안녕하세요!
강대곰입니다.
오늘은 차세대 전지 기술로 주목받고 있는 수소연료전지에 대해 알아보겠습니다.
수소연료전지에 대해 알아보기 전 수소 에너지에 대해 간단하게 알아보도록 하겠습니다.
대한민국은 세계 5위의 에너지 소비국이지만, 에너지 소비량의 약 94.8%를 수입해 사용하는 에너지 빈곤국입니다.
우리나라의 에너지 안보를 확보하며, 2030 온실가스감축 목표, 2050 탄소중립 목표를 포괄적으로 해결 가능한 방안이 바로 수소에너지의 개발 및 전환입니다.
수소에너지란 화합물 형태로 존재하는 수소를 화학분해 해서 이용하는 친환경 미래 에너지 자원입니다.
수소를 얻기 위해 현재 많은 연구가 진행되고 있으며, 다양한 방법을 통해 얻을 수 있습니다.
- 물을 재생 전기에너지로 수소와 산소로 분해하는 방법(Electrolysis)
- 천연가스와 같은 화합물을 개질(Reform)*하는 방법
개질*
재료의 성분에서 화학 구조의 형태를 전환하고 그 과정에서 원하는 재료를 합성하고 추출하는 방법
- 바이오매스(BioMass)의 열분해 및 가스화를 통해 수소를 생산하는 방법
- 박테리아의 효소를 이용해 수소를 생산하는 방법
등 매우 다양한 방법이 존재합니다.
추가적으로, 수소 생산 중 온실가스 배출 정도에 따라 색으로 구분합니다.
화석연료를 원료로 수소를 생산하고 이때 발생하는 이산화탄소를 대기 중으로 배출한다면 그레이 수소(Gray Hydrogen)
화석연료를 원료로 수소를 생산하지만 배출되는 이산화탄소를 CCUS* 기술을 통해 포집 후 처리한다면 블루수소(Blue Hydrogen)
재생에너지 전기로 물을 전기분해 하여 친환경적으로 수소를 생산한다면 그린수소(녹색수소)
CCUS*
Carbon Capture Utilization and Storage의 약자로 공기 중에 배출되는 이산화탄소(CO₂)를 포집(Capture)하여 활용(Utilization) 또는 저장(Storage)하는 기술
이러한 방법들로 생산된 수소를 통해 전기 에너지를 생산할 수 있는데 이때 사용되는 기술이 바로 수소연료전지 기술입니다.
지금부터 수소연료전지에 대해 심도 있게 알아보도록 하겠습니다.
수소연료전지란?
수소와 산소를 화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 생성하는 발전 장치
수소연료전지는 '3차 전지'라고도 불립니다.
2차 전지인 리튬이온배터리의 경우 외부에서 화석연료를 연소시켜 얻은 열에너지로 물을 끓여 증기로 만들고, 그 증기로 터빈을 회전시켜 기계적 에너지로 변환한 후 전기에너지를 생성하는 중간 발전 과정을 거쳐야 하기 때문에 효율이 좋지 않습니다.
화학에너지→열에너지→기계에너지→전기에너지
반면 수소연료전지는 다양한 방법으로 생산한 수소 연료를 화학 결합 과정을 거쳐 곧바로 전기 에너지를 생성하기 때문에 발전 효율이 좋습니다.
화학에너지→전기에너지
수소 연료전지의 작동 원리와 구조
- 수소 연료전지의 작동 원리
수소연료전지의 기본 구성요소는 2개의 얇은 침투성 전극인 공기극(Cathode)과 연료극(Anode) 그리고 양 극 사이에 삽입된 전해질입니다. 전지의 연료극에는 니켈, 백금 등 특수한 촉매로 도금이 되어 있는데, 이는 수소 분자(H2)를 2개의 수소이온(H+)과 2개의 전자(e-)로 분리시키는 역할을 합니다.
연료극에서 생성된 전자는 외부회로를 통해 이동하며 전류를 생성하고, 전지의 공기극에 공급된 산소(O2)는 전해질을 통과한 수소이온(H+)과 외부회로를 통해 회수되는 전자와 반응하여 물을 생성합니다.
부산물인 물은 외부로 방출시키며, 모든 수소연료가 소진될 때까지 위 과정을 반복하며 전기에너지를 생산합니다.
- 화학반응: 수소와 산소의 결합
수소연료전지는 물을 전기분해 하는 반응의 역반응을 이용한 장치입니다.
물을 전기분해 하게 되면 수소와 산소가 발생하게 되는데 반대로 수소와 산소를 화학 반응 시키게 되면 전기 에너지와 물이 생성되게 됩니다.
수소연료전지의 발전 과정은 다음 화학반응식과 같이 진행됩니다.
이때 이론적으로 수소 분자 하나당 1.23V의 전력을 생산합니다.
실제 전력은 과전압과 IR강하를 고려하면 약 0.8V가 생성되게 됩니다.
- 수소 연료전지의 구조
수소 연료전지는 다음과 같은 요소들로 구성되어 있습니다.
- Anode/Cathode End plate
양극과 음극을 서로 겹쳐 쌓은 철판에 고정시키기 위해 양단에 사용하는 강판
- Current collector(집전체)
전기화학반응이 원활하게 일어나도록 전자를 외부에서 전달하거나 또는 전자를 받아 외부로 흘려보내는 통로 역할
- Stack
수소와 산소의 전기화학반응을 담당하는 연료전지의 핵심부품
여러 개의 연료전지 셀을 직렬 또는 병렬로 연결하여 쌓아 하나의 시스템으로 구성합니다.
Stack은 MEA, Bipolar plate, GDL, Gasket, Enclosure 등으로 구성됩니다.
- Bipolar plate
연료전지의 스택에서 가장 많은 질량을 차지하는 구성요소로, 단위 셀에서 발생하는 전기적 에너지를 인접하는 연료전지에 연결해 주는 역할을 한다.
- GDL(Gas Diffusion Layer)
연료전지의 핵심 부품으로 반응가스의 원활한 공급과 반응 기체가 흐름장 채널(Flow Field Channel)에서 촉매층으로 가는 통로를 제공하며 전기화학반응에 의해 발생한 열을 분리판으로 전도하여 열을 제거하는 역할을 합니다.
- MEA(Membrane Electrode Assembly)
연료전지에서 수소와 산소가 반응, 실제 전기화학반응이 일어나 전기를 만드는 부분으로 가장 핵심적인 역할을 합니다.
MEA는 기본적으로 수소이온을 이동시켜 주는 Membrane과 수소와 산소의 전기화학반응을 돕는 CCM층으로 구성되어 있습니다. 주로 Membrane과 CCM 그리고 Sub Gasket을 추가해 5-layer MEA로 사용합니다.
- Gasket
공급된 연료가스를 손실 없이 전기화학반응이 일어나는 전극으로 전달시키기 위해 전해질막과 분리판 사이의 공간을 밀봉하는 역할
다양한 수소 연료전지 종류
연료전지의 효율을 좌우하는 대표적인 두 물질은 선택적 투과성을 가진 전해질과 전극을 코팅하고 있는 촉매입니다.
따라서 연료전지를 사용하는 전해질과 촉매의 종류에 따라 분류합니다.
촉매의 종류는 구동 온도에 따라 다르게 사용하므로 연료전지를 다음과 같이 분류할 수 있습니다.
① 전해질 종류
② 작동온도
① 전해질 종류
- 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)
PEMFC은 Polymer Electrolyte Membrane Fuel cell의 약자로 고분자 전해질막을 사용하는 연료 전지를 말합니다.
연료전지는 산화환원 반응에 의한 화학적 열화로 내구성이 감소하기에 주로 과불화술폰산 이오노머(PFSA)를 사용해 막을 만듭니다.
PFSA는 물리, 화학적으로 안정된 구조를 가지고 있을 뿐만 아니라 선택적 투과능력 또한 좋아 Membrane으로써 적절합니다.
또한 산성을 띄어서 다량의 물을 포함할 수 있다는 장점도 있습니다. 고습 환경에서도 안정적인 이온 전도도를 유지할 수 있기 때문에 좋은 성능 유지가 가능합니다.
안정성, 내구성과 효율이 좋고 충전 시간 또한 짧기 때문에 자동차 및 교통 수단에 주로 사용합니다.
- 인산형 연료전지 (PAFC)
PAFC는 인산을 전해질로 사용합니다. 작동온도가 200°C 전후로 높은 온도에서도 전기를 생산할 수 있으며 전해질과 촉매를 오염시키는 일산화탄소(CO)의 높은 농도에서도 안정적으로 작동할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한 PAFC 시스템은 전력과 열을 효율적으로 연계하여 활용할 수 있어 90% 이상의 효율을 보여줍니다. PAFC는 연속적 작동이 가능해 산업 프로세스 및 전력 공급에 적합합니다.
하지만 저온에서는 점도가 높아 이온전도성이 낮기에 높은 온도로 운영해야 하며, 인산의 화학적 성질로 인해 다른 물질을 부식시킬 수 있다는 단점을 가지고 있습니다.
인산형 연료전지는 200 kW 이상의 높은 전력을 출력하고 효율이 높기 때문에 중형 건물의 고정식 발전, 공업용 발전기로 주로 사용합니다.
- 용융탄산염 연료전지(MCFC)
MCFC는 탄산칼륨을 전해질로 사용합니다. 높은 녹는점을 갖는 탄산칼륨을 전해질로 사용하기 위해 650℃ 이상의 고온을 구동온도로 갖습니다. PEMFC, PAFC와 다르게 촉매로 백금이 아닌 니켈을 사용하기 때문에 경제성이 좋습니다. 또한 니켈을 촉매로 사용하게 되면 수성가스전환반응 Water-Gas Shift Reaction(CO + H2O → H2 + CO2)이 가능해 더 다양한 연료를 이용할 수 있습니다.
수성가스전환반응*
이 반응은 일산화탄소와 수소를 이용하여 메탄가스를 생산하는 데 사용됩니다. 수성가스전환반응은 주로 수소 생산 및 청정 연료 제조에 활용되며, 메탄의 생산은 천연가스 수소화, 합성가스로의 전환 등 다양한 산업적 용도로 사용됩니다.
저온형 연료전지에서는 낮은 온도로 인해 반응이 부적합했던 석탄가스 Syngas, 천연가스 Natural gas, 메탄올 Methanol, 바이오메스 Gasified biomass, 바이오가스 Biogas, 에탄올 Ethanol 등 더 다양한 연료를 MCFC에서는 사용할 수 있습니다.
- 고체 산화물 연료전지(SOFC)
SOFC는 이온 투과가 가능한 세라믹 고체 산화물 전해질을 사용합니다.
연구개발이 활발하게 이루어지고 있는 연료전지로 매우 높은 온도(약 1000℃)에서 작동합니다.
60% 정도로 높은 효율을 보이며 열을 이용하는 시스템까지 활용하면 효율이 85%까지 향상 가능합니다.
작동온도가 매우 높아 금속 촉매를 사용하지 않고도 외부장치(개질기) 없이 LNG, LPG 등을 연료로 사용 가능합니다.
또한, 소형화가 가능하다는 장점이 있습니다.
반면, 시동시간이 길어 자주 전원을 차단해야 하는 용도로는 사용이 부적합하며 높은 온도로 인해 유지 비용이 비싸다는 단점이 있습니다. 또한 다른 연료전지와 비교해 특수 세라믹 전해질을 사용하기 때문에 비용이 높고 제조공정이 까다롭습니다.
- 알칼리 연료전지 (AFC)
1세대 연료전지 중 하나이며 미 우주 프로그램에서 전기와 물 생산을 위해 사용합니다.
이온전도성이 높은 수산화칼륨을 전해질로 사용하며 비교적 저온 (약 100℃)에서 약 60%의 효율로 작동합니다.
금속 촉매를 사용하지 않아서 단가를 낮출 수 있습니다.
반면, 전극이 이산화탄소에 매우 취약해서 노출 시 탄산염을 생성하며 크게 손상된다는 단점을 가지고 있습니다.
연료전지는 작동온도에 따라 다시 고온형과 저온형으로 구분됩니다.
② 작동온도
- 고온형
650°C 이상의 고온에서 작동하는 고온형 연료전지인 MCFC와 SOFC는, 촉매 금속으로 백금을 사용하는 저온형 연료전지와는 달리, 니켈과 같은 일반 금속촉매를 쓸 수 있는 장점이 있습니다. 고온형은 발전효율이 높고 고출력이지만 시동 시간이 오래 걸려 발전소나 대형건물 등에 적합합니다.
- 저온형
저온형인 PAFC와 PEMFC, DMFC는 250℃ 이하의 온도에서 작동해 열 관리가 쉽다는 장점이 있습니다. 하지만 저온일수록 이온전도도가 낮아지기 때문에 이온 활성화도를 높이기 위해 고가의 백금 촉매를 사용해야 합니다. 따라서 단가가 높아진다는 단점이 있습니다.
수소 연료전지의 장점
- 친환경성
수소 연료전지를 사용하는 가장 큰 이유라고 생각합니다. 전기에너지 생성 부산물이 물이기 때문에 수소를 생성하는 과정에서 발생하는 온실가스만 없앤다면, 탄소 중립을 실현시킬 수 있는 전지입니다.
- 고효율성: 전환 효율이 높음
에너지의 중간변환과정이 포함되지 않고 직접 발전을 하기에 에너지 효율이 다른 2차 전지에 비해 좋은 편입니다.
또한 열 이용 시스템을 구축 가능하기에 매우 높은 효율을 가질 수 있습니다.
- 안전성
수소가 안전하다니 의문이 들 수 있습니다. 수소폭탄 같이 위험해 보이는 이미지와는 다르게 사실 수소는 굉장히 안전한 기체입니다. 수소폭탄에 사용되는 중수소, 삼중수소를 사용하는 것이 아닌 경수소가 사용되기 때문입니다. 경수소는 공기보다 14배 이상 가벼워 외부에 유출돼도 빠르게 확산되며 폭발 등의 문제를 일으킬 가능성이 매우 작습니다. 화학적 폭발은 누출, 가스구름, 발화원 이 3개 요소가 충족되었을 경우 발생하는데, 수소는 가장 가벼운 기체로 누출 시 빠르게 확산되어 가스구름이 생성되기 어렵고, 공기 중으로 쉽게 확산되어 폭발이 일어날 확률이 낮습니다.
또한, 한국산업안전공단에 따르면 종합적인 위험도를 고려해 봤을 때 수소가 도시가스보다 위험도가 낮다고 평가했습니다. 수소의 위험도를 1로 둘 때 가솔린(1.44), LPG(1.22), 도시가스(1.03)으로 평가하였습니다.
- 다목적성
화학반응을 통해 발전하는 연료전지이기 때문에 소음·진동도 매우 적고 친환경적이기 때문에 다양한 목적으로 사용이 가능합니다.
교통수단뿐만 아니라 가정용 발전기로도 사용이 가능하고, 도심에서도 설치가 가능해 분산형 전원으로 사용할 수도 있습니다.
뿐만 아니라 구동 온도나 전해질의 종류를 다르게 해 산업용 발전기로도 사용이 가능합니다.
수소연료전지 미래
우리나라의 수소 연료전지 산업은 수소경제 활성화 로드맵의 일환으로 많은 금액의 투자를 받으며 성장 중에 있습니다. 정부는 생산 분야에만 2021년 1,100억 원, 2022년 3조 7,700억 원을 투자하며 본격적으로 수소 산업을 활성화시키려는 모습을 보이고 있습니다. 로드맵에서 2030년까지 30만 대 이상의 수소차 보급과 660기 수소 충전소 구축을 목표로 설정하였고 달성하기 위해 많은 노력을 하고 있습니다.
환경 문제가 계속해서 대두되고 있는 지금, 수소 연료전지 기술의 개발과 상용화를 통해 에너지 분야의 혁신과 전환을 이루고, 환경 보호와 경제 성장을 동시에 이루려는 움직임은 계속될 것으로 예상합니다. 우리나라의 수소 연료전지 기술 산업은 꾸준히 성장할 것이며 국내외 경쟁력을 강화해 연료전지 산업을 선도할 것으로 기대됩니다.
[REFERENCE]
에너지의 미래, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) / ksakosmos / 2024.4.6
https://www.ksakosmos.com/post/에너지의-미래-고분자-전해질-연료전지-pemfc
수소경제 활성화 로드맵 발표 / 과학기술정보통신부 / 2024.4.6
https://www.msit.go.kr/bbs/view.do?sCode=user&mId=113&mPid=112&bbsSeqNo=94&nttSeqNo=1490593
안전하고 깨끗한 생활 속 에너지, 수소 / SK E&S / 2024.4.6
https://media.skens.com/4618
연료전지 개요와 현황 / 한국수출입은행 / 2024.4.8
https://www.ctis.re.kr/ko/downloadBbsFile.do?atchmnflNo=6882
수성 가스 전환 방법 / Google Patents / 2024.4.8
https://patents.google.com/patent/KR20140126326A/ko
수소에너지란? / 국토연구원 / 2024.4.7
https://www.krihs.re.kr/publica/bbsView.es?pageIndex=12&num=735&serlno=1
수소산업 고용창출 ‘파란불’… 소재 부문 선도/ 월간수소경제 / 2024.4.8
https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12073
수소에너지 2050 / 백문석 / 1장. 수소에너지와 기술 / 라온북 / 2021.12.20
2030년 수소차 30만 대·충전소 660기, 실현가능성은? / 에너지신문 / 2024.4.8
https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=92185
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