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기술동향 <기술동향: 신재생에너지> 2050 탄소중립의 핵심 동력원, 수소연료전지

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작성자 댓글 0건 조회 4,803회 작성일 22-01-05 12:22

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그림 1. 연료전지의 단위전지 구성 및 구동원리 모식도 


서론

전세계적으로 기후변화의 영향이 더욱 심화되고 있다. 기후변화는 폭염, 폭설, 태풍, 산불 등으로 인한 인명과 재산 상의 피해는 물론, 생태계의 균형을 무너뜨려 농업과 수산업에도 심각한 악영향을 끼친다. 이러한 재난사항에 대응, 인간의 활동에 의해 발생되는 온실가스의 순배출량을 0(Zero)이 되게 한다는 탄소중립 계획에 대한 관심이 급증하고 있다. 우리나라도 2020년 7월에 2050년까지 탄소중립을 달성하겠다는 그린뉴딜 정책이 발표하였고, 12월 15일 국무회의에서 2050 장기저탄소발전전략(LEDS)과 2030 국가온실가스감축목표(NDC) 정부안을 확정하여 탄소중립을 법제화한 14번째 국가가 되었다.


탄소중립 추진 전략의 10대 과제 중 하나인 “에너지 전환 가속화”를 달성하기 위해 그린수소와 신재생에너지에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데, 청정에너지사회의 동력을 담당하는 수소연료전지기술에 대한 중요성 또한 확대되고 있다. 수소연료전지는 수소가 산소와 만나 물을 만드는 전기화학 반응을 활용하여 전력을 생산하는 에너지 소자로, 물 생성 과정 중 수소연료의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 원리를 이용한다. 


화석연료를 필요로 하지 않기 때문에, 화석연료 사용 시 발생되는 환경오염물질(이산화탄소, 질소산화물, 황산화물 등)의 배출 없이 무공해 에너지 생산이 가능하다. 또한, 기존 화력발전과 비교하여 에너지 사용량이 약 26% 적어 비용 절감 효과가 크고, 열병합발전 기술을 채택할 시 에너지 효율을 80%까지 향상시킬 수 있다. 또한, 모듈 제작이 간단하여 발전 규모를 쉽게 조절할 수 있기 때문에, 휴대 장치부터 발전 시설까지 적용될 수 있을 정도로 범용성이 높다. 소음이 적어 설치 장소의 제약이 적다는 점도 큰 장점이다.


연료전지의 원리와 기본개념- 활물질인 수소연료는 외부로부터 공급받는 형태 

연료전지는 활물질의 전기화학적 산화·환원반응을 이용한다는 점에서 이차전지와 유사하나, 활물질을 사용하는 방식에서 차이가 있다. 이차전지는 장치 내부에 활물질(리튬, 나트륨 등)을 포함하고 있으며 이들의 에너지 용량을 모두 사용하였을 시 다시 충전이 필요한 에너지 저장장치이다. 반면, 연료전지는 활물질인 수소연료를 장치 내부에 포함하지 않고, 외부로부터 공급받는 형태이다. 또한 에너지 변환장치로서, 수소연료가 계속 공급되기만 하면 지속적으로 수소의 에너지를 전기에너지로 전환하며 전력을 생산하는 장치이다. 


<그림 1>은 가장 기초적인 연료전지인 단위전지(single-cell)의 구성 및 구동원리를 나타내는 모식도로, 산화극과 환원극, 전해질, 기체확산층, 도선으로 구성되어 있다. 단위전지는 이러한 환경에서 일어나는 한 쌍의 전기화학 반응을 통해 전력을 생산한다. 전력 생산의 원리를 간략히 소개하면, 연료극(수소극)에서는 수소의 산화반응(hydrogen oxidation reaction; HOR)이 일어나 수소분자를 양성자(H+)와 전자(e–)로 산화시키며, 전자는 도선을 통해, 양성자는 전해질막을 통해서 환원극으로 넘어간다. 전달된 전자와 양성자는 환원극(공기극)에서 산소분자와 만나 물을 생성한다. 본 반응을 에너지 관점에서 살펴보면, 반응물(수소와 산소)의 화학에너지 총합보다 생성물(물)의 화학에너지가 낮기 때문에, 반응이 진행되며 에너지가 발생된다(발열반응). 반응 시 발생되는 에너지는 양극의 전위차에 의한 전류의 형태로 나타나며(전기에너지), 이는 화학에너지가 전기에너지로 변환되었음을 나타낸다. 


이 일련의 반응이 일어나는 플랫폼은 연료극과 공기극을 전해질막의 양면에 부착시킨 막-전극 접합체(membrane electrode assembly; MEA)로서(그림 2(a)), 연료전지 성능을 결정짓는 핵심 요소이다. 또한 단위전지를 반복적으로 직렬 적층하여 스택(stack; 그림 2(b))을 구성하면 실 산업에도 적용 가능한 규모의 발전효율과 용량을 얻을 수 있으며, 이는 연료전지 기반의 미래청정수소사회의 초석으로 꼽히고 있다. 


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그림 2. 연료전지의 (a)막-전극 접합체(membrane electrode assembly; MEA)와 (b)스택 셀(stack cell)의 사진 


연료전지의 역사- 20세기 연료전지가 화력발전을 대체

연료전지의 개념이 처음 발명된 19세기로, 이 당시 연료전지 연구의 선구자들은 장차 석탄처럼 수소를 사용하는 시대가 올 것을 예상하였다. 20세기에는 연료전지가 화력발전을 대체할 것이라고 예측하기도 하였다. 연료전지의 최초 개발자로 알려진 William Robert Grove 경(1811–1896)은 <그림 3>과 같이 두 개의 백금박 전극을 준비하여 전극의 말단을 황산 용액에 담았다. 그리고 한 전극은 수소 기체가 채워진 용기로 덮어 밀봉하였고(연료극), 다른 한 쪽은 산소 기체가 채워진 용기를 덮어 밀봉하였다(공기극). 두 전극을 연결하자, 지속적으로 전류가 흐르는 것을 발견하였고, 전극을 담은 용액의 수면이 지속적으로 상승하는 것을 관찰하였다. 이 한 쌍의 전극이 단위전지가 되며, 50개의 단위전지들을 직렬로 연결하여 더 높은 전압을 이끌어 내었던 것이 “가스 배터리”, 즉 최초의 연료전지였다. 이 당시, Grove 경은 그가 개발한 가스 배터리의 전극과 전해질, 가스의 3상계면에서의 반응을 추측하였으나, 그 당시 지식과 기술로는 시스템을 이해하기에 한계가 있었다. 


이후 1889년, Ludwig Mond(1839–1909)는 3차원 백금 전극을 개발, 이를 기반으로 가스배터리의 연료로서 수소가 아닌 다른 연료도 이용 가능하다는 것을 발견했다. 1893년에는 물리화학의 창립자 중 하나인 Friedrich Wilhelm Ostwald(1853–1932)가 연료전지의 전극, 전해질, 산화제, 환원제, 음이온 및 양이온 등 각종 구성요소 간의 상호연관성을 실험적으로 검증하여 가스 배터리가 안고 있던 수수께끼를 풀기도 하였다. 1896년에는 최초로 실제적 응용이 가능한 연료전지가 발명되었으며, 1900년에 Walther Nernst(1864–1941)는 최초로 고체 전해질(지르코늄) 기반 연료전지를 개발하였다.


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그림 3. Grove 경이 제안한 최초의 연료전지, 가스배터리의 단위전지 모식도
 


20세기에 들어서 본격적인 연료전지의 개념이 확립되었다. 초기 30년 동안은 William W. Jacques(1855–1932)와 Emil Baur(1873–1944)가 연구를 선도했다. Jacques는 최초로 stack 개념을 도입, 100개의 관 모양의 단위전지를 이용하여 30kW 급 고출력 연료전지 시스템을 제작하였으며, Baur는 1921년에 용융탄산염을 전해질로 하는 용융탄산염 연료전지(molten carbonate fuel cell; MCFC)를 최초로 고안하였고, 800도 이상의 고온에서 구동되는 고출력의 고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cell)의 개념을 정립하였다. 


1930년대에 들어 Francis Thomas Bacon(1904–1992)의 알칼라인 연료전지 연구에 힘입어 연료전지 기술의 발전은 황금기를 맞게 된다. 이 당시 Bacon은 “저렴한 가격, 장기운전을 위한 내부식성, 고전류영역에서의 높은 성능”을 연료전지 촉매 전극 개발의 방향성으로 제시하였는데, 이 인자들은 현재까지도 고효율 연료전지 개발의 가이드라인으로 이용되고 있다. 


알칼라인 연료전지는 상기 기준을 충족시키기 위해 전해질로 수산화칼륨 용액을 이용하는 형태로서, 귀금속이 아닌 전이금속도 용출이나 부식없이 안정하게 HOR, ORR을 촉진할 수 있기 때문에 고전류 영역에서도 장기적으로 이용할 수 있다. 이러한 장점들의 결합은 알칼라인 연료전지의 실용화도 가능하게 하였다. 이들은 고순도수소를 연료로 하며 주로 잠수함, 우주선 등 특수 목적에 이용되었는데, 지상에서는 전해질인 수산화칼륨 용액이 공기 중의 이산화탄소와 반응하여 탄산염을 형성하여 전해질 소모가 빠르고 성능이 쉽게 저해되기 때문이다. 


Bacon이 개발한 연료전지는 2차 세계대전 기간 동안 영국 해군의 잠수함에 사용되기도 하였고, 1958년에 발명한 25.4mm 지름의 전극을 갖는 알칼라인 연료전지는 아폴로 우주선에 이용되기도 하였다. 해당 기술은 Pratt & Whitney社로 기술 이전되어 신뢰성을 인정받았다. 1959년, Marshall Aerospace社와 함께 60%의 고효율을 갖는 고용량 연료전지(5 kW 급)를 개발하기도 하였다. 



..(후략)


 

김진영 책임연구원 / 한국과학기술연구원 수소연료전지연구센터

본 기사는 2022년 1월호에 게재되었습니다. 

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