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휴대용 소형 연료전지
2004. 11
목 차
Ｉ. 서 론 ·························································································21
Ⅱ. 본 론 ························································································22
1. 원 리 ······················································································· 22
2. 기술개발동향 ··········································································· 25
3. 국내외 소형 휴대용 연료전지 개발 동향 ······························ 32
4. 시장 동향 ················································································ 39
Ⅲ. 결 론 ························································································41
∙참고문헌 ······················································································43
21
휴대용 소형 연료전지
I. 서 론
21세기를 맞이할 때 거의 모든 자동차기업들이 연료전지 자동차
개발에 나서고 있는 것을 시작으로, 발전 설비 및 서비스 기업, 에
너지기업, 전기·전자 기업, 화학기업들도 직간접적으로 연료전지
개발 및 실용화에 속속 참여하고 있다. 과거 소외당했던 연료전지
가 주목받게 된 이유는 첫째 전 세계적으로 확산되고 있는 환경오
염 규제 강화와 전력산업의 규제 완화 추이이다. 환경규제측면의
대표적인 예로써 2003년부터 미국 캘리포니아 주에서 시행될 예정
인 무공해차량(ZEV, Zero Emission Vehicle) 판매 의무화 조치를
들 수 있다. 기후변화방지 협약에 의한 이산화탄소 배출 감소 요구
와 맞물려 이의 규제력은 점점 더 커지고 있다.
전력산업의 규제완화에 있어서는 미국정부가 전력생산의 비용을
절감하기 위해 분산형 전력공급시스템의 도입을 발표한 것이다 그
후 연료전지는 최적의 대안으로써 자리매김 하고 있으며, 이는 기
업들의 투자열기를 통해서 이미 간접적으로 증명되고 있다.
최근 들어 휴대폰, PDA, 노트북 PC, 캠코더 등과 같은 전자기기
들의 디지털화를 기반으로 가정내 설치용에서 벗어나 휴대용으로
써 점차적으로 생산과 수요가 증가되어 가고 있으며, 이들의 기능
과 성능, 장시간의 가동이 요구되면서, 현재 100Wh/L 정도의 에너
지밀도를 가지고 있는 이차전지들의 용량의 한계성이 드러나게 되
었다. 따라서 더 큰 에너지 밀도의 새로운 배터리가 필요로 하게
되었고 그 대안으로써 소형 연료전지가 등장하게 된 것이다.
연료전지는 기존의 열기관에 비해 3∼4배에 해당하는 높은 에너
지 변환효율을(40-60%) 가지고 있다. 환경친화성이 높아 작동 시
소음, 오염기체 분진이 기존 내연기관에서보다 훨씬 적다. 연료의
선택이 다양하여 필요에 따라 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
연료전지가 지닌 다양한 장점으로 미루어 볼 때 연료전지의 시장
잠재력은 크다 할 수 있으며, 아직은 시장형성이 구체화 되지는 않
았지만, 대략 5∼10년 후엔 기존의 전원시장의 상당부분을 차지할
것으로 예상된다.
Ⅱ. 본 론
1. 원 리
연료전지란 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환
되어 직류 전류를 생산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로 정의되며, 종
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래의 전지와는 다르게 외부에서 연료와 공기를 공급하여 연속적으
로 전기를 생산하는 것을 말한다.
연료전지는 기본적으로 양극, 음극, 전해질로 구성되어 있으며,
전해질의 종류에 따라 인산형(phosphoric acid fuel cell: PAFC), 알
카리형 (alkaline fuel cell: AFC), 고분자 전해질형(polymer
electrolyte membrane fuel cell: PEMFC), 용융탄산염형(molten
carbonate fuel cell: MCFC), 그리고 고체산화물형(solid oxide fuel
cell: SOFC), 직접메탄올형(direct methanol fuel cell: DMFC)으로
분류된다. 이중 AFC, PAFC 등은 양극에 고순도 수소를 공급해야
하고 탄화수소나 알코올연료를 사용하는 경우 외부의 개질기를 달
아 수소변환 공정을 거치면서, 시스템이 복잡해지고, 효율이 저하됨
에 따라, 소형연료전지들은 전해질의 공정이 용이하여야하기 때문
에 주로 DMFC 일부는 연료를 메탄올대신 수소를 이용하여 새로
공급 장치를 붙인 PEMFC나 가끔씩 SOFC가 그 자리를 차지하고
있다.
연료전지의 원리를 DMFC를 대상으로 하여 설명해보면, <그림
1>은 DMFC의 원리 및 전기화학반응을 보여주고 있다. 직접 메탄
올 연료전지의 전기화학반응은 전해질-전극 접합체에서 이루어진
다. 애노드에서 반응물인 메탄올 용액은 애노드 전극 내 촉매층에
서 산화반응을 통해 수소이온과 전자 및 이산화탄소를 생성한다.
이때 생성된 수소이온은 수소이온 교환막인 전해질을 통해 캐소드
전극으로 이동하고 생성된 전자는 집전체를 통해 외부회로를 거친
후 캐소드의 집전체로 이동한다. 캐소드 전극에서는 애노드 전극에
서 이동한 수소이온과 전자 및 반응물인 산소와의 환원반응에 의해
물을 생성시킨다. 애노드와 캐소드의 반응식은 다음과 같다.
Anode：CH3OH + H2O =CO2 + 6H+ + 6e (1)
Cathode：1.5O2 + 6H+ + 6e = 3H2O (2)
Overall：CH3OH + 1.5O2 =CO2 + 2H2O, Eo = 1.18V (3)
여기서 나오는 이론적인 기전력은 1.18볼트가 된다. 전해질막으
로는 수소이온전도성을 가지는 고분자 분리막으로써 가장 많이 쓰
이는 것은 perfluorosulfonic 산계통의 나피온(DuPont)이다.
<그림 1> A shematic representation of the reactions in a DMFC
Membrane &Eletrode Assembly (MEA)
Anode Catalyst Layer Cathode Catalyst Layer
O or Air2
H O2
CO2
CH OH + H O3 2
End PlateCurrent Collector (and /or Flow channel)
Gasket
Diffusion Layer
GasketEnd Plate
H+
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DMFC의 가장 큰 잠재력은 연료인 메탄올을 연료전지에 직접
공급하는 데에 있다. 그러므로 상업화에 있어서 휴대용 연료전지의
연료로 선택되는데 유리하다. 최근 일본의 경제통상 산업성은 소형
연료전지에 수소를 공급하는 가장 가능성 높은 방법으로 메탄올을
선택하였다. 다른 대안으로는 PEMFC에 사용하는 금속 수소화물
용기, 압축 수소 실린더, 나트륨 붕화수소화물 같은 화학수소화물
등이다.
DMFC는 저장과 운반이 곤란한 수소를 직접적으로 필요하지 않
으며 수소를 많이 포함하는 개질가스를 만드는 복잡한 장치가 필요
로 하지 않음으로 해서 일회용 충전용기화가 가능하고 장치가 간단
해지는 것이다. 하지만 전극촉매의 성능이 불충분하며 연료극에서
촉매가 CO에 피독 되는 위험성이 있고, 메탄올의 크로스오버로 효
율이 저하되는 단점도 가지고 있다. 또한 메탄올 자체가 가지고 있
는 독성과 사용과 공급에 있어서 수정하거나 신설해 야 될 규제들
이 남아있다. 그러므로 500W이상뿐만 아니라 그 이하의 출력에서
도 PEMFC가 더 유리하다는 설도 나오고 있으며, 순수 수소를 연
료로 사용하므로 적은 양의 백금을 사용하고도 전력의 출력효율이
높다는 이점을 가지고 있다.
2. 기술개발동향
휴대형 연료전지의 핵심기술로는 전극 및 촉매 기술, 전해질고분
자막 제조기술, MEA, 분리판 제조기술이다. 각 기술의 서술과 동
향은 아래와 같다.
(1) 전극 및 촉매 기술
전극은 촉매층과 지지층으로 구성되며, 촉매로는 백금이 가장 활
성이 높은 물질로써, 음극(연료극)에서 메탄올의 산화성이 가장 높
아 단독으로 사용되었으나, CO에 대한 피독이 문제가 되어 최근에
는 Pt와 Ru, Fe, Co, Ni, Mo등과의 합금촉매의 개발연구가 진행 중
에 있다.
Pt와 같은 귀금속은 가격을 줄이려면 카본지지층에 나노파티클
화(2-3nm)를 통해 얇은 두께층(50um)를 유지하면서 촉매의 표면
적을 크게 하면서 촉매사용량을 줄이는 것이 주요과제이다. 현재
Pt의 사용량은 0.1-0.5mg Pt/㎠이며 초임계추출법과 탄화법을 이
용하여 사용량을 13∼23 ㎍ Pt/㎠ 까지 줄인 연구가 보고 되어 있
다.(1) 또한 지지층과의 접촉성을 증가시키기 위하여 ionomer를 적
절히 포함시켜 성능을 증대시키는 노력이 이루어지고 있다.
(2) 전해질고분자막 제조기술
고체 전해질막은 화학적 안정성이 우수하고 이온전도도가 높아
야하며 얇은 두께에 있어서도 내구성이 좋아야한다. 현재 per-
fluorosulfonic acid막이 막의 재료로 주를 이루고 있으며, 대표적인
고분자 전해질막은 Dupont사의 Nafion이다.
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<표 1> Characteristics of the various proton exchange membranes
Membrane Manufacturer Equiv. Weight g/mol SO3
Thickness(dry), (㎛)
Water content(%)
Conductivity(S/㎝)
Nafion-115 DuPont 1,100 100 34 0.059
XUS Dow Chemical 800 125 54 0.114
Aciplex-S1102 Asahi Chemical 1025 50 30 0.108
Flemmion-S Asahi Glass 1,000 50 38 0.079
Gore-Select W.L. Gore 1,100 20 32 0.53
<표 1>에 상업화된 고분자 전해질막의 특성을 나타내었다. 일본
의 아사히 카세이(Asahi Kasei)의 Aciplex, 아사히 글라스의
Flemion등도 이러한 불소계 메인 구조에 sulfonic acid기를 측쇄로
가지고 있는 것으로써 측쇄기가 수화되어 나노미터 크기의 micelle
의 구조가 수소이온의 통로역할을 한다. 수소이온은 H3O+ 형태로
물과 결합하여 막을 통과하게 되므로 양극쪽의 막의 수화는 필수적
이다. 따라서 DMFC에 있어서는 막의 수화를 위해서도 순수한 메
탄올을 공급하지 못하고 약 5-6 wt% 정도의 메탄올 수용액을 연
료로 사용하는데 극성의 메탄올이 물과 같이 막을 통과하여(cross
over) 과전압발생으로 인한 출력저하와 연료손실을 가져오게 된다.
또한 불소의 가격과 치환 공정의 비용이 높으므로 가격이 저렴하며
동시에 안정성을 주는 Polyethersulfone, poly- etheretherketone,
polyphenylquinoxaline, polybenzimidazole 등과 같은 탄화수소 막
의 개발과 저가습 혹은 무가습 막, 고온용 막 개발의 연구가 진행
중에 있다.
(3) MEA 기술
전해질 전극접합체 (membrane & electrode assembly)는
PEMFC에 있어서 상용화된 것 중 엔 W.L. Gore & Associates의
Primea가 가장 좋은 성능을 보이고 있고 여기 Gore-Select 전해질
막의 양쪽에 전극물질을 도포한 구조이다. 두께 10-30 ㎛에서도 훌
륭한 기계적강도와 이온전도성을 가지고 있으며 그밖에 Du Pont,
3M, E-Tek, Johnson Matteny, Ballad power Systems는 자체
MEA를 생산하고 있다. MEA의 제조방법은 지지체 역활을 하는
탄소재료에 촉매를 고정시켜 전해질막과 압착하여 결합하는 분리
전극법과, 전해질 막에 촉매를 고정시키는 rolling 법, printing법 등
을 이용하여 촉매를 고정시키는 직접전극을 만드는 법이 있다.
(4) 분리판(bipolar plate) 기술
분리판은 양극, 음극에 산소 연료를 각각 공급시키고, 두 전극사
이의 기전력을 유지하며, 가스유로의 역할을 하는 전기전도성 판이
다. 또한 전자를 다음 셀로 전도해주는 집전판 역할도 한다. 분리판
의 조건은 전기전도도가 높아야하고 내부식성이 우수하며 낮은 기
체투과도, 기계적강도와 열전도성이 높아야한다. 분리판의 재료 및
제조는 초기엔 tantalum, niobium, titanium과 같은 귀금속의 가공
에서 저중량, 저부피, 낮은 가격의 조건을 충족시킬 수 있는 전기전
도성 분말과 고분자 수지, 흑연 등이 혼합, 성형하여 복합 분리판
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형태로 제조하는 방법으로 변화하고 있다. 연료전지의 핵심부품인
전기전도성의 분리판은 Premix, Plugpower에서 생산하고 있으며,
국내에서는 가람카본, 승림카본, 대양산업, 일도 등에서 흑연괴를
수입하여 흑연 분리판을 제조하고 있고 복합 분리판에 대한 연구는
한국타이어 등에서 수행하고 있으나 아직 기초적인 단계에 머물러
있다.
<표 2> Technique competitive power of domestic fuel cell
부품명 부품설계능력 생산설비수준 생산기술수준 품질경쟁력 종 합
MEA 30 20 20 - 23
분리판 40 40 40 - 40
스택 30 30 30 - 30
개질기 50 50 50 - 50
시스템 37 42 35 - 38
연료전지 종합 37 36 35 - 36
자료: 상업은행 연료전지 산업동향
연료전지는 선진국이 조기 실용화하여 세계시장을 선점하려하고
있어서 선진업체간의 경쟁이 치열하며 국내업체의 부품설계능력,
생산설비수준, 생산기술수준은 미국, 일본에 비해 열위이며, 국내
기술경쟁력을 해외기술력 100을 기준으로 볼 때 앞의 <표 2>와 같
이 나타냈다.
(5) 실리콘 연료전지
실리콘 기판에 반도체의 식각공정을 응용하여 유로를 형성시키
고 박막증착공정을 이용하여 MEA를 형성시켜 비교적 저 전력인
수백에서 수 mW의 용도에서 개발 중인 연료전지로써 silicon fuel
cell, silicon-based fuel cell, 또는 마이크로라는 이름을 따서 μ-fuel
cell이라고도 칭한다. 이 μ-fuel cell은 휴대폰 같은 소형 디지털 장
치의 소규모전원의 용도로써 개발 중이며, 기존의 연료전지와 비교
할 때 전해질 막과 전극간의 거리 및 물질 확산의 경로를 최소화함
으로써, 전해질 막과 전극간의 저항을 줄이고, 출력밀도를 최대화
하는데 목적이 있다.
μ-fuel cell의 상용화의 사례는 아직까지는 없으나 Lawrence
Livemore Nat. Lab, Bell Lab, Lucent Technologies, 미네소타대학,
Sandia National Lab등이 각자의 독특한 MEA 설계구조를 고안하
여 연구 중에 있다.
Fraunhofer Institute 에서는 MEMS기술을 이용하여 1㎠의 평면
형 연료전지를 개발하였으며, 그 출력이 80mW/㎠ 보고 되고 있다
[2]. 일본의 와세대 대학에서도 photolithography, deep reactive ion
etching, 과 전자빔 증착법을 이용하여 활성면적 0.018㎠의 μ
-DMFC를 개발하였고 출력은 미약하나 더 작은 연료전지의 제조
가능성을 제시한 바 있다[3](<그림 2>).
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<그림 2> Picture of the fabricate μ-DMFC prototype: One-cent coin
is shown for scaling reference.
현재는 그 상용가능성을 살펴보는 수준이며. 개발 중 극복해야 할
문제로써, MEA 자체의 성능이 향상되어 전극면적을 획기적으로
감소시킬 수 있어야 하며, 연료와 공기를 공급하는데 필요한 펌프의
소형화가 이루어져야 한다. 펌프의 소형화 연구에 관해서는 최근
Georgia Institute of Technology에서는 1㎖의 연료부피급 소형연료
전지에 적용되는 연료이송 펌프를 Linear actuation pump와 rotary
actuation pump를 함께 개발하였는데, 각 부품은 sterolithograpy법
을 이용한 몰딩기법으로 제조하여 내화학성을 높이기 위해 수 ㎛두
께의 파릴렌을 코팅하였다. linear actuation pump의 경우 이송압력
6.5psig, 크기는 17mm 지름에 40mm의 높이를 가지고 있으며
rotary actuation pump의 경우, 40mm 지름 24mm 높이를 가지고
있다. <그림 3> 펌프 구동시 연료압력의 변화를 유발시키는 마찰력
을 최소화 되어야하는데 40μ LPH에서 linear pump의 경우 8%내
외 이었으며 rotary pump의 경우는 무시할 만큼 마찰력을 최소화
하였다[4].
<그림 3> Assembly scheme (a) and prototype (b) of linear actuation
pump and rotary actuation pump respectively. (저온연료전지연구센터)
3. 국내외 소형 휴대용 연료전지 개발 동향
Ballard Power Systems(캐나다)는 텔레비전과 VCR의 구동에
이용된 100W 시스템을 포함하여 많은 수의 휴대용 연료전지 시스
템을 시범운전 하였다. 현재 1.2kW 운전수명 1,500시간, PEM방식
의 Nexa 시스템의 상업화에 집중하고 있는데 이것은 다양한 수요
자의 욕구에 따라 OEM 방식으로 공급하려고 고안되었다. 또한 일
본의 Evara와 손잡고 소형 정지형 전지를 개발 중이며 2004년의
일본시장을 공략중이다(<그림 4>).
<그림 4> Nexa unit acting as stationary and potable power generation
[source: http://www.ballard.com/pdfs/power gen/NexaSpecSheet.pdf]
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Manhattan Scientifics(미국)는 일반 소비자나 산업용으로 사용
할 수 있는 마이크로 연료전지를 Energy Related Devices(ERD,미
국)와 함께 개발하고 있다. 소형의 많은 고분자 연료전지와 직접메
탄올 연료전지 시스템 시제품을 개발하였는데 핸드폰에 사용할 외
장형 소형 충전기가 일차적인 목표이다. 예상보다 개발이 지연되고
는 있으나 개발을 계속하고 있다. ERD는 또한 마이크로 연료전지
를 위한 연료 카트리지를 개발하고 있다. 현재 700W의 NovArs 프
로토타입 연료 전지 시스템을 미 육군에 납품하고 있다.
MTI Micro Fuel Cells(미국)는 마이크로 연료전지 기술을 개발
하기 위해 2001년에 Mechanical Technology의 자회사로 만들어졌
다. 초기에 LANL의 직접메탄올 연료전지 기술을 라이선스 받아
이용하고 있다. DMFC용 휴대용 하이브리드 연료전지를 2001년에
프로토 타입을 발표하였으며 현재 3번째 수정안이 나왔다. 2004년
에 첫 번째 제품을 팔 계획인데 가정용, 상업용, 군용으로 사용될
핸드폰, 노트북, PDA에 적용하려고 한다.
Motorola는 휴대 전화, 랩톱 컴퓨터를 포함하는 휴대용전자기기
들을 강화하기 위해 소형 연료 전지 기술을 개발하고 있다. 현재
100mW 규모의 세라믹기반 DMFC 개발 중이며 1W급의 출력을 목
표로 하고 있다(<그림 5>).
<그림 5> Power pack with cell phone. [source:
[http://www.medistechnologies.com/products.asp]
Medis Technologies(미국/이스라엘)는 휴대용 전자기기에 사용
할 직접에탄올 연료전지를 개발하고 있다. 액체 전해질을 사용하는
독특한 디자인으로 많은 시제품을 시범운전 하였는데 대표적인 것
이 Power Pack이라 불리는 320g의 무게, 80×55×30mm의 부피,
1.5W 용량의 휴대폰 충전기이다. 휴대폰이나 PDA를 구동하거나
충전하는데 사용할 보조전원으로 사용되며, 휴대폰에서 9시간의 통
화할 수 있는 연료 카트리지는 가능하게 하는 연료를 공급할 수 있
다. 2005년에 첫 번째 제품이 선보일 것이다. 또한 군대용 연료전지
시장에도 관심을 가지고 있는데 2002년 6월에 미국의 General
Dynamics와 미 육군 병사들이 사용할 이동형 연료전지 배터리충
전기를 공동개발하기로 계약했다. 초기 시제품은 2004년에 필드 테
스트 할 예정이다.
Casio(일본)는 노트북과 PDA에 사용할 메탄올 개질기를 이용한
고분자 연료전지를 개발하고 있다. 2002년에 카시오 노트북
(Cassiopeia FIVA)을 리튬 이온 배터리보다 4배나 긴 20시간 이상
을 운전할 수 있는 시제품을 선보였다. 카시오의 연료전지는 고유
한 우표만한 크기의 메탄올 개질기를 사용하는데 그 촉매는
Kagakuin 대학교와 공동으로 개발한 것으로 실리콘 웨이퍼 박막위
에 담지 되었고 카시오의 반도체 마이크로 공정기술을 응용한 것이
다. 이들은 모두 2004년에 상용화를 목표로 하고 있다.
Fraunhofer Initiative(독일)는 2000년에 휴대용 소형 연료전지에
쓰일 혁신적인 에너지 시스템을 개발하기 위해 5개의 연구소를 합
쳐 만들었다. 그 중의 하나인Fraunhofer Institute for Solar Energy
휴대용 소형 연료전지 35
Systems(ISE)는 여러 개의 시제품을 개발하고 시범운전 하였는데
대표적인 것이 LG Caltex Oil(한국) 및 한미 조인트 벤처인 Clean
Energy Technologies Inc(CETI)와 공동으로 개발한 연료전지 노
트북인데 2002년에 선보였다. 최근에 전문가용 캠코더에 사용될 고
분자 연료전지 시스템을 개발하였는데 2003년 4월에 하노버페어에
전시되었다(<그림 6>).
<그림 6> A completely laptop-integrated fuel cell system with a power of 50W
[source: http://www.ballard.com/pdfs/power gen/NexaSpecSheet.pdf]
그리고 서브 와트급의 평판형 연료전지, 외장형 전원 공급 시스
템, 소형 연료전지의 대량 생산 기술 등을 연구하고 있다. 2002년
하노버페어에서 자동화 조립라인의 시제품을 선보였는데 소형 연
료전지의 조립을 위한 세계 최초의 디자인이었다.
Giner Electrochemical Systems는 미국 육군연구소와의 계약 하
에 150W와 50W 직접메탄올 연료전지 시스템을 개발하였다. 빠른
연료교환, 신뢰성, 튼튼함을 가진 150W 시스템이 미 육군에서 휴
대용 배터리 충전기로 사용될 것인데 상업적으로나 군사적인 용도
로 널리 적용할 수 있다. 두 가지 시스템은 모두 메탄올 크로스오
버를 혁신적으로 줄인 막과 고유의 몰딩형 분리판을 사용하였다.
그리고 상압, 60도에서 운전되었다. 지난해에도 미 육군과 자체 예
산으로 개발을 계속하였다.
Hitachi(일본)은 휴대용 전자기기에 쓸 DMFC를 개발하고 있다.
거의 알려져 있는 것이 없지만 2002년 3월에 Fuel Cells Bulletin이
발표한 바에 따르면 10시간 이상 노트북을 구동할 수 있는 직접메
탄올 연료전지를 개발하였다고 한다. 2002년 6월 휴대폰과 노트북
을 위한 소형 연료전지 개발을 새로운 나노기술 연구개발 그룹이
맡게 될 것이라고 발표했다. 그 후로 일본 산업전에서 시범운전을
하였고 노트북, 핸드폰 같은 휴대용 기기를 위한 표준을 만들기 위
해 다른 기업들과 컨소시엄을 만들었다.
NEC(일본)은 나노혼이라 불리는 카본 나노튜브를 전극으로 사
용한 DMFC를 개발하였다고 2001년 발표하였고, 기존전지의 20%
정도의 부피를 축소시키면서 50mW/㎠의 높은 출력밀도와 12W 전
력을 공급하는 연료전지를 탑재한 노트북을 2003년에 발표하여 고
2004년에 대량 생산할 계획이다. 또한 2005년까지 40시간 이상을
버틸 수 있는 연료전지의 탑재를 목표로 하고 있다. 최근에는 3W
직접메탄올 연료전지를 사용한 휴대폰을 시범운전 하기도 하였다.
이것은 기존의 휴대폰과 크기에 있어 차이가 없다.
Polyfuel(미국)은 SRI International에서 분사하여 무선 휴대용 기
기에 사용되는 리튬 이온 배터리를 대체할 직접메탄올 연료전지를
휴대용 소형 연료전지 37
개발하고 있으며 촉매가 코팅된 전해질 막이 이 시스템의 핵심기술
이다. 세계에서 최초로 휴대폰에 사용되는 리튬 이온 배터리를 대
체할 직접메탄올 연료전지 시제품을 만들었는데 현재는 기존 배터
리의 2∼3배의 에너지 용량을 가지는 제품을 만들고 있다.
Smart Fuel Cell(독일)은 휴대용 직접메탄올 연료전지 시스템을
주축으로 이동형 사무기기에 사용할 소형의 수십W 규모의 직접메
탄올 연료전지가 개발되었고 Medion과 같이 노트북 의 도킹스테이
션이나, Consol Case Solutions와 연료전지 시스템을 개발하고 있
다. 현재 대표제품인 SFC A25는 휴대용 보조 전원으로써 25W급
으로 50시간의 운전이 가능하다.
Toshiba(일본)는 DMFC시제품을 탑재한 PDA에서 고농도 메탄
올을 스텍내에서 발생하는 물과 혼합 희석시키는 방식으로 연료탱
크의 부피를 1/10정도로 획기적으로 줄이는 방식을 고안했으며, 연
료전지를 탑재한 노트북 PC를 시연하였는데 전압 11V, 출력 평균
12W, 최대 20W, 50cc의 연료로 5시간 구동할 수 있었다. 셀에서
부터 DC-DC 컨버터에 이르기까지 거의 모든 부품이 소형화를 이
루었고, 저전력용 송액, 송기펌프, 센서들이 새로 개발되었다.
Sony(일본)는 2001년 8월에 새장형태의 탄소 분자인 fullerene을
전해질로 이용한 연료전지를 개발 하여 연료전지의 크기를 줄일 수
있다고 발표하였는데, 이 물질을 사용하여 소니의 Frontier Science
Laboratories division은 무가습으로 1.2V의 전기를 만들 수 있는
신용카드 크기의 고분자 연료전지를 개발하였다.
삼성기술원(SAIT, 한국)은 1999년에는 충전 없이 6시간을 가동
하는 40W 고분자 연료전지를 이용하는 노트북을 개발하였다. 직
접메탄올 연료전지에 사용할 막과 MEA 및 이것을 이용한 시스템
개발을 진행 중이다. 2002년 5월에는 직접메탄올 연료전지를 내장
한 신용카드(6×8×1㎝)보다 조금 큰 핸드폰을 개발하였다. 연료는
잉크 카트리지 같은 용기에 담겨져 있으며 출력은 2W, 최대출력
2.6W이다. 전해질 막의 개량하여 메탄올 크로스오버를 나피온막
대비 30%까지 줄인 프로톤 전도성 무기층을 접목시킨 하이브리드
막의 개발이 진해중이며, MEMS기반의 MEA의 개발 또한 진행
중에 있다.
KIST에서는 2001년부터 silicon fuel cell의 연구가 시작되었으며,
촉매, 고분자, 박막제조공정, 마이크로 시스템의 연구가 진행 중에
있다. 또한 DMFC관련 5W급 이하의 휴대용 전원개발과 대용량의
고성능 전극 및 스택개발에 관한 연구 성과는 40mW/㎠의 최대출
력밀도를 내고 있으며, 1.1W급 모노스택을 제작하여 무전기를 가
동하는데 성공했다.
그밖에 한국에너지기술연구원에서는 5KW급 가정용전원연료전
지를 개발하였으며, 엘지 칼텍스 정유의 자회사인 CETI는 Dias-
Analytic Corp.와 협력하여 가정용 1.5KW급 가정용 연료전지를 개
발 완료하였고, Fraunhofer Institute와 협력하여 100W급 이하의
소형 배터리를 개발 중이다.
휴대용 소형 연료전지 39
4. 시장 동향
휴대용 연료전지의 개발 활동정도를 보면 대부분이 북미(주로 미
국)에서 이루어지고 있지만 그 이유는 정부지원프로그램에 북미회
사의 대부분이 관여하고 있으며 프로젝트기반으로 단지 몇 개의 시
제품만을 내고 있는 실정이다. 하지만 일본의 경우는 전자기기 생
산 기업을 위주로 일반소비자를 위해 기존기기의 탑재형으로 개발
하여 2004년에서 2005년엔 대량 생산을 계획하고 있으며, 거의 모
든 일본회사들은 노트북과 다른 휴대기기를 위한 하나의 표준을 만
드는데 참여한 실정이다. 그러므로 일단 수요가 확대되고 제품으로
써의 규제가 풀리면 일본의 기업에서 시장의 선점의 가능성도 크다
고 할 수 있다(<표 3>).
<표 3> Worldwide Fuel cell potential adoption aggressive forecast
(Million of $)
연도용도
2004 2005 2006 2007 2008 2009종합적연간신장률(%)
전지충전기 346 393 413 442 477 501 7.7
휴대전화 185 547 1,223 2,331 2,753 2,750 71.6
노트북 PC 80 249 573 1,165 1,463 1,547 80.7
PDA 19 63 153 341 472 544 94.7
디지털카메라 9 30 75 178 260 317 104.6
캠코더 13.7 43.1 99.0 207.6 274.7 301.3 85.6
용도별로 따져보면, 먼저 군용제품에서 배터리를 대체할 것으로
예상된다. 군용의 시스템은 고가이고 고성능으로 인해 큰 전력밀
도, 가벼운 중량을 요구함으로써 연료전지가 이에 부합할 수 있다.
정숙성, 청정에너지를 요구하는 곳에서는 가격이 고가이어도 휴
대용발전기로써의 틈새시장을 공략할 수가 있다. 따라서 배터리 충
전기, 외장형 전력공급 장치 등 에서도 잠재적인 틈새시장이 기대
된다.
일반소비자의 용도로서는 휴대폰 노트북, PDA같은 휴대용 가전
통신기기들에서 기존 리튬이온전지와 경쟁할 수 있다. 휴대폰에서
는 높은 전력밀도는 요구되지 않으나 계속적인 다기능 고가의 휴대
폰이 등장하게 되면 연료전지의 비용을 흡수할 가능성이 있고, 노
트북에서는 이미 기존전지의 4∼5배의 가동시간을 가지게 됨으로
서 더욱더 시장성이 높은 부분이라 하겠다. 그 밖의 PDA, Mp3 플
레이어, 디지털카메라, 캠코더 등에서도 연료전지에 관심을 가지고
있으며 5년 내에 시장이 들어설 것으로 내다보고 있다.
미국 U.S. Fuel Cell Council이 Darnell Group에 위탁하여 수행한
Fuel Cells for Portable Power: Market, Manufacture and
Cost(Jan., 13, 2003)보고서에서 발표된 자료에 의하면, 용도별 휴대
용 연료전지의 긍정적인 시장예상액은 5,962million $로 예상하고
있으며, 각 용도별 시장예상액은 <표 3>과 같이 보고 되었다.
일본의 경우, 98년도에는 휴대폰시장의 급성장으로 리튬이온전
지의 매출급증에 의해 전지시장규모가 3조 엔을 훨씬 능가하였으
며, 2001년 전지세계시장 규모는 납축전지 성장률 연평균 2%, 알
카리 망간전지 연평균 3%성장함을 감안할 때 일본 중앙 리서치센
휴대용 소형 연료전지 41
터에서는 2010년 일본시장규모가 500억 엔/년이 될 것으로 예측하
고 있다.
Ⅲ. 결 론
휴대용연료전지의 개발과 시장에서의 경쟁력을 확보하기 위해서
는 극복해야 될 여러 문제가 존재한다. 국내에서는 비록 단기간의
뛰어난 연구 성장을 이루어 왔으나 대부분이 스택의 개발에만 치중
된 연구에서 벗어나 나노기술을 이용한 소재 개발과 시스템화 연구
에 치중해야 하며, 이를 통해 저렴하고 높은 성능의 연료전지의 개
발이 이루어 져야한다.
전해질 막에 대해서는 고온에 견딜 수 있고, 메탄올의 크로스오
버를 최소화 하여야하며, 기존의 고가의 막소재에서 벗어나 값싸고
성능이 우수한 새로운 소재의 탐구가 이루어져야한다.
촉매에 대해서는 촉매의 내구성과 수명을 크게 하게하면서, 고가
의 촉매의 사용량을 줄이는 나노입자기술을 접목과, CO의 피독을
피해 촉매성능을 극대화 하여야한다.
MEA와 분리판에 있어서는 열 및 물질전달저항, 전해질막과 전
극간의 접촉저항을 줄일 수 있는 최적설계와, 물의 회수, 순환 등을
고려하여야 한다. PEMFC의 경우에서는 효율이 높은 수소저장 기
술의 개발과 수소저장의 안전성을 확보하기 위해 경량 수소 저장재
료를 개발하여야하며 시스템 소형화를 위한 디자인 기술, 패키징
기술, 고효율 전력변환장치 등을 개발하여야만 한다.
연료전지 기술개발은 단순히 대체에너지를 발굴하는 기술이 아
닌 촉매, 고분자, MEMS 등 기술적으로 파급효과가 큰 과제이다.
그러므로 우리나라에서도 휴대용 연료전지의 상용화가 이루어지
려면 장기적으로 투자와 지원을 부여하여야 하는 것은 당연한 일
이라 하겠다.
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