연료전지의 모든 것 Newton / E 2011/04/07 16:05

http://jsyck7925.blog.me/110106385569연료전지의 모든 것

산업혁명 이후의 새로운 대변혁이 다가온다

 

 

월간 Newton 2006 년 11 월호

 

지금 세계적인 대기업들이 연간 수조 원이나 되는 거액을 투자하면서 어떤 기술 개발을 서두르고

있다. 바로 연료전지다. 연료전지란 수소와 산소로 물을 만들고 그 과정에서 전기를 생산하는 새로운

발전장치다. 이 원리는 중고등학교에서 배우는 '물의 전기 분해'의 역반응이다. 연료전지가 보급되면

유한한 화석연료에 의존하는 현대사회에서 무한한 수소를 이용하는 새로운 사회로의 변혁이

일어난다. 산업혁명 이후의 새로운 대변혁이 마침내 일어날지도 모른다. 연료전지는 우리의 생활을

크게 바꾼다. 그 미래의 모습은 이렇다. 휴대전화나 노트북 컴퓨터의 배터리가 연료전지로 바뀐다.

생활에 필요한 모든 전력을 한 집에 1 대씩 놓인 연료전지가 공급한다. 모든 자동차가 연료전지를 싣고

가격이 폭등하는 화석연료가 아닌 자연 에너지를 이용해 만들어지는 저가의 수소로 달린다. 세상의

모든 원동기와 전원이 연료전지로 바뀔지도 모른다. 연료전지의 원리는 어떻게 되는가? 어떤 점이

뛰어난가? 극복해야 할 문제는 무엇인가? 전세계가 주목하는 연료전지를 철저 분석한다.

연료전지의 미래 예측: 연료전지는 모든 산업 분야에서 거대한 시장을 만들어낸다

인간의 생활은 '에너지의 소비' 그 자체이다. 그래서 혁신적인 에너지 장치의 등장은 인류사회에

대변혁을 가져온다. 18 세기에 일어나 산업혁명도 열기관의 등장이 계기가 되었다. 증기기관 등의

열기관이 등장함으로써 다양한 산업이 기계화하고 여러 종류의 물건이 대량생산되었다.

그리고 21 세기에는 산업혁명 이후의 새로운 대변혁이 인류사회에 찾아올지도 모른다. 그 주역이

연료전지다. 연료전지는 수소 등을 연료로 하는 새로운 발전장치다. 장래의 수소 공급은 태양빛 등의

자연 에너지를 써서 바다에 대량 존재하는 물을 이용해 공짜로 이루어질지도 모른다.

 

그렇게 되면 누구나 가격이 폭등하는 원유가 아니라 환경보호에 적합한 수소를 연료로 선택할 것이다.

그때 필요한 장치가 바로 연료전지다.

21 세기 안으로 휘발유 엔진은 그 모습을 감추고 연료전지 자동차가 그것을 대신할지도 모른다. 화력

발전소나 송전선은 자취를 감추고 각 가정에 1 대씩 놓인 연료전지로 전력을 공급할 것으로 보인다.

연료전지의 등장은 모든 산업 분야에서 신진대사를 일으키고 인류사회를 크게 변혁해 나갈 가능성을

가지고 있다.

일본의 경제산업성은 2020 년의 일본의 연료전지 시장 규모를 약 80 조원으로 예측했다(2001). 21

세기 중반 무렵에는 연료전지를 둘러싼 거대한 시장이 형성될 것으로 보고 있다. 이동 기기용

연료전지 보급이 우선 진행되고 그 뒤를 이어 가정용 연료전지, 다음으로 연료전지 자동차의 보급이

이루어질 것으로 보고 있다.

 

연료전지 추정되는 잠재적 보급 규모 보급목표

이동기기용6 조원 (이동기기용 충전지

시장규모)

2015 년까지 연료전지가 충전지 시장의 약 10%

차지할 전망

가정용·업무용5,000 만 킬로와트 (일본

발전량의 1/2)

일본 경제산업성의 연료전지 실용화 전략 연구회

: 2020 년에 1,000 만㎾, 2030 년에 1,250 만㎾ (약

1,250 만 세대분)

자동차용 7,500 만대 (일본 자동차 대수)일본 경제산업성의 연료전지 실용화 전략 연구회

: 2020 년에 500 만대, 2030 년에 1,500 만대

연료전지의 원리: 전기의 저수지가 아니라 '발전장치', 그 원리는 정말 단순하다

 

인류사회에 큰 영향을 줄 수 있는 연료전지. 그러나 원리 자체는 기가 막힐 정도로 단순하다. 거기에는

중학교에서 배우는 단순한 화학반응밖에 등장하지 않는다.

연료전지에 필요한 것은 2 매의

전극과 그 사이에 끼워진

전해질이다. 전해질이란 이온(

원자나 분자가 전하를 띈 것)은

통과시키지만 전자는 통과시키지

않는 물질을 말한다. 한쪽의 전극

(음극)에 연료인 수소 가스(H2)를

보낸다. 그러면 음극에 포함된

백금(플라티나)이 촉매(

화학반응의 속도를 높여주지만

자신은 변하지 않는 물질)로 작용하고, 수소 원자에서 전자를 빼앗는다. 이때 생기는 수소 이온(H+)은

전해질을 지날 수 있는데, 전자는 전해질을 지나지 못하고 남게 된다.

여기서 또 한쪽의 전극(양극)에 산소가스(O2)를 보낸다. 그러면 양극에 포함된 백금이 촉매로

작용함으로써 산소 원자와 전해질을 통과해 온 수소 이온이 결합해 물(H2O)이 만들어진다. 이

반응에는 전자가 필요하다.

정리하면 음극에서는 전자가 남고 양극에서는 전자가 필요하다. 여기에서 음극과 양극을 도선으로

이으면 도선을 통해 전자가 흐른다. 요컨대 전기가 흐르는 것이다. 이것이 연료전지의 발전 원리이다.

전지라고 하면 '전기의 저수지'를 생각할지 모른다. 예컨대 건전지 안에는 연료와 산화제가 갇혀 있다.

그들을 다 쓰면 전기의 발생은 끝난다. 그러나 연료전지는 연료와 산화제를 밖에서 공급하는 한 계속

전기를 공급해준다. 그런 의미에서 연료전지는 전기의 저수지가 아니라 '발전장치'로 이해하는 것이

옳다.

스택: 직렬 연결로 파워 업! 휴대전화에서 자동차까지 움직이는 연료전지

2 매의 백금 전극과 거기에 끼워진 전해질로 이루어지는 연료전지의 1 단위를 단셀이라 부른다. 1 개의

단셀이 발생시키는 전압은 연료나 전해질의 종류에 따라 결정되는데 단셀의 크기에 무관하게 약 1

볼트이다. 건전지와 같은 정도이다. 이 전압에서는 자동차가 움직이지 않는다.

더욱 큰 전압을 발생시키려면 많은 단셀을 직렬로 이으면 된다. 복수의 단셀을 직렬로 이은 것은 스택

(stack)이라 부른다. 스택을 만들려면 단셀을 구성하는 부품 외에 단셀과 단셀 사이를 갈라 놓는

부품인 세퍼레이터(separator)가 새로 필요하게 된다. 세퍼레이터는 ①각 단셀 사이를 막고 가스의

혼합을 막고 ②각 단셀에 수소 가스나 공기를 공급하는 통로가 되며 ③단셀 사이를 잇는 도선(전자의

통로)으로 작용한다. 일반적으로 세퍼레이터와 전극 사이에는 가스를 균일하게 확산시키기 위한 가스

확산층이 끼워진다.

휴대전화에 필요한 전압을 얻으려면 여러 개의 단셀로 이루어진 스택을 만들면 된다. 그러나

가정용에서는 20 개 이상, 자동차에서는 200 개 이상의 단셀로 구성되는 대규모의 스택이 필요하다.

단셀의 개수가 늘면 그만큼 백금 전극, 전해질, 세퍼레이터의 수도 늘어나야 한다. 지금은 어느

부품이나 모두 고가여서 1 개가 각각 수십만 원이나 된다고 한다. 보급을 위해서는 대량생산하여 이들

부품의 단가를 대폭 내려야 한다.

더욱이 자동차 등에 싣기 위해서는 스택 전체의 크기가 작아져야 한다. 또 백금 전극, 전해질,

세퍼레이터 등을 아주 얇게 만드는 기술이 필요하다. 연료전지의 기본 원리는 단순하다. 그러나

자동차용의 경우처럼 고출력으로 작은 스택을 만들기 위해서는 대단히 수준 높은 기술이 필요하다.

연료전지의 역사: 19 세기의 대발견, 물의 전기 분해의 역반응으로 발전된다

21 세기에 큰 역할이 기대되는 연료전지. 그러나 그 메커니즘의 발견은 의외로 오래되었다. 연료전지를

처음 만든 사람은 19 세기에 활약한 영국의 물리학자이자 화학자인 윌리엄 그로브(1811~1896)이다.

그 계기가 된 것은 '물의 전기 분해'이다. 물의 전기 분해란 물에 백금 전극을 넣고 전기를 통하면 물이

분해되어 수소 가스와 산소 가스가 발생하는 것이다. 지금은 중학교 수준에서도 하는 유명한

실험이다. 전기 분해는 1800 년에 영국의 물리학자 니콜슨(1753~1815) 등에 의해 발견된 이래 연구의

대상이 되고 있었다.

어느 날 물의 전기 분해 실험을 하던 그로브는 기묘한 일을 깨닫게 되었다. 실험 장치의 전원을 끄면

전류가 역류하는 것이었다. 그는 이것을 보고 생각했다. '물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소로

분해된다. 그렇다면 수소와 산소를 합하면 전기를 발생시킬 수 있는 것이 아닌가?'

그로브는 곧바로 물의 전기 분해를 끝낸 상태의 실험 장치(이것이 연료전지의 원형이고, 시험관 안에

수소 가스와 산소 가스가 저장되어 있었다)를 4 개 준비해서 그것들을 직렬로 이었다. 그리고 이들이

만들어 내는 전기를 써서 다른 장치에 들어 있는 물을 전기 분해해 보였다. 이것이 인류 최초의

연료전지의 실증 실험이다.

그는 이 결과를 논문으로 정리하고 전통 있는 영국의 과학잡지 <필로소피컬 매거진> 1839 년 2 월호에

발표했다. 그러나 그로브의 대발명도 증기기관에 가려 별로 빛을 보지 못하고 100 년 이상이나

파묻히고 말았다.

우주에서 시작된 실용화: 연료전지를 실은 아폴로 우주선이 인류를 달에 보냈다

그로브의 발명으로부터 약 100 년 뒤 마침내 연료전지의 실용화에 뛰어든 인물이 나타났다. 영국

케임브리지 대학교의 베이컨(1904~1992)이다. 1930 년에 연구를 시작한 베이컨은 전해질로

알칼리성인 수산화칼륨을 사용하는 연료전지를 개발하고 1952 년에 특허를 얻었다. 이 유형의

연료전지는 '알칼리형 연료전지'라고 불린다. 1959 년에는 5 킬로와트의 출력을 가지는 연료전지를

완성했다.

한편 미국의 GE 사도 1950 년대에 연료전지를 개발했다. 전해질에 수지(고분자)로 만든 막을 쓴 GE

사의 연료전지는 '고체 고분자형 연료전지(PEFC)'라 불리는 유형이다. 출력은 1 킬로와트이면서

알칼리형 연료전지보다 작았다.

연료전지의 실용화는 우주에서 시작되었다. 1965 년 NASA 의 유인 우주선 제미니 5 호에 통신기기나

컴퓨터의 전원으로 GE 사의 연료전지가 실린 것이다. 우주라는 한정된 공간에서는 더욱 작고

고출력의 전원 장치가 요구된다. 대태양 전지 등 여러 후보 가운데 NASA 가 선택한 것은

연료전지였다. 부피당 발전량이 크고 연료전지의 부산물로 생기는 물을 승무원의 음료수로 이용할 수

있기 때문이었다.

1969 년에 인류 최초의 달에 착륙한 아폴로 11 호도 연료전지를 싣고 있었다. 아폴로 우주선에 실린

것은 GE 사의 것보다 출력이 높은 알칼리형 연료전지였다. 영화 <아폴로 13 호>에서도 묘사된 것처럼

1970 년에 아폴로 13 호가 운항 중에 가스 누출 사고로 전력을 절약해야 할 위기에 몰린 것도 수소와

산소로 발전하는 연료전지를 쓰고 있었기 때문이다.

알칼리형 연료전지는 우주왕복선에도 실려 선내의 전기와 음료수는 공급하는 원천으로 활용된다. 단

알칼리형 연료전지는 수소와 산소 모두 고순도의 것을 사용할 필요가 있다는 점 등에서 우주 개발

이외의 분야에서는 거의 실용화되지 않고 있다.

한편 지상에서의 연료전지 실용화는 1970 년대에 미국에서 시작되어 호텔이나 병원의 발전기로

도입되기 시작했다. 1994 년에는 다임러 벤츠(현재 다음러 크라이슬러)사가 연료전지 자동차를

발표했다.

네 가지 유형의 연료전지: 고온형은 대규모 발전형, 백금이 필요 없고 발전효율도 높다

우주 개발 분야에서 성능과 '깨끗함'을 증명한 연료전지에 세계 기술자들의 시선이 집중되기 시작했다.

현재까지 많은 연구 개발 작업이 이루어지고 다양한 연료전지가 등장했다.

이들 연료전지는 주로 전해질의 차이에 따라 크게 네 가지 유형으로 나누어진다. 그리고 유형에 따라

작동하는 온도나 출력의 규모 등도 달라지고 그에 따라 연료전지의 용도도 달라진다. 그러나 이온이

전해질을 통과하고 교환으로 전극 사이에 전기가 흐른다는 근본 원리는 모두 같다.

연료전지는 고온형과 저온형으로 나누어지고 이들은 다시 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 고온형의

연료전지에는 '용융 탄산염형 연료전지(MCFC)'와 '고체 산화물형 연료전지(SOFC)'의 두 가지 유형이

있다. 고온형의 연료전지는 섭씨 500~1,000 도라는 고온에서 작동한다. 고온이 되면 화학반응의

속도가 빨라지고 특히 촉매가 필요 없게 된다. 그래서 고가인 백금을 사용하지 않아도 되는 것이

장점의 하나이다. 고온의 배출열도 활용할 수 있다.

또 고온인 연료전지의 내부에서 천연 가스 등의 연료가 수소로 전환되는 과정(개질)이 진행되므로

이들 연료를 수소 대신 쓸 수도 있다. 발전효율이 높고 고출력이 가능하므로 대형 건물의 발전장치나

대규모 발전소 등에 알맞다. 그러나 워밍업을 위한 시동에 시간이 걸리는 단점이 있다.

용융 탄산염형 연료전지(MCFC)는 섭씨 650 도 전후의 고온에서 작동한다. 전해질에는 탄산염을 녹인

액체(용융 탄산염)를 쓴다. 수소 이외에 천연 가스나 석탄 가스 등을 연료로 쓰는 일도 있다. 대규모

발전소 등에서의 이용이 기대된다.

고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 섭씨 1,000 도 부근의 고온에서 작동한다. 전해질에는 고체인

세라믹을 쓴다. MCFC 와 마찬가지로 대규모 발전소 등에서의 이용이 기대된다. 더욱이 작동 온도를

내리는 기술 개발이 이루어지면 가정용 전원으로도 쓸 수 있는 것으로 전망되어 크게 주목된다.

네 가지 유형의 연료전지: 저온형은 일상 생활 현장에서 활용된다

고온형 다음으로 저온형의 두 가지 유형의 연료전지를 소개한다. 저온형은 고온형 연료전지에 비해

훨씬 저온(섭씨 200 도 이하)에서 작동된다. 저온형의 공통 장점은 시동이 단시간에 된다는 것과

크기를 작게 할 수 있다는 점이다. 그러나 고가의 백금 전극이 필요해서 장비 비용이 높은 것이

단점이다.

'인산형 연료전지(PAFC)'는 섭씨 200 도 정도에서 작동한다. 전해질에는 인산 수용액을 쓴다. 1967

년에 개발이 시작되고 1980 년대부터 미국과 일본을 중심으로 호텔이나 병원 등에 도입되었다.

연료전지의 네 가지 유형 중에서 가장 먼저 상품화되었다.

'고체 고분자형 연료전지(PEFC)'는 섭씨 100 도 미만이라는 상온에 가까운 온도에서 작동한다.

전해질에는 수용액이 아니라 수지로 만든 얇은 막을 사용한다. 그 결과 장비 전체를 얇게 할 수 있기

때문에 소형에 적합하다. 제미니 우주선에 실린 것도 이 유형의 연료전지다. 자동차에서 가정용,

휴대전화 등의 이동기기에 이르기까지 용도가 넓어 가장 활발히 연구되고 있다.

연료전지 유형별 작동온도와 출력

연료전지의 발전효율: 화력 발전을 웃도는 발전효율 83%는 어떻게 가능한가?

연료전지의 강점은 무엇인가? 연료전지를 연구하는 일본 요코하마 국립대학 대학원의 오타 겐이치로

교수는 "발전효율이 뛰어나다는 것이야말로 연료전지의 최대 강점이다. 섭씨 약 550 도의 증기를

사용하는 화력 발전의 경우 이론적인 최고 발전효율은 60% 정도이다. 그러나 수소를 사용하는

연료전지는 실온이라 해도 이론상의 최고 발전효율이 83%까지 이를 수 있다"고 말한다.

연료전지의 발전효율은 왜 높은가? 여기서 잠깐 전구와 발광 다이오드를 비교해보자.

전구의 필라멘트에서는 전기에너지가 열에너지로 변환된다. 그 열에너지가 빛에너지로 변환되는데,

열에너지의 대부분은 주위로 빠져나간다(그래서 전구는 따스하다). 한편 발광 다이오드는

전기에너지를 직접 빛에너지로 변환한다. 그래서 전력 손실이 적고 전력 소비량이 대단히 적다.

화력 발전도 연료전지의 관계도 이와 비슷하다. 화력 발전에서는 연료가 가지는 화학에너지를 우선

열에너지로 변환하고 다시 그것을 전기에너지로 변환한다. 이러한 에너지의 변환에는 손실이 있게

마련이다. 특히 열에너지에서 전기에너지로 변환하는 과정에서 많은 열에너지가 달아난다. 이것이

화력 발전의 발전효율을 떨어뜨리는 원인이다.

그러나 연료전지는 연료가 가지는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환한다. 열에너지를 거치지

않으므로 에너지의 손실이 적다. 이것이 연료전지의 발전효율이 높은 이유이다.

수소 만들기: 자연계에는 존재하지 않는 수소 가스, 어떻게 만드나?

연료전지에 쓰일 우승후보라고 일컬어지는 수소는 바닷물을 이용해 물에서 꺼낼 수 있기 때문에

무한한 자원이 될 수 있다. 더욱이 수소를 연료로 쓸 경우 연료전지에서 나오는 것은 깨끗한 물뿐이다.

지구온난화를 촉진한다는 이산화탄소는 전혀 나오지 않는다.

수소라는 원소는 탄소와의 화합물(탄화수소)이나

산소와의 화합물(물) 등의 형태로 지구상에

풍부하게 존재한다. 그러나 홑원소물질인 수소

가스는 자연계에는 거의 존재하지 않는다. 따라서

수소 가스를 연료전지의 연료로 쓰려면 탄화수소나

물 등의 재료에서 수소 가스를 만들어내야만 한다.

탄화수소의 예로는 메탄(CH4), 프로판(C3H8), 옥탄

(C8H18) 등이 있다. 이들은 모두 천연 가스나 석유

등의 주성분이다. 이들 탄화수소에 고온의

수증기를 반응시키면 이산화탄소와 함께 수소

가스를 얻는다. 이렇게 화석연료에서 수소를

꺼내는 과정을 개질(改質)이라 한다.

같은 화석연료의 경우 불에 태워서 발전하는 것보다 개질하여 얻은 수소를 연료전지에서 쓰는 편이

에너지 이용 효율 면에서 좋다. 결과적으로 이산화탄소의 배출량도 30% 정도나 줄어든다.

그러나 수소의 공급원을 유한한 화석 원료에 의존하는 방법은 자원 보존, 비용, 지구온난화 등의

문제를 생각할 때 가장 좋은 방법이라고 할 수 없다. 더욱이 앞으로 연료전지가 많이 보급되면 수소의

수요는 크게 늘어날 것으로 보인다. 탄화수소의 개질에 주로 의존하는 현재의 수소 제조 방법만으로는

그 수요를 만족시키지 못한다는 견해도 있다.

그래서 자연 에너지인 물을 전기 분해해서 수소를 얻는 방법이 미래의 수소 제조 방법으로 기대된다.

물에서 수소를 만들어 그것을 연료전지에 쓰고 물을 자연에 되돌리는 순환 재활용을 한다는 것이다.

미래에는 저가의 수소가 모든 에너지를 공급하는 '수소 에너지 사회'가 올지도 모른다.

자동차용 연료전지: 과다한 비용과 수소를 싣는 방법 때문에 고민하는 자동차 회사

세계 유수의 자동차 회사들은 지금 거액을 투자해 연료전지 자동차의 개발을 서두르고 있다. 전기

자동차의 충전지를 연료전지로 바꾼 것이 연료전지 자동차이다. 가격이 폭등하는 휘발유가 아니라

저가로 얻을 수 있는 수소가 이용되면 누구나 연료전지 자동차를 탈 것이다. 그러나 지금은 1 대에 10

억 원이라는 비용을 낮추고, 휘발유 주유소를 대신할 수소 스테이션을 설치하는 등의 문제가 시장

진입을 가로막고 있다.

수소를 간편하게 차 안에 싣는 좋은 방법도 아직 없다. 일반적인 휘발유엔진 차는 휘발유를 가득

채우면 500km 정도 달린다. 같은 거리를 연료전지 자동차가 달리기 위해서는 약 5kg 의 수소를 필요로

한다. 현재 많은 자동차 회사는 350 기압이라는 고압으로 수소를 탱크에 넣는 방법을 검토하고 있다.

이 경우 5kg 의 수소 부피는 약 200 리터가 된다. 휘발유 차의 탱크 용량(약 50L)의 4 배가 되는데, 차의

공간을 차지하는 것이 문제이다.

액체 수소로 만들어 넣는 방법을 연구하는 회사도 있다. 액체 수소 5kg 의 부피는 70 리터인데 휘발유

탱크의 용량과 비슷해진다. 단 수소를 액화하려면 섭씨 영하 253 도라는 초저온으로 해야 하고 많은

에너지가 필요하다. 액화를 위해 수소가 가진 에너지의 약 30%가 사라진다.

수소 흡수 합금 등 수소 저장물질을 탱크 대신 쓰는 방법도 연구 중이다. 수소 흡수 합금이란 자신의

부피의 수천 배나 되는 수소 가스를 흡수하고 또 때에 따라서는 방출할 수 있는 합금이다. 가격이

내려간다면 수소 저장물질은 수소를 싣는 기술의 중심이 될 가능성도 있다.

가정용 연료전지: 송전 손실을 없애고 배출되는 열도 이용

휴대전화가 보급되면서 자택에 유선전화를 놓지 않는 가정이 늘고 있다고 한다. 그 다음에 사라지는

것은 발전소에서 오는 각 가정으로 연결된 송전선이 될지도 모른다. 한 가정에 1 대씩 설치된

연료전지가 작은 발전소 구실을 하고 가정에서 필요한 모든 에너지를 공급할 수도 있다.

연료전지가 설치되면 전기를 만드는 곳과 쓰는 곳 사이의 거리가 0 이 된다. 여기에서 나오는 이득은

대단히 크다. 우선 송전에 따르는 전력 손실이 없어진다. 더욱이 연료전지의 배출열로 물을 끓여

목욕이나 조리할 때 이용함으로써 연료비를 절약할 수 있다. 전기와 열 양쪽을 이용하는 메커니즘은

코제너레이션(cogeneration)이라 불린다. 이것에 의해 약 80%라는 높은 효율로 에너지를 이용할 수

있다.

각 가정에 연료전지를 설치하면 사회 전체적으로도 이점이 생긴다. 대형 발전소가 전기를 만든

이제까지의 사회에서는 발전소나 변전소, 송전설비 등이 말썽을 일으켜 넓은 지역에서 정전이 되는

일이 종종 있었다. 그러나 각 가정에서 발전하는 분산형 발전에서는 웬만해서는 그러한 대규모 정전이

일어나지 않는다.

가정용 연료전지는 기술적으로는 이미 실용 단계에 이르고 있다. 2005 년부터 시작된 일본의 대규모

실증 사업에서는 600 대의 가정용 연료전지를 설치하고 운전 데이터를 모으고 있다. 1 대에 최저 수천

만원이라는 현재의 고비용을 2020 년까지 1/10 정도로 낮춘다는 것이 각 회사의 목표이다.

그런데 가정용 연료전지의 연료로 수소가 사용될 것인가? 오타 교수는 "어느 가정에나 도시 가스, 또는

프로판 가스 등이 공급되는 구조가 갖추어져 있다. 이들 공급 루트를 활용해서 화석연료를 각 가정의

연료전지까지 운반하고 장치 안에서 수소로 개질해서 사용하는 방법이 당분간 이어질 것이다. 단

장래에 수소를 각 가정에 공급하는 루트가 정비된다면 연료는 반드시 수소로 바뀐다고 본다"고 말했다.

이동기기용 연료전지: 휴대전화나 노트북 PC 에서 충전지가 없어진다

휴대전화의 기능은 어디까지 발전할지 알 수 없다. 사진 전송 메일이나 TV 전화에 이어 지상 디지털

방송을 수신할 수 있는 서비스도 등장하고 있다. 휴대전화의 소비 전력은 계속 늘고 있는데 이를

따라가지 못하는 것이 전지의 성능이다. 아무리 기능이 다양해져도 전지가 끊어지면 그것으로 끝이다.

그래서 기대되는 것이 연료전지다. 휴대전화에 들어 있는 충전지(주로 리튬 이온 2 차 전지)를 같은

부피의 연료전지로 바꾸면 적어도 3 배 이상 오래 쓸 수 있다. 연료전지가 가장 빨리 보급되는 것은

휴대전화나 노트북 컴퓨터, 디지털 카메라 등 이른바 이동기기일 것이다.

이동기기의 연료전지로 가장 활발하게 개발되는 것은 '다이렉트 메탄올형 연료전지(DMFC)'라 불리는

유형이다. DMFC 는 수지로 만든 막을 전해질로 쓰는 점에서 PEFC 와 같다. 그래서 DMFC 는 PEFC 의

일종이라고 할 수도 있다.

DMFC 의 특징은 연료로 수소가 아닌 알코올의 일종인 메탄올(CH3OH)을 쓴다는 점이다. 메탄올은

상온에서 액체이며 플라스틱 병이나 카트리지에 넣을 수 있기 때문에 운반이나 판매가 쉽다. 각

회사가 DMFC 에 힘을 기울이는 것도 이러한 이유에서이다.

2007 년에는 현재 금지되고 있는 메탄올의 항공기 내 반입이 허용될 전망이다. 여러 회사가 DMFC 를

넣은 이동기기를 2007 년에 시장에 내놓기 위해 개발을 서두르고 있다.

최근에는 수소를 연료로 한 PEFC 의 탑재를 겨냥하는 회사도 나타나고 있다. 전에 비디오데크의

표준규격을 두고 경쟁했던 VHS 와 베타처럼 두 방식의 경쟁은 앞으로 가열될지도 모른다.

연료전지의 과제: 백금을 대신할 촉매는 발견되는가?

자동차용이나 가정용 PEFC

에서는 귀금속인 백금(플라티나)

을 촉매로 쓰고 있다. 자동차용

PEFC(출력 100 킬로와트)에는

100g 의 백금이 쓰인다. 백금은

장식품 이외에 휘발유 차나

디젤차의 배기가스 정화 등의

촉매 원료로 수요가 많다. 백금의

가격은 최근 10 년 사이에 3 배 정도나 올랐다. 더구나 연료전지 때문에 수요가 늘면 백금 가격은 더욱

올라가고 연료전지의 비용도 더욱 올라갈지 모른다.

세계의 백금 매장량은 약 2 만 8,000톤에 지나지 않는다. 현재 세계에는 약 8억대의 자동차가 있는데

연료전지 자동차를 약 2억대 생산하는 시점에서 백금이 지구상에서 사라지게 된다. 백금을 될 수 있는

대로 안 쓸 수 있는 방법을 찾아야 한다. 그렇지 않으면 연료전지의 미래는 없다고 봐야 할 것이다.

백금의 양을 절약하려면 백금을 미립자로 하면 된다. 촉매로 작용하는 것은 백금의 표면뿐이다. 결국

백금의 입자를 작게 하면 할수록 부피당 표면적은 커지고 필요한 백금의 양을 줄일 수 있다.

그러나 백금 미립자는 방치해두면 뭉쳐서 덩어리가 되기 쉽다. 이것을 막기 위해 탄소(카본) 덩어리에

백금 미립자를 부착시키는 방법이 흔히 사용된다. 최근에는 나노기술의 대명사라고 하는

탄소나노튜브의 일종인 탄소나노혼에 백금 미립자를 부착시키는 회사도 있다.

 

한편 백금을 대신할 촉매를 찾는 연구도 활발하다. 코발트 화합물 등 백금보다 가격이 싼 금속의

화합물 등이 그 후보이다. 또 탄소 원자를 골격으로 하는 나노 소재도 백금 대체 촉매로 연구되고 있다.

오타 교수는 "전세계의 연구자가 백금보다 뛰어난 촉매를 찾고 있다. 그러나 아직 누구도 성공하지

못했다. 그것을 발견한다면 아마 노벨상은 확실한 것으로 보인다"고 말했다.

바이오 연료전지: 백금 불필요! 몸에 넣어도 안전! 바이오로 만드는 새 연료전지

우리의 몸을 이루는 60 조개의 세포. 실은 이 세포 안에 연료전지의 미래라고 할 에너지 생산 장치가

있다. 바로 미토콘드리아이다. 일본 도호쿠 대학 대학원 공학연구과의 니시자와 마쓰히코 교수는 "

미토콘드리아는 포도당 등의 영양분과 산소를 써서 세포 안의 에너지 운반자인 ATP 를 만든다. 그

메커니즘은 포도당에서 전자를 빼앗는 반응과 산소에 전자를 넘겨주는 반응의 조합이다. 결국

연료전지와 아주 비슷하다"고 말한다.

미토콘드리아는 각 반응의 촉매에 백금이 아니라 단백질로 된 촉매, 즉 효소를 쓰고 있다. 그래서

연료전지의 촉매로 백금 대신 효소를 이용하려는 연구가 진행되고 있다. 바이오 연료전지다. 바이오

연료전지에 쓰이는 효소나 연료의 조합에는 다양한 것이 검토되고 있다. 예컨대 연료로 포도당을

사용하는 바이오 연료전지는 보통의 연료전지에 그다지 뒤지지 않는 0.8볼트 정도의 기전력을 얻는다.

바이오 연료전지에는 보통의 연료전지에는 없는 이점이 많다. 우선 단백질이 주성분이기 때문에 몸

속에 넣어도 안전하다는 점이다. 쓰고 버리기에도 적합하다. 더욱이 단백질은 대량생산이 가능하므로

비용을 특히 낮출 수 있다.

그리고 중요한 것은 효소가 특정 물질 밖에는 상대하지 않는 성질(특이성)을 가졌다는 점이다. 그래서

양극에 공급하는 용액과 음극에 공급하는 용액을 구별할 필요가 없어진다. 더욱이 용액 중에 불순물이

있어도 발전효율은 영향을 받지 않는다. 실제로 오렌지 주스나 혈액 등을 그대로 써서 발전할 수

있음이 확인되었다. 니시자와 교수는 "바이오 연료전지는 발전 능력에서는 다른 연료전지에

뒤떨어진다. 그러나 소형이고 안전한 연료전지(한 번 쓰고 버리는 것)로서의 이용이 기대된다. 발전

성능이 향상된다면 앞으로 혈액 중의 포도당으로 움직이는 의료 기구가 만들어질지도 모른다. 주스로

움직이는 노트북 컴퓨터도 원리적으로 가능하다"고 말한다.

최대의 과제는 효소의 내구성이다. 현재는 효소가 몇 주일 정도 만에 열화(변질되고 성능이 저하되는

현상)되고 만다. 수십 년 동안 몸 안에 들어 있는 심장 박동기 등에 넣기 위해서는 내구성의 비약적인

향상이 필요하다.

연료전지 Q&A

Q1. 휴대전화나 자동차, 가정용 전원 이외에 연료전지를 써서 편리해지는 도구에 어떤 것이 있나?

 

하나의 예로 전동 휠체어를 들 수 있다. 현재의 전동 휠체어는 1 회 충전으로 약 5 시간 정도밖에

움직이지 않는다. 일상생활에서는 그런대로 쓸 수 있지만 먼 곳으로 여행을 가는 경우 등에는

불편하다. 그러나 전동 휠체어에 연료전지가 실리게 되면 현재의 2 배 가량 오래 쓸 수 있다. 더욱이

연료를 가지고 간다면 장기간의 여행에도 전동 휠체어를 이용할 수 있다. 또 청소기나 다리미, 프린터

등의 전기제품에 연료전지를 쓰는 것도 이상한 일이 아니다. 그밖에 상상도 못한 분야에서 연료전지의

사용방법을 생각해내는 사람이 나타날 것이다.

Q2. 연료전지는 세계적으로 주목되고 있나?

원유 가격이 폭등하면서 세계가 연료전지에 주목하고 있다. 특히 세계에서 가장 엄격한 배기가스

기준을 적용하는 미국 캘리포니아나 올림픽 개최를 눈앞에 두고 자기 나라의 연료전지 기술을 세계에

알리고 싶어하는 중국, 그리고 캐나다 등지에서는 개발이 활기차게 진행되고 있다고 한다.

Q3. 수소라고 하면 폭발하기 쉬운 위험한 물질이라는 이미지가 있다. 그것을 차게 싣고 달린다면

위험하지 않을까?

폭발 위험이 있고 취급할 때 특히 주의해야 하는 것은 수소뿐만이 아니다. 휘발유 등 현재의 연료도

마찬가지다. 단 우주왕복선이나 H-IIA 로켓의 연료로도 쓰이는 데에서 알 수 있듯이 수소는 분명히

불타기 쉽고 폭발적인 연소 에너지를 발생시키는 물질이다. 연료전지 자동차가 안전한 탈 것으로 널리

인정되기 위해서는 수소의 안전성을 확보하는 일이 중요하다. 그래서 이제까지 수많은 검증 실험이

이루어지고 있다. 예컨대 교통사고 등의 충격으로 고압 수소탱크에 구멍이 나는 경우 수소는 어느

정도의 거리까지 뿜어지는지 또는 불이 붙은 경우에 불꽃은 어디까지 퍼지는지 등 여러 가지 검증

데이터를 모으고 있다. 이들의 결과에서 나오는 엄격한 안전기준이 수소탱크에 적용된다. 현재의 기술

수준으로도 수소를 안전하게 이용할 수 있다고 한다.

Q4. 수소 가스는 낮은 가격으로 얻을 수 있나? 만일 휘발유보다 비싸다면 아무도 연료전지 자동차를

타려고 하지 않을 것이다.

2006 년 9 월 현재 일본의 수소 보급소는 10 개가 있다. 그런데 수소의 가격은 아직 사용자에게 적합한

수준이 아니어서 나라의 보조사업으로 무상 보급하고 있다. 현재는 수소가 휘발유보다 훨씬 비싸다. 

일본의 경제산업성은 2020 년 무렵의 수소 소비가격을 1kg 에 4,500 원 정도로 설정하고 있다. 이것이

실현된다면 500km 의 거리를 달리는데 필요한 수소(5kg)의 가격은 22,500 원이 된다. 같은 거리를

달리는데 필요한 휘발유(50L)의 현재가격의 1/3 정도이다. 수소 가격의 인하 그리고 정말 깨끗한 수소

에너지 사회를 실현하려면 화석연료에 의존하는 현재의 수소 제조방식에서 풍력 등의 자연 에너지를

이용한 수소 제조방식으로 빨리 바꾸어야 한다.

Q5. 연료전지 자동차를 지금 살 수 있나?

일본에서는 도요타, 혼다, 닛산 자동차 등이 연료전지 자동차를 리스 판매하고 있다. 각 회사의

연료전지 자동차 대여료는 한 달에 1,000 만원 전후다. 단 판매대상을 관공서나 에너지 기업 등에

한정하고 있다. 일반인에 대한 판매는 빨라야 2010 년 이후가 될 전망이다.

Q6. 연료전지는 이산화탄소를 배출하지 않는다고 한다. 그러나 실제로는 이산화탄소를 배출하는 것도

있다. 연료전지를 정말 깨끗한가?

순수한 수소를 연료로 쓴 연료전지는 물밖에 배출하지 않는다. 지구온난화를 촉진한다는

이산화탄소는 전혀 배출하지 않는다. 그러나 화석연료를 내부의 개질기로 변환해서 쓰는 유형의

연료전지(예컨대 가정용 연료전지)는 화석연료를 개질하는 과정에서 이산화탄소를 배출한다. 단, 열

이용을 포함한 종합적 에너지 효율이 종래의 발전보다 높다. 그래서 가정용 연료전지를 도입하면

이산화탄소 배출량을 약 30% 줄일 수 있다. 이산화탄소의 배출이 0 은 아니지만 줄이는 데는 크게

기여한다.

Q7. 메탄올을 사용하는 DMFC 도 이산화탄소를 배출하나?

그렇다. 더욱이 환경기준 이하이지만, DMFC 는 포름알데히드나 포름산(개미산) 등의 유해한 메탄올

분해물도 배출한다. 메탄올 자체도 유독성이다. DMFC 에서는 이들 유해물질을 배출하지 않는 연구가

이루어지고 있다. 같은 액체연료라도 생물자원에서 나오는 더욱 위험성이 적은 에탄올을 연료전지에

사용하려는 연구가 일부에서 시작되고 있다. 연료전지는 결코 완성된 기술이 아니다. 대개의 기술이

그러하듯이 연료전지도 다양한 과제를 극복하기 위한 비약적인 전진을 기다리고 있다.

[출처]연료전지의 모든 것|작성자 둥근해