연료전지의 이해
지난 7월 6일 현대차가 수소 전기트럭 10대를 스위스에 수출한다는 뉴스를 보았다.
전기차에서는 유럽 기준으로 현대가 판매량 4위 정도 된다고 하는데 수소차에 있어서는 현대가 세계 1위 수준이고 유일하게 일본의 도요타와 경쟁하고 있는 상황이다.
전기차에 사용되는 베터리(화학)와 수소차에 사용되는 연료전지에 대해서 이해가 필요해서 정리해 봤다.
화학전지는 화학변화가 일어날 때의 에너지 변화를 전기 에너지로 바꾸는 장치이며, 화학전지는 전극을 구성하는 물질과 전해질을 용기 속에 넣어 화학반응을 시킨다.
연료전지는 외부에서 수소와 산소를 계속 공급해서 계속 전기 에너지를 만들어 내는 것으로 이는 마치 연료와 공기의 혼합물을 엔진 속에 공급하여 연소시키는 것과 유사하다. 연료의 연소와 유사한 이 전지를 연료전지라고 한다.
연료전지에 공급된 수소는 연소하는 것이 아니고, 수용액에서 전자를 교환하는 산화, 환원 반응이 진행되며, 그 과정에서 수소와 산소가 물로 바뀐다. 이때 에너지가 전기 에너지로 전환된다.
연료전지 스택의 구성 (PEMFC 기준)
연료전지는 스택(Stack)과 주변장치(BOP, Balance of Plant)로 이루어진다.
Stack은 원하는 출력을 얻기 위해 단위전지(Unit Cell)을 수십, 수백 장 쌓아 올린 본체를 의미한다.
Stack은
1. 고분자 전해질 막과 전극(연료극, 공기극)
2. 촉매층(Catalytic Layer)
3. 가스확산층(Gas Diffusion Layer)
4. 분리판(bipolar plate)
으로 이루어진다.
연료전지의 핵심기술은 Stack 중 고분자 전해질막과 일체형으로 제작된 막전극 접합체(Membrane-electorde assembly, MEA)이다. MEA에서 전류를 생산하기 위해서는 반응물(수소)이 공급되고 생성된 물이 제거되어야 하며, 전자가 외부 회로를 통해 이동하기 위해 집전체가 있어야 하는데 이 역할을 수행하는 것이 분리판이다.
연료전지 투자를 위해 알아야 할 것
1. 비싼 백금의 대체제 개발, 1kg당 약 1억원 이상의 가격, 백금은 사용할수록 전기 생산이 급 경하게 저하
탄소 기반 나노 촉매를 개발하여 백금을 대체하여 일관된 전기생산을 실현
2. 카본 소재들의 가격(고가임)
3. 고분자 전해질막의 적정 수분유지가 가장 중요, 복잡한 제조공정으로 막의 가격이 매우 비싸다 ($800/m2)
특히 양이온 교환막인 나피온(Nafion)막은 연료전지 생산단가를 높이는 주요 원인, 전체 연료전지 Stack의 22%의 원가 차지한다. 과불소화 전해질막의 대안은 탄화수소 전해질 막이다. 탄화수소 전해질막은 싼 재료 및 쉬운 합성방법에 따라 전해질 막의 단가를 낮출 수 있고. 높은 유리 전이 온도를 보유하여 100도 이상의 장거리 운전에서도 높은 안전성을 유지 가능하다.
탄화수소 고분자 전해질 막의 원천기술은 일본, 미국, 유럽 등의 선진국만 보유하고 있다. 한국, 중국은 합성 기술이 부족하여 선진국에게 기술적으로 의존하고 있다. 최근 한국의 여러 업체들이 탄화수소 전해질막을 연구개발하고 있으며, 일부 업체에서 가시적 성과를 보이고 있다.
전해질막의 특허는 Dupont(미국), W.L.고어(미국), 3M(미국), 스미토모화학(일본), 카네카(일본), BASF(독일)에서 가지고 있다.
3. BOP(주변장치)는 전체 연료전지 시스템 전체의 30~40%수준의 원가 비중을 차지한다. BOP 중에서는 수분관리시스템이 BOP 전체의 60% 이상 원가 차지
4. 원가 비중 : 전해질 25%, 백금촉매 19%
5. 국내 수소 충전소는 현재 11곳이며 건설 중이거나 예정인 것은 8개소. 충전소 수도 부족하고 일 충전 능력도 부족하다. 민간이 이용할 수 있는 곳은 현재 6곳에 불과. 수소 충전소 설치비가 약 30~40억 원으로 매우 비쌈
해결 방안은 1) 에너지 충전소 활용, 2) 설비/부품의 국산화율 제고, 3) On-Site충전소를 적극 확대
6. 현재 수소 산업은 일본이 가장 발달되어 있다.
7. 수소 충전소의 부품/설비 국산화율이 약 38%에 불가
8. 수소 운송비가 비싼 것도 높은 장애물
9. 수소 산업은 일본이 제일 발달해 있다. 탄소가 없는 수소사회 건설을 목표로 하고 있다. 자동차 말고 수소는 여러 분야에 사용된다. 차세대 에너지이다. 산업으로 성장할 수 있다.
10. 연료 전지 시장은 지속 확대 중이며 위 전지중 PEMFC의 수요가 절대적으로 증가하고 있다. 수소 자동차의 증가이다.
11. 백금촉매, 탄소 나노 튜브 등 아직 기술적으로 해결해야 할 문제가 많다.
12. 발전소, 지역난방 등 대형을 먼저 적용해야 한다.
13. 일본 사례와 같이 장기적인 Plan으로 접근해야 한다.
연료전지는 전해질 및 연료를 기준으로 5가지로 나눈다.
1. 고분자 전해질(PEMFC, Polymer Exchange Membrane Fuel Cell), 상기 기술한 것
2. 직접 메탄올(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)
3. 용융탄산염(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)
4. 고체산화물(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)
5. 인산(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)
| 고분자 전해질 | 직접 메탄올 | 용융탄산염 | 고체산화물 | 인산 | |
| 연료 | LNG, LPG, 메탄올, 가솔린 | 메탄올 | LNG, LPG, 메탄올, 석탄가스 | LNG, LPG, 메탄올, 석탄가스 | LNG, LPG, 메탄올 |
| 운전온도 | 80도 | 50도 | 650도 | 1000도 | 220도 |
| 용도 | 수송용, 이동용, 분산형 | 이동용, 초미세전원 | 분산형, 중앙집중형 | 분산형, 중앙집중형 | 분산형 |
| 효율 | 60% | 40% | 80% | 85% | 70% |
| 실용화시기 | 2004 | 2003 | 2005 | 2010 | 1999 |
| 특징 | 가장 활발히 연구 실용화, 상용화 빠르게 진행됨 무공해 차량동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원, 군사용 전원 등 다양한 분야 응용 가능 |
고분자 전해질 연료전지보다 백금이 백금촉매가 10배 정도 더 사용됨, 고가 | 백금 촉매 대신 Ni를 촉매로 활용 가능 도시용(아파트, 병원, 대형빌딩), 선박용, 백업용(IDC,산업단지), 중대형(발전) |
3세대 연료전지 대형발전소, 대형 건물의 분산형 전원 고온에서 작동하고 기존 연료전지중 전력 변환율이 가장 높다 |
전기 생산대비 순도 70%이상의 순수한 수소 사용 가장 성숙한 연료전지로 최초로 상업용에 적용 |
