Oxide Fuel Cell, 고체 산화물 연료전지) 등 고온에서 작동하는 연료전지 시스템의 실용화를 위한 연구를 진행 중이다.
전해질로서 산소이온을 전달하는 세라믹 멤브레인을 사용하는 연료전지를 SOFC라고 한다. 작동온도가 700도~1000도 가량으로 상당히 고온이라는 점이 있지만 스택에서 발생하는 열을 Hot-box 등에 이용해 실제 시스템 외부 온도는 40~50도 수준이다. 또한 여기서 배출되는 열에너지를 회수하여 보일러에 이용한다든지, 혹은 또 다른 스팀발전기 등을 연동하여 추가적인 에너지를 생산 가능하므로 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다는 장점을 지닌다.
최근 유가하락으로 인해 도시가스 가격까지 덩달아 하락하는 추세이고, 가정에서 가스레인지 대신 전기레인지를 사용하는 등 도시가스 사용량이 급감하여 남는 가스를 이용한 연료전지에 대한 연구 역시 활발하다. 특히 수소라는 물질이 가지는 특성 상 보관이 용이하지 않으므로 도시가스를 개질하여 연료전지의 연료로 사용하는 방식이 주를 이루고 있다. 연료전지에 도시가스가 공급되고 이를 개질기에서 수소로 변환시켜 연료전지 스택에 공급하는 형식. 이는 상술한 바와 같이 도시가스의 가격 하락에 힘입은 바가 크다.
4.2.1. 수소 이외의 연료 사용이 어려운 이유
반드시 따로 생산해야만 하는 수소와는 달리 천연가스나 석유 등을 그대로 연료전지에 넣고 돌리기 위한 연구는 많이 하고 있으나, 후술할 이유 때문에 기술적 난이도가 높다는 문제가 있다.
- 탄화수소를 연료전지의 연료로 사용할 경우, 반응되지 못한 탄소가 연료전지 전극을 오염시킨다.
- 완전 연소되지 못한 탄소에서 생기는 일산화탄소의 부식성이 강해 전극을 부식시킨다.
- 따로 생산, 정제하는 수소와 달리, 천연가스 등을 바로 집어 넣을 것을 전제로 하기 때문에 황화물 등의 불순물이 연료에 들어간다.
- 효율성 있는 온도가 더 높다.
5. 전기자동차의 동력원으로서의 연료전지의 장단점
연료전지를 주 동력원으로 하는 '연료전지식 전기자동차' 즉 '연료전지차(연료전지 자동차)'도 개발되고 있으며, 수소자동차의 일종으로 분류되는 '수소연료전지차(말 그대로 수소를 연료로 쓰는 수소연료전지를 사용하는 연료전지차)'가 그 대표적인 예이다. 수소연료전지차는 세계 최초로 국내에서 개발되었으며, 현대자동차그룹이 이 분야에 적극적으로 투자하고 있다. 2020년 시점에서는 현대자동차의 현대 넥쏘와 토요타의 토요타 미라이가 수소연료전지차의 대표적 실용화 사례로 여겨지고 있다.
수소연료전지차를 비롯한 연료전지식 전기자동차는 기존의 내연기관 차량들은 물론 배터리(2차 전지)를 주 동력원으로 하는 배터리식 전기자동차와도 경쟁해야 한다는 문제를 안고 있기는 하다. 연료전지식 전기자동차는 한 발 먼저 실용화되고 있는 배터리식 전기자동차에 비해서 좀 더 긴 항속거리와 가동시간을 확보할 수 있고 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 좀 덜 수 있으며 기후조건이나 기상상황의 영향도 상대적으로 덜 받는다는 이점이 있으며, 한편으로는 배터리식 전기자동차와 마찬가지로 충전 인프라의 문제가 보급의 걸림돌이 되고 있기도 하다. 그냥 전기만 공급해주면 되는 배터리식 전기자동차와는 달리 기존의 내연기관 차량들에 기름 넣어주듯 연료를 넣어줘야 되어서 그 연료를 생산하기 위한 연료 생산 인프라를 따로 마련해야 한다는 부담이 있는 점도 여기에 한 몫 하는 듯 하다. 배터리식 전기자동차가 이미 실용화 단계에 접어든 것과는 달리 연료전지식 전기자동차는 아직 실용화 단계에는 이르지 못하고 있는 것도 이런 여러 문제들 때문인 듯 싶다.
덧붙여 배터리식 전기자동차와 연료전지식 전기자동차는 각각 일장일단이 있는데, 배터리식 전기자동차는 말 그대로 충전 스탠드에 차량의 배터리를 연결해서 휴대폰 배터리 충전하듯 충전시키기만 하면 되므로 충전절차가 비교적 간단하지만 그 대신 배터리의 한계로 인해서 충전시간이 좀 오래 걸리는 데다가 시간의 경과에 따른 자연방전 문제를 심히 고민해야 되는 편이며 기후조건이나 기상상황의 영향도 은근히 받는 편이다.[11] 한편 연료전지식 전기자동차는 연료전지의 특성 덕분에 충전시간이 오래 걸리지 않아서 빠르게 충전을 할 수 있으며[12], 더불어 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 덜한 편이고 기후조건이나 기상상황의 영향도 상대적으로 덜 받는 편이긴 하지만 그 대신 기존의 내연기관 차량들의 연료탱크에 기름을 넣듯이 연료전지에 연료를 넣어주는 작업을 해야 하므로 충전절차 그 자체는 배터리식 전기자동차에 비해서 살짝 복잡한 편이라 할 수 있다.
연료전지식 전기자동차의 실용화에 있어서 큰 이슈가 되고 있는 부분은 아직 비용 문제와 안전 문제가 남아 있는 수소를 연료로 쓰는 수소연료전지를 채용할 것인가, 아니면 비용 문제와 안전 문제를 해결하기 위해서 수소 이외의 다른 연료를 사용하는 연료전지를 채용할 것인가에 대한 문제이다. 현재 가장 많이 알려진 수소연료전지의 경우에는 이미 오래 전부터 개발되어 오던 것이니만큼 기술적으로는 어느 정도 성숙되어 있으나 연료가 되는 수소를 생산하고 저장하는 것이 매우 복잡하고 위험한지라 자동차에 사용하기에는 여러모로 문제가 많다. 한편 메탄올을 사용하는 메탄올연료전지 같은 경우라면 이런 문제에 상관없이 연료만 넣어주면 되기에 자동차에 사용하기에는 수소연료전지보다 안전하고 실용성이 높지만 수소연료전지에 비해서 개발된 지가 얼마 안 된 편이기 때문에 자동차에 쓰기에는 아직 많은 시간이 필요하다.
메탄올은 카본 찌꺼기나 산소와 반응하여 폼알데히드를 생성할 수 있는 문제점도 존재한다.
또한 현재 연료전지식 전기자동차가 직면한 가장 큰 문제는 연료전지 시스템 자체의 가격이기도 하다. 백금을 사용하는 촉매 등 가격을 올리는 요소가 너무 많기 때문에 보급 시도에 큰 걸림돌이 되고 있다고 한다. 촉매이외에도 산도가 높은 환경인 연료전지 내부(수소가 분해되어 수소이온이 된다.)에서 분리판의 부식을 막기위해서 내식성이 강한 금과 같은 금속을 도금해야된다. 그래서 현재의 연료전지 시스템은 가격적으로 너무 비싸기 때문에, 촉매의 소재를 값비싼 백금 대신 다른 소재로 바꾸는 등 연료전지에서 가격 상승의 요인이 되는 부분들을 없애기 위한 연구가 진행되고 있는 중이다. 특히 촉매의 소재가 관건인데, 백금을 대신할 촉매의 소재로서 그래핀이 유력하게 거론되고 있는 모양이다.# 또한 이렇게 신소재를 사용한 촉매가 개발되고 있는 것 외에도, 현재 사용되고 있는 기존의 촉매에서 백금 사용량을 줄여 촉매의 효율성을 높이고 가격을 낮추기 위한 연구도 별도로 진행되고 있다.#
6. 전동차의 동력원으로서의 연료전지
알스톰이 Coradia iLint라는 연료전지 기반 전동차를 개발했다. 스펙상으로는 최고속도 140km에 1회 연료 충전에 600~800km의 거리를 갈 수 있다고 한다. 서울과 부산에 각각 충전소가 마련되어있다고 가정한다면 경부선 왕복도 전혀 무리없는 스펙인 셈이다. 니더작센 쪽 노선에 투입될 14대가 만들어진다는 소식도 들려왔으니 연료전지 자동차와는 달리 실용화도 이미 어느 정도 성공했다. 현재까지는 동차뿐이나 연료전지 기관차가 개발된다면 전철화율이 매우 낮고 화물 비중은 높은 미국 등지에서 쓸만할 것으로 예측된다.
7. 재래식 잠수함의 연료전지 AIP 시스템
산소와 수소만 공급해주면 외부의 공기를 끌어들일 필요없이 계속 전력을 생산해 낼 수 있다는 장점 덕분에 가장 빠르게 적용된 사례는 바로 재래식 잠수함. 연료전지를 사용한 AIP 시스템은 디젤 엔진을 돌릴 필요없이 산소와 수소만 공급되면 지속적으로 발전이 가능하므로 디젤 엔진 가동을 위해서 위험하게 수면 위로 접근하여 스노클을 올리거나 시끄러운 디젤 엔진을 돌릴 필요 없이 수중에서 작전을 실시하는 것이 가능하다. 또한 기존 축전지와는 비교할 수 없는 용량이 가능하고 시간의 경과에 따른 자연방전 문제도 기존 축전지에 비해서는 덜한 편이므로 여러모로 잠수함엔 제격. 이러한 연료전지 AIP를 채용한 대표적인 사례 중 하나로 대한민국 해군의 손원일급 잠수함과 장보고-3를 들 수 있다.
[1] Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell. 폴리머 막을 전해질로 사용하는 연료전지. 주로 일반 가정용으로 개발된다.[2] Solid Oxide Fuel Cell. 세라믹과 같은 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료전지. 전해질이 고체이므로 이온을 통과시키기 위해 고온에서 작동시킨다.[3] Molten Carbonate Fuel Cell. 용융 탄산염을 전해질로 사용하는 연료전지. 주로 대규모 발전용으로 개발된다.[4] Proton Exchane Membrane 혹은 Polymer Electrolyte Membrane[5] 다른 연료전지들과는 다르게 이산화탄소 자체에도 피독작용이 있어 지상에서 사용불가[6] 세부설명을 추가하자면 재사용이 불가능한 1차 전지(건전지), 충전이 가능한 2차 전지(배터리 or 축전지), 화학반응으로 전기를 생산하는 3차 전지(연료 전지)라고 할 수 있다.[7] 현재는 12V 리튬이온전지를 사용하는 경우가 많다.[8] 1kW급 연료전지가 약 3천만원 수준[9] 사실 내연기관 기술은 거의 완성 단계임에도 카르노 효율 문제와 더불어 평균효율이 3~40%이고 이론상 최대 효율이 60% 정도 밖에 미치지 못하는데 비해, 연료전지는 개발 단계임에도 불구하고 어지간한 내연기관보다는 효율이 뛰어나며, 카르노 효율 문제를 적용받지 않는다는 점에서 한계점이 거의 없어 발전 가능성이 무궁무진하다.[10] 4~75%[11] 특히 기온이 떨어지는 겨울이면 배터리의 효율이 저하되기 쉽고, 같은 이유로 한랭지역에서는 차량의 운용에 어느 정도 제한이 생기기 쉽다.[12] 정확하게는 그냥 발전기에 기름 넣어주는 거와 같다.