| 초록 |
1. 개요 최근 들어 미래의 에너지 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 대안으로 연료전지를 꼽고 있다. 머지않은 미래에는 에너지의 수요와 공급의 불균형으로 인해 문제가 발생할 것이며, 몇십 년 후에는 화석연료가 고갈될 것으로 예상된다. 에너지 고갈에 대비하기 위하여 자원을 절약하는 것도 중요하지만, 화석연료를 대체할 신재생에너지의 개발이 무엇보다 중요한 시점에 도달했다. 연료전지는 연료(수소, 메탄올, 석탄, 천연가스, 석유, 바이오매스 가스, 매립지 가스 등)의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치로서, 기존의 화력발전 기술보다 발전효율이 높고, 공해물질 배출을 줄이면서 전기와 열을 동시에 생산하는 기술을 말한다. [표 1] 화력발전과 연료전지 차이 구분 화력발전 연료전지 효과 발전효율 35 #37; 50~60 #37; 에너지 절약, 온실가스 저감 연료 석유, 석탄 수소, 석유, 석탄, 천연가스, 바이오가스, 매립지 가스 등 에너지원 다변화 수소를 연료로 사용할 경우 연료전지의 기본 원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 것이다. 화력발전은 원자력이나 화력 등과 같이 물을 가열해 증기를 만들고 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려 발전기를 가동하는데, 각 단계를 거칠 때마다 에너지 손실이 발생하기 때문에 전기효율은 30 sim;35 #37;에 그친다. 그러나 연료전지는 중간에 발전기와 같은 장치를 사용하지 않아 운동에너지라는 중간 단계가 없으며, 단지 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전효율이 47 #37; 이상으로 매우 높으며, 최근에는 발전효율을 지속적으로 높이기 위한 기술들이 개발되고 있다. 1960년대 제미니 및 아폴로 우주선용 연료전지를 시작으로 1970년대 환경문제가 부각되면서 가정용 연료전지 개발이 진행됐다. 일본도 오일쇼크를 계기로 연료전지 연구에 박차를 가했다. 한국은 2000년대 들어 연료전지 기술이 가장 앞선 미국으로부터 기술을 도입해 단시간 내 주요 부품을 국산화하는 데 성공했다. 현재 세계 최대 연료전지 회사는 포스코에너지이며, 그 뒤를 미국 블룸에너지, 일본 MHI, 캐나다 밸러드파워 등이 쫓고 있다. [그림 1] 연료전지의 기본 작동 원리 전지는 아래 그림과 같이 다양한 전지로 나눌 수 있으며 핸드폰, 노트북PC, PDA 등 휴대용 기기가 보편화된 모바일 시대의 동력원으로 다양한 신산업 창출을 견인하고 있다. 특히, 하이브리드 자동차, 지능형 로봇 등 각국이 미래의 성장동력으로 손꼽고 있는 신산업은 고출력·중대형 전지의 개발 없이는 산업화가 불가능하며 전지산업의 발전과 전지의 고성능화가 지속적으로 요구되고 있다. [그림 2] 전지의 분류체계 본 보고서는 최근 휴대용 기기의 융합화, 다기능화가 급속히 진전됨에 따라 소형이며 장시간 사용이 가능한 전지의 요구도가 더욱 높아지고 있는 시점에서 다양한 전지의 종류 중 연료전지에 대한 기술개발 동향 및 미래 시장 전망에 관하여 소개한다. 2. 연료전지 기술개발 동향 및 미래 시장 전망 연료전지는 앞에서 언급한 것과 같이 다양한 종류의 연료전지 기술이 존재한다. 대표적인 것으로 전해질의 종류에 따라 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 인산형연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 알칼리연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등으로 구분된다. 이 중 PEMFC, DMFC, PAFC는 저온형 연료전지로 분류되며 출력이 높을 뿐만 아니라 촉매작용도 빠르며, 부하추종성이 우수하다. 단점으로는 백금 등 귀금속 촉매를 사용해야 하며, 연료의 불순물에 크게 영향을 받는다는 것이다. 이에 반해 고온형 연료전지인 MCFC와 SOFC는 니켈과 같은 일반 금속 촉매를 사용하며, 연료를 다양화할 수 있는 장점을 지니고 있다. 다음 그림은 각 연료전지의 특성을 보여주고 있으며, 각각의 특성에 대해 자세히 살펴보도록 한다. [표 2] 연료전지의 특징 구분 DMFC PEMFC MCFC SOFC PAFC 전해질 이온교환막 이온교환막 탄산염 지르코니아 인산 촉매 백금 백금 산화물 니켈 백금 동작 온도 50~100℃ 50~100℃ 550~700℃ 600~1000℃ 150~250℃ 용도 휴대용 ~1KW 수송, 가정, 휴대용 ~10KW 대용량 발전 100KW~MW 소?중?대용량 1KW~10KW 중형 건물 200KW 실용화 시기 (국내) 2003 (2005) 2004 (2006) 2005 (2010) 2010 (2015) 1999 (2007) 연료전지는 휴대용, 가정용, 수송용, 발전용으로 응용 분야가 매우 광범위하며, 이에 따라 각 연료전지에 요구되는 성능 조건, 상업화를 위한 가격, 기준치 등을 정의하고, 다양한 연료전지 기술들이 다양한 시장수요를 만족시키기 위해 연구개발이 지속되고 있다. [그림 3] 연료전지의 종류 및 응용 분야 2.1. 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) DMFC는 메탄올이 연료극을 통과할 때 촉매와 반응해서 전기를 발생하는 전지로 노트북, 휴대전화 같은 모바일기기용 전원으로 사용되는 리튬이온전지나 리튬-고분자전지와 달리 직접 충전은 할 수 없지만, 메탄올만 공급해주면 쓰는 시간을 크게 늘릴 수 있다. 직접메탄올연료전지는 고농도 메탄올을 쓸수록 더 작은 크기의 전지와 똑같은 출력을 얻을 수 있고 더 낮은 온도에서 쓸 수 있다. 하지만 메탄올 농도를 높이면 메탄올을 흡수해서 부풀어 오르는 현상이 생기고 연료전지 효율이 떨어지는 문제가 있다. DMFC 분야에서 가장 발 빠른 업체는 애플이며, 애플은 한 번 충전하면 몇 주간 사용할 수 있는 수소연료전지를 개발, 관련 특허 출원에 많은 관심을 보이고 있다. 특히, DMFC는 수소와 산소의 반응을 이용해 전기를 생산하는 방식은 다른 연료전지와 같지만, 기체보다 에너지밀도가 높은 액체(메탄올)를 사용하기 때문에 시스템 소형화가 쉽다는 장점이 있다. DMFC는 메탄올만 공급하면 지속 전력을 생산할 수 있기 때문에 카트리지 등에 메탄올을 채워 직접 전력을 공급할 수 있을 뿐 아니라 2차전지 충전용으로 활용할 수 있어 휴대폰이나 노트북PC 등 모바일기기를 장시간 사용할 수 있게 한다. 이러한 특징 때문에 미국, 일본은 물론이고 우리나라도 수년 전부터 연구가 활발히 진행되고 있다. 일본의 NTT도코모와 후지쿠라는 후지쿠라가 신규로 개발 중인 1㎾급 DMFC를 도코모의 그린기지국에 설치하여 재해 발생 시 장기 정전 발생을 가정했을 때 연료전지의 운용 특성을 평가하는 실험을 진행하고 있다. 우리나라에서는 LG화학이 노트북PC용 전원장치 시제품을 선보였으며, 세계 최초로 DMFC로 구동되는 인간형 로봇 ldquo;휴보 rdquo;를 한국과학기술원과 카이스트 공동 연구팀이 개발해, 국내 DMFC 기술력을 다시 한 번 입증하기도 했다. 최근 DMFC의 단점인 느린 반응속도와 메탄올 투과 문제를 해결하기 위해 국내 한 연구팀은 전해질 막 표면을 나노구조 계층으로 패턴화한 다음 산화 전극 특성을 극대화하고 반응속도를 높이는 실험을 하여 전력밀도가 최대 42.3 #37; 향상되는 것을 실험을 통해 입증하였다. 최근 국내 DMFC 전문기업이 해외로 제품을 수출하기 위해 해외 수출 시 필요한 인증을 모두 획득하고 필드 테스트 검증에도 우수한 성적을 확보했음에도 불구하고, 자국의 인증제도가 마련돼 있지 않다는 사유 등으로 수출이 불발되는 사태가 초래되기도 했다. DMFC 업계 관계자 및 전문가들은 DMFC를 미래 중요 산업으로 인정해 관련 제도를 마련하고 있는 만큼 산업계의 애로사항은 물론 국내 DMFC 산업 활성화를 위해 관련 인증체계 마련에 대한 체계적인 계획 수립을 요구하고 있는 실정이다. 2.2. 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Ce |
