연구동향
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2050 탄소중립의 핵심 동력원, 수소연료전지
김진영(KIST 수소연료전지연구센터)

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. 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.



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.



Fig1은 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(fig2a), 연료전지 성능을 결정짓는 핵심 요소이다. 또한 단위전지를 반복적으로 직렬 적층하여 스택(stack; fig2b)을 구성하면 실 산업에도 적용가능한 규모의 발전효율과 용량을 얻을 수 있으며, 이는 연료전지 기반의 미래청정수소사회의 초석으로 꼽히고 있다.





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 fig3과 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, 50 개의 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.



20세기에 들어서 본격적인 연료전지의 개념이 확립되었다. 초기 30년동안은 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, 800 도 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 기간동안 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.

한편, 1950년에 폴리테트라플루오르에틸렌(polytetrafluoroethylene; PTFE, 테플론)이 개발되며 연료전지 기술은 다시금 비약적인 발전을 이룩한다. 테플론은 산성 매질에서 우수한 안정성을 띠며 기계적 내구성이 뛰어나, 이 소재를 기반으로 하여 고체상의 고분자전해질막을 개발할 수 있었다. 이 소재의 사용은 알칼리성의 액체 전해질을 이용하던 기존 저온형 연료전지의 패러다임을 완전히 바꾸어 고분자전해질막연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC)의 탄생을 가능케 했다. PEMFC는 H+ 이온교환을 통해 연료전지를 구동하는데, HOR과 ORR의 반응 속도는 알칼리성 매질보다 산성 매질에서 훨씬 더 빨라 발전 효율이 더 높다.

또한, 스택 구성이 용이하고 시스템 디자인이 간편하기 때문에 부피 당 발전 용량을 획기적으로 늘릴 수 있었으며, 이로 인해 연료전지의 응용처 또한 광범위해졌다. 이후, 1958년 General Electric(GE)社에서 백금 촉매를 PEM에 직접 코팅하는 방법이 개발되며 현대적인 MEA의 형태가 정립되었다.

이에 따라, 1960년대부터는 기존의 알칼리 연료전지를 넘어 발전효율 및 발전용량이 우수한 산성 연료전지에 대한 관심이 집중되었으며, 백금 및 백금합금 촉매에 대한 연구도 활발히 진행되었다. 이 시기에 인산형 연료전지(phosphoric acid fuel cell; PAFC)는 엄청난 성장을 거듭하였으며 실용화 수준까지 달성되었다.

특히 1961년에 G.V. Elmore와 H.A. Tanner에 의해 개발된 인산형 연료전지는 35%의 인산과 65%의 실리콘탄화물로 구성된 혼합액을 전해질로 이용하여, 6개월동안 성능 저해 없이 장기 구동이 가능했다. PAFC는 이온 전도도가 낮은 인산을 이용하기 때문에 액체 전해질임에도 상대적으로 높은 150~200 도에서 구동하게 되는데, 이 온도에서는 일산화탄소, 이산화탄소 등이 촉매에서 쉽게 탈착되고 분해되기 쉽다.

이러한 특성은 구동 온도가 높은 MCFC (650 도), SOFC (1000 도) 시스템에서도 유사하다. 현재까지도 고순도 수소를 얻는 방법은 막대한 양의 이산화탄소를 배출하는 탄화수소의 크래킹, 리포밍 등이기 때문에, 연료 자체의 순도가 높지 않아도 구동이 쉽다는 것은 굉장히 매력적인 장점이다.

이는 중·고온형 연료전지의 개발 및 고정형 연료전지로의 응용을 촉진하였으며, 1970년 이후 연료 개질 장비의 도입으로 발전이 더욱 가속화되어 현재까지도 꾸준히 성장하고 있다. 또한, 열병합발전 기술이 발달하면서 연료의 발열량을 난방 등에 활용할 경우 최대 85%의 에너지 효율을 얻을 수 있다.



한편, PEMFC는 우주선 및 군사용 목적으로서 알칼라인 연료전지의 대체제로 연구되다가, 1980년대부터 무공해차량의 동력원으로서 주목받으며 활발하게 개발되었다. 1990년에는 NASA의 Jet Propulsion Laboratory(JPL)에서 메탄올을 연료로 이용하는 형태의 PEMFC인 직접메탄올연료전지(direct methanol fuel cell; DMFC)를 개발하기도 하였다. 또한, 미국 에너지부에서는 90년대부터 PEMFC 기술 실용화를 위해 다양한 기업, 정부출연연구소와 파트너십을 체결하여 기술개발을 장려하고 있고, 2007년 혼다는 최초의 연료전지 FCX Clarity 모델을 로스엔젤레스 모터쇼에서 발표하였다. 연료전지를 이용한 버스는 최근 4년간 전세계적으로 운행되고 있으며, 국내에서도 2018년 현대자동차에서 넥쏘를 출시하였다.



연료전지는 이용되는 전해질의 종류에 따라 구분되며, 그 종류는 알칼리연료전지, PAFC, MCFC, SOFC, PEMFC 등이다. 연료전지 종류에 따라 이용되는 촉매와 작동온도, 스택 규모가 크게 달라지고, 개질기 등의 주변보조기기들의 구성요소 또한 달라져 각각의 연료전지 시스템은 상이한 출력을 갖는다.



알칼리 연료전지는 Bacon에 의해 개발된 초기형태의 연료전지로서, 전해질로 수산화 칼륨과 같은 알칼리 수용액을 사용하고, 고순도 수소와 고순도 산소를 각각 연료와 산화제로 이용한다. 알칼리 용액이 이산화탄소에 민감하기 때문에 공기중에서 사용하기 보다는 우주나 해저 등 이산화탄소가 차단될 수 있는 공간에서 주로 활용되었다. 저온에서도 구동할 수 있으며, 니켈과 같이 저렴한 전이금속이 촉매로 이용되기 때문에 가격 경쟁력이 높았다. 대표적인 알칼리 연료전지는 1950~1960년대에 잠수함이나 우주선에 이용되며 전력은 물론 반응물인 물도 함께 공급할 수 있었다.

PAFC 기술은 전해질로 이온전도도가 낮은 인산용액을 이용하며, 구동을 위해 상대적으로 높은 200 도의 온도가 필요하다. 그러나 높은 온도에서 구동하기 때문에 피독에 대한 안정성이 높아 상대적으로 낮은 순도의 수소(70%)를 이용할 수 있기 때문에, 알칼리 연료전지와 달리 지상에서 활용할 수 있으며 큰 규모로 설치할 수 있어 대기전력, 예비용 발전 장치 등의 고정형 연료전지로서 주목받아 왔으며 꾸준한 개발과 개선을 거쳐왔다. PAFC의 촉매는 탄소 지지체에 담지된 백금이나 백금합금 소재로서, 촉매 가격의 저감이 주요 이슈이다. 현재까지 PAFC의 순수한 발전효율은 40∼50% 수준이며, 종합시스템 제어 및 열병합발전을 이용하면 효율을 최대 85%까지 높일 수 있다.

MCFC는 용융점이 상대적으로 낮은 탄산리튬, 탄산포타슘 등의 염 혼합물을 전해질로 이용하고, 전극은 다공성 니켈로 만든다. 650도에서 구동되기 때문에 PAFC와 마찬가지로 일산화탄소 및 이산화탄소 등에 내성이 강해 고순도 수소를 사용하지 않아도 된다는 장점이 있으며, 이는 초기 투자비 절감 및 시스템 설계의 단순화로 이어진다.
 

구동 온도가 높기 때문에 시동/정지가 까다로워 주로 고정형 연료전지에 활용되고 있으며, PAFC와 유사하게 열병합발전 등의 방식으로 구동되고 있으며, 연료전지 내부에 개질기를 포함할 경우 탄화수소를 바로 연료전지에 공급하고 활용할 수 있어 추가적인 비용 절감이 가능하다.

SOFC는 고체 세라믹 소재를 전해질로 사용하는 연료전지로서, 액체 전해질 때문에 생기는 제반문제를 피할 수 있다. 또한 작동 온도가 1000℃로 높아 용융탄산염 연료전지가 갖고 있는 장점들을 공유하며, 이 온도에서는 수소와 일산화탄소의 전기화학적 산화 반응이 일어나기 때문에 촉매 없이도 연료 개질이 가능하여 탄화수소를 직접 전기로 변화시킬 수 있다. 전해질은 주로 안정화된 산화지르코늄 층이고, 다른 연료전지와 달리 H+가 전도되는 것이 아니라 O2– 이온이 전달된다.
 

공기극은 산화이트륨으로 안정화된 지르코늄(YSZ), 연료극은 니켈-지르코늄 세라믹 합금을 이용한다. SOFC는 높은 온도에서 내열성이 필수적이며, 소재의 개발 및 선정이 주요 연구 대상이 되고 있다. 대규모의 고정형 연료전지로 활용되고 있으며, 국내 기술 또한 수준이 높아 각광받고 있다.

PEMFC는 테플론 기반의 고분자전해질막을 이용하는 연료전지로서, Dupont社의 Nafion이 대표적인 고분자전해질막이다. 80도 수준의 저온에서 작동이 가능하며, 에너지 밀도가 높고 높은 전류밀도를 유지할 수 있어 소형화·경량화가 가능하다. 이러한 장점들때문에 PEMFC는 자동차, 항공 등 수송용 동력원으로서 주목받고 있다.
 

PEMFC의 가장 큰 이슈는 소재 개발인데, 촉매로 이용되고 있는 백금, 백금합금이나 전해질막으로 이용되는 Nafion이 단가가 높기 때문에 사용량을 줄이는 연구가 꾸준히 진행되고 있다. 상기한 각각의 연료전지의 종류 별 특징과 응용 분야를 아래 table1에 요약하였다.



본 장에서는 연료전지 기술의 현안에 대해 정리한다. 전 세계 연료전지 시장은 2018년부터 2023년까지 연평균 25%이상 성장할 것으로 전망되고 있다. 2030년에는 매출액 기준 약 41조원까지 성장할 것으로 기대된다. 현재 연료전지 시장은 발전용 연료전지가 주를 이루고 있으며, 한국과 미국, 일본이 시장을 선도하고 있다. 2019년 세계 발전용 연료전지 시장 점유율은 Bloom Energy社(50.1%), 두산 퓨얼셀(33.6%), Fuel Cell Energy社(13.8%) 순이며, 세계 가정건물용 연료전지 시장은 일본기업들이 이 약 90%를 점유하고 있다(Panasonic 45.2%, Aisin Seiki 44.3%).

미국 Bloom Energy社와 Fuel Cell Energy社는 각각 SOFC, MCFC 분야에서 독보적인 기술을 바탕으로 시장을 선도하고 있다. Bloom Energy의 경우 미국 내 IT, 물류, 전력회사 등에 350MW 이상의 연료전지를 판매하고 있으며, 삼성중공업와 공동으로 SOFC 탑재 선박을 설계하기도 하였다. Fuel Cell Energy는 독일 내 MCFC 생산 및 판매법인을 운영하고 있다.

일본의 경우 시장에서의 입지는 크지 않지만, 다수의 기업이 협력하여 발전시장에서 입지를 다지고 있다. 후지전기에서는 PAFC 기술을 토대로 글로벌 시장에 진출하였으며, 한국, 남아공, 미국, 독일 등에 120대 이상의 제품을 판매한 바 있다. 또한 SOFC 관련 사업도 추진하여 열병합 시스템을 개발, 50kW급 시스템에 대해 발전효율 55%, 종합효율 85%, 운전시간 4,000시간 이상을 확보하여 실증을 완료하였다.
 

미쓰비시 중공업과 히타치 제작소의 합작회사인 미쓰비시파워주식회사(구 Mitsubishi Hitachi Power System)은 2014년 설립 이후 SOFC-가스터빈 복합발전시스템, SOFC-가스터빈-증기터빈 삼중 복합시스템 등을 개발하고 일부 제품을 판매하고 있다. 현재는 1.2MW급 시스템의 실증하여 조기 상용화를 꾀하고 있다.

국내 발전용 연료전지 기술은 현재 전세계에서도 손꼽힐 정도로 발달되어 있으며 향후에도 그 규모가 지속적으로 성장할 것으로 보인다. 두산퓨얼셀은 PAFC, MCFC 제품을 중심으로 글로벌 시장에서의 입지를 구축하였으며, 2014년 미국의 Clear Edge Power(CEP)를 인수하여 PAFC 기술을 중심으로 발전용 연료전지 시장에 진출하였다.

또한 국내외 연료전지를 보급(국내 300MW 이상, 영국 1.4MW 수출 등)하며 성과를 얻었으며, 현재는 PEMFC, SOFC 등 제품군을 다양화하기 위해 차세대 연료전지 개발에도 박차를 가하고 있다. SK건설에서도 2020년 미국 Bloom Energy와 합작법인 블룸SK퓨얼셀을 설립, 국내 SOFC 생산 시장에 본격적으로 뛰어들었다. 2021년 50MW 생산을 시작으로 2027년 400MW까지 생산량을 점진적으로 확대할 계획이라고 한다.

한편, 차세대 연료전지 산업의 성장 핵심은 PEMFC로, 현재 PEMFC는 전세계 연료전지 설치량 중 가장 높은 점유율(73.4%)을 차지하고 있다. 현재 국내 시장은 PEMFC의 태동기에 있다고 할 수 있지만, 2022년 이후로는 전세계적인 수요와 기술 수준에 대응하여 수소전기차용 연료전지를 중심으로 시장이 확대될 것이다. 특히, 2019년 세계 수소전기차 시장은 우리나라의 현대자동차(60.5%)와 일본의 Toyota(33.7%)가 90% 이상을 점유하며 제한적인 경쟁이 이루어지고 있기 때문에 기술적 우위를 선점했다고 할 수 있다.

하지만 향후 경쟁이 더욱 심화될 것이므로 충분한 대비가 필요하다. 이에 따라, 소재, 부품, 제품 전 범위에 이르는 원천기술 확보 및 응용기술 개발까지 다원적인 접근을 통해 기술 혁신을 이끌어야 할 것이다. 또한, 현재까지 PEMFC 기반의 연료전지 시장은 정책적 지원에 크게 의존하고 있기 때문에 에너지 및 수소 산업에 대한 적절한 R&D 정책의 수립 또한 필히 수반되어야 할 것이다.



전세계적으로 탄소중립에 대한 기조가 구축되며, 친환경 핵심 동력원으로 수소연료전지 기술의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 현재 국내 연료전지 산업의 수준과 시장 점유율은 우수하나, 기술별로 산업적 성숙도가 상이하기 때문에 기술적 우위를 유지하기 위해서는 각각의 분야에 대한 세부적인 접근이 필요하다.

선도적 위치에 있는 발전용 연료전지 분야는 완성도를 더욱 높여 후발주자들에 대한 우위를 유지해야 하며, 차세대 연료전지로 여겨지는 PEMFC의 경우 기술적 경쟁이 심화될 양상이 뚜렷하기 때문에 양질의 투자를 통해 기초부터 응용에 이르는 요소 기술들을 확보해야 한다.

정부 정책 또한 시장과 산업의 성숙도에 따라 유연성 있게 지원하는 방향으로 수립되어야 한다. 발전용 연료전지는 빠른 보급과 확산을, PEMFC는 원천기술 확보를 중심으로 R&D 정책을 전개한다면 미래에 연료전지 강국으로 도약하며 범지구적인 기후위기 대응을 위한 탄소중립 전략에 이바지할 수 있을 것이다.




 

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