수소에너지 시대의 중심 - 연료전지
수소에너지 시대의 중심 - 연료전지
  • 박중덕 / 화공 통합과정, 첨단에너지환경연구실
  • 승인 2009.09.02 00:48
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

기존 에너지를 대신할 친환경 고효율의 전기 생산 시스템

▲Koycera사, Rolls Royce사, POSTECH의 Stack design
현재 인류가 사용 중인 화석원료는 미래 가용연한이 석유 40년, 석탄 70년 정도밖에 되지 않는 것으로 예측되고 있다. 현재 각광을 받고 있는 재생에너지도 풍력겾쩐映ㅐ?경우 생산 시간의 불연속성으로 인하여 전체 국가에서 소비되는 에너지 중 20% 이상을 공급하는 것이 불가능하며, 전세계적으로 1%가 되지 못하고 있다. 재생에너지의 50~70%를 차지하는 바이오매스 관련 에너지는 식품원료로서의 수요와 수확량의 변동성이나 자원양의 한계성을 가지고 있다. 따라서 이러한 재생에너지가 인류 에너지의 근간이 되기에는 한계가 있다.

한국과 프랑스 등에서 생산비중이 높은 비화석 에너지인 원자력도 사용한 우라늄 원료의 재처리가 배제된다면 가용연한이 70년 정도밖에 되지 않는다. 더구나 최근 중국이 200여 기의 원자력 발전을 계획하고 있어서 장차 경제적인 우라늄 원료의 확보가 쉽지는 않을 전망이다. 향후 석유가 고갈된다면 인류는 단기적으로 석탄을 사용할 것인데, 석탄은 석유보다 칼로리 당 10배의 많은 CO2를 배출하기 때문 중국이나 인도의 산업화에 따른 에너지 사용량의 증가를 고려할 때 향후 CO2 발생량의 급격한 증가에 의한 지구 온난화의 가속은 피할 수 없을 것이다.

이러한 의미에서 본다면 현 정부가 강조하는 저탄소 녹색 성장의 궁극적인 방향은 수소를 연료로 사용하는 수소경제사회의 구현에 있다고 보인다. 수소는 저장과 수송이 다소 어려우나 연소 시 CO2가 전혀 발생하지 않고 물만 생성되기 때문 지구 온난화 문제를 걱정하지 않아도 된다. 그러나 아이러니컬하게도 현재 수소는 석유를 증기로 고온에서 개질하여 CO2를 발생시키면서 얻는다.

◆ 메탄의 개질반응
CH4+H2O → CO+3H2      Methane reforming reaction
CO+H2O → CO2+H2        Water gas shift reaction
CH4+2H2O → CO2+4H2   Total reaction

혹자는 물은 전기분해하면 될 것으로 생각하나 이때 사용되는 전기도 석유·석탄 등을 사용하여 발생시키며, 발생한 전기의 효율은 원 에너지의 1/4정도밖에 되지 않는 최고급 에너지라 이를 사용하여 물은 분해하면 경제성이 없다.

만약 인류가 수소를 값싸게 얻을 수 있다면 개질반응의 역반응에 의해 합성석유도 얻을 수 있다. 이럴 경우 궁극적으로 CO2를 전혀 발생하지 않는 무탄소 수소사회도 가능할 것이며, 과학자들은 이러한 수소경제사회에 30~40년 후 도달할 것으로 예측하고 있다.

수소를 대량으로 값싸게 얻는 방법으로는 현재 단기적으로 풍력겾쩐映?등의 재생에너지의 잉여전기를 사용한 물의 전기분해, 촉매와 태양광을 직접 사용한 물의 광촉매 분해, 원자력 폐열 또는 잉여전기를 이용한 물 분해, 궁극적으로는 핵융합 열에 의한 물의 분해 등이 제시되고 있다. 혹자는 잉여전기를 배터리에 저장해서 사용하는 것을 제시할지 모르나, 인류가 개발한 배터리는 저장용량이 적고(현재 이론적 용량의 95% 값에 근접하여 더 이상 용량이 늘어날 가능성이 거의 없다), 충전 속도가 느려서 대용량의 전기를 저장하기에는 한계가 있다. 따라서 향후 수소의 물리적 또는 화학적 저장방법이 개발되면 수소의 생산 및 저장에 근거한 수소에너지 사회로의 변환이 인류가 나아갈 궁극적인 대안이라고 여겨진다.

연료전지는 이러한 수소를 원료로 하여 전기와 열을 동시에 발생시키는 유일한 동력 장치로서, 1839년에 웨일즈의 법률가이자 물리학자였던 윌리엄 그로브에 의해 처음으로 제안된 이래 지금까지 괄목할 만한 기술발전을 이루어 온 신에너지 기술이다. 연료전지가 여타의 에너지 전환 시스템 기술보다 주목을 받는 이유는 화석연료를 원료로 사용하는 가스터빈·디젤과 같은 기관보다도 에너지 전환 효율이 높은데다가, 수소와 산소를 원료로 사용하므로 배출되는 생산물이 물뿐이어서 친환경적이기 때문이다. 연료전지는 △수소가 유입되면 수소이온으로 활성화되는 음극 △공기 중 산소를 산소이온으로 활성화시키는 양극 △음극과 양극 사이에서 수소이온겾본遠結?또는 산소이온을 전달하는 전해질 층으로 구성되며, 전해질 종류에 따라 여러 종류로 나뉘어진다.

전극으로는 백금과 같은 귀금속을 사용한다. 전해질로는 고분자 막을 사용하며 100℃ 이하에서 작동하는 고분자 전해질 막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 현재 소형 가전제품에서 자동차의 엔진까지 다양한 분야에서 개발 되고 있다. 600℃ 이상의 고온에서 작동하는 용융 탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)는 발전용, 그리고 800℃ 이상에서 사용되는 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)는 소형 가정용 보일러에서 대형 발전용으로 개발되고 있다. 특히 이러한 연료전지 중에서 SOFC는 가장 높은 작동온도와 고체 산화물로 이뤄진 전극 및 전해질을 가지고 있기 때문에 가장 높은 전기 발생효율과 열효율을 가지고 있으나, 현재 다른 연료전지에 비해 기술적 난제들이 많아 개발이 가장 늦다.

SOFC는 800℃ 이상의 고온에서 전극 및 전해질 물질의 전기화학적 물성이 나타나기 때문에 고온에서 운전이 되며, 일반적으로 SOFC 단위셀을 구성하는 물질로는 Perovskite 구조를 가지는 금속산화물들이 환원극(Cathode)으로 쓰이고, Ni과 전해질물질의 합금이 산화극(Anode)으로 사용된다. 전해질 물질로는 산소 이온전도도를 보이는 여러 물질들이 이용되는데, 주로 YSZ라고 불리는 안정화 Zirconia가 널리 쓰인다. 이러한 단위셀의 적층 시 전극층에 연료가스와 공기를 주입하고 단위셀과 이웃한 단위셀을 전기적으로 연결하기 위해 가스 채널이 존재하는 분리판이 단위셀 사이에 사용되는데 일반적으로 금속판에 가스 채널을 가공하여 사용하게 되며, 이러한 분리판의 고온 산소 분위기에서의 노출이 SOFC의 기술적 해결을 어렵게 하고 있다. 이러한 연유로 SOFC는 전통적인 평판형 외에 다양한 비평판형 셀(원통형·주름판형·평관형 등)이 개발되고 있다.

화학공학과의 첨단에너지환경연구실(Frontier Research in Energy & Environment)에서는 Koycera, Rolls Royce 등의 모델보다 설계상 더 우수하고 제조가 간단한 독자적인 모델의 일체형 셀(MEGA 셀, SEGA 셀)들을 고안하여 이를 바탕으로 한 독자적인 국산 고유모델의 개발에 진력하고 있다<그림>. 현재 지식경제부의 원천기술, 대구경북권 선도산업, 산업계와의 협력 등을 통해 관련 원료의 개발 및 합성, 단위셀 제조를 위한 가공기술, 박막형성기술, 그리고 최종 스택의 조립기술 등에 대한 전 과정을 개발 중에 있다.

특히 전극재료의 개발에는 저온형 고활성 물질을 찾거나 나노 구조를 가지는 전극층을 합성하는 연구를 진행하고 있다. 일반적으로 연료인 수소는 메탄과 같은 탄화수소 화합물로부터 개질반응을 통해서 생산되는데, 수소를 효과적으로 생산해내기 위한 개질반응 촉매를 개발하는 일 역시 SOFC 시스템에서 매우 중요하다. 따라서 장기 안정성을 지니는 개질 촉매를 개발하고 최종적으로 이를 음극에 적용하기 위한 연구도 수행하고 있다.

에너지 자립도가 낮은 우리나라의 현실을 고려하면 신재생 에너지 및 고효율의 에너지 생산 시스템 개발은 필수적이다. 정부 역시 여러 가지 정책과 국책사업을 통해 많은 지원과 투자를 아끼지 않고 있다. 전기는 우리 생활의 필수재로 일상에서 늘 활용되기 때문에, 고효율 친환경의 전기 생산 시스템인 연료전지는 그 효용성이 매우 크다고 할 수 있다. 아직까지는 전반적인 기술적 성숙도가 낮아 많은 연구와 투자가 요구되고 있지만, 멀지 않은 시기에 연료전지가 우리 생활에 보편화된 모습으로 자리 잡을 것을 기대한다.


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.