연료전지는 기본적으로 메탄올(CH3OH), 에탄올(CH3CH2OH), 천연가스와 같은 다양한 물질들(C-H-복합물; 탄화수소류, Carbon 과 Hydrogen)에서 추출된 수소의 화학반응을 이용하며 단순한 화학반응에 의해 전기를 생산한다는 점에서는 1.5V 가정용 건전지와 하나도 다를 것이 없다.
그러나 연료전지의 경우는 연료공급이 계속되는 한 항구적이고 규일한 출력의 발전이 가능하다는 점에서 일반전지와는 큰 차이가 있고 전기를 새롭게 생산한다는 점에서는 이미 생산된 전력을 사용하는 '재충전 배터리(하이브리드 차량에 사용되는 배터리 포함)'와는 다르다.
이것은 독립적인 기관으로서 기존의 내연기관을 완전히 대체한다는 점에서 혁신적인 동력원이고 낮은 에너지 이용효율을 갖고 있는 내연기관 (예: 가솔린엔진 = 20%~30%, 디젤엔진 = 30~50%)에 비해서는 약 80%~92%의 효율을 갖고 있다.
본격적인 실용화 연구는 1960년대 NASA에서 산소와 수소의 결합을 이용한 식용수의 생산과 우주선의 전력생산을 위한 대안으로 시작되었다. 1970년대와 80년대를 거치면서 전력생산과 대형차량(예: 버스)에 적용하기 위한 연구들이 집중적으로 추진되었고 이후 크기를 줄이는 작업을 포함하여 일반차량에 적합한 실용적인 모델을 개발하는데 연구의 초점이 두어졌다. 국내에서는 1985년 한국에너지기술연구소와 한국전력에서 공동으로 인산 연료전지를 수입 테스팅한 것이 효시가 되고 그 동안은 주로 발전부문의 국책사업으로서 추진되어 왔다.
연료전지 구현의 방법들은 화학반응에 의한 전기생산이라는 기본원리는 동일하되, "어떤 물질(기초 연료)을 사용할 것인가?"와 "어떤 방법으로 화학반응을 일으킬 것인가?"에 따라 다음과 분류된다.
ⓐ 알카라인 연료전지(Alkaline Fuel Cell) 1960년대 NASA의 제미니(Gemini-Apolo) 우주계획에 사용된 것으로 순수한 산소와 수수의 공급을 전제로 개발되었으며 현실적으로 일반차량에 적용하는 것은 어렵다.
ⓑ 인산연료전지(PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell) 1970년대에 주로 연구되었던 방식으로 대형 발전소나 건물용 발전 등에 실용성이 인증된 방식
ⓒ 융융탄산염 연료전지 (MCFC; Molton Carbonate Fuel Cell) 동작온도가 600도가 넘어가는 방법으로 대형발전소에서 응용 가능한 방법
ⓓ 고체 산화물 연료전지 (SOFC; Solid Oxide Fuel Cell) 동작온도가 700도 ~ 1000도 내외이고 초대형 발전소에 응용 가능하며 사용되는 연료의 품질에 무관한 동작이 가능하다.
ⓔ 양자교환막 연료전지 (PEM; Proton Exchange Membrane Fuel Cell) 특수 폴리머(Polymer)로 만들어진 얇은 교환막(Exchange Membrane)을 이용하여 전해질을 격리하고 화학반응을 유도한다. 동작온도는 약 100도 내외이고 전력수요에 대한 응답도가 빠르며 비교적 구조가 간단하고 가볍기 때문에 자동차용으로 소형화 제작 가능하다.
PEM의 기본적인 작동원리는 아래와 같고 화학반응식들은 아래와 같이 표현될 수 있다.
![](https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fwww.motordic.com%2Fcontentsdata%2F91%2Ffuel_cell_pem_structure.gif) 우선 위 그림 좌측의 방에 2차 가공연료인 연료인 "H2"가 공급된다. 좌우 두 개의 방을 분리하고 있는 양자교환막은 (+)전기를 띈 원소만을 걸러내는 기능을 갖고 있는데 이 양자교환막 앞에서 두 개의 수소원자들(본래는 H2 가스임)은 H+와 e(전자)-로 분리된다.
양의 전기값을 갖는 수소 원자는 교환막을 통과하여 우측에 있는 방으로 이동하고 분리되었던 전자는 교환막을 통과할 수 없으므로 위쪽(그림의 양극(Anode))으로 이동한다. 그리고는 다시 음극(Cathode)로 이동하며 산소와 수소의 결합과정(우측방)에서 반응 소진되며 최종 반응의 결과로 물이 생성된다.
양극 : 2H2 → 4H+ + 4e- 음극 : 2O2 + 4H+ + 4e- = 2H2O 산소는 연료전지 본체 주위의 공기를 공급하는 것으로 간단히 해결되는 보조요소이고 실제로 화학반응을 일으키는 직접적인 매체(연료)는 수소라고 할 수 있으므로 연료전지는 "수소를 반응시켜 전기와 물을 얻는 전지"라고 정의할 수도 있다.
그런데 이 "수소를 준비해 둔다" 라는 점이 연료전지 실용화의 큰 문제거리이다. 이는 어떻게 많은 양의 수소를 효과적으로 추출해서 최대한 작은 용기에 담아서 보관을 할 수 있는가의 문제인데 예를 들어 물을 전기분해하면 쉽게 수소를 얻을 수 있으나 전기분해시 막대한 양의 에너지가 소모되고 수 킬로와트의 발전을 위해 대형버스크기의 용기를 싣고 다니는 것은 운송수단으로서의 가치가 없는 것이다.
수소를 확보하는 방법은 수소원자가 많이 사용된 화합물을 활용하면 된다. 이 때문에 에탄올, 메탄올, 천연가스 등이 활용되고 있는데 일단 추출된 수소는 그 체적을 줄이기 위해서 용기 내압을 높히고 냉각시켜 저장된다. (예: 영업용 택시의 LPG통) 현재 개발된 용기(150Kg 수준)로는 휘발유 50리터에 상당하는 약 9.5리터의 수소를 운반할 수 있다고 하며 주행거리는 약 400km 내외라고 알려져 있다.
수소를 추출하고 이를 전지에 공급하는 장치를 리포머(변환기, Reformer)라고 하는데 사용되는 1차 연료(에탄올, 메탄올 등)의 종류와 추출방법에 따라 형식이 달라진다. 추출과정에서 많은 열이 발생하므로 최적의 Reformer를 개발하는 것이 완전한 연료전지 개발의 중요한 과제이다.
Reformer의 효율성과 관련하여 메탄올(Methanol)이 가장 관심을 끌고 있는데 그 이유는 ⓐ 액체 상태로서 취급 및 운반이 용이하고 ⓑ 가정 등 소규모로 사용하는 경우 기존의 배관을 약간 변경시켜 사용할 수 있다는 점 때문이다.
발전전압은 PEM의 사이즈에 따라 증가하게 되는데 본체의 크기를 줄이기 위해서 PEM의 사이즈를 작게 설계하고 이를 여러장 겹쳐 사용하는 방식을 사용한다. 이것은 일반 자동차 배터리의 경우와 같은 것으로서 직렬접속으로 출력전압을 높히고 병렬연결을 통해 출력전류량을 늘일 수 있다.
현재 PEM Cell 하나의 출력은 0.7V이므로 12V 출력을 위해서는 최소 17개의 단위셀이 직렬로 연결되어야 한다. 이런 이유오 연료전지셀은 아래와 같이 매우 얇은 형태로 제작된다.
![](https://img1.daumcdn.net/relay/cafe/original/?fname=http%3A%2F%2Fwww.motordic.com%2Fcontentsdata%2F91%2Ffuel_cell_membranes.gif)
PEM 한 개의 셀 세계 각국의 메이커들은 다음 세대를 대비하기 위하여 다양한 방법으로 연료전지 상용화를 위한 노력을 기울이고 있다. 다음은 벤츠 A 클래스를 이용한 Necar 프로젝트의 결과이다.
1999년 ZEV - 75마력, 항속거리 450Km
이 테스트 차량은 차체 좌우에 각각 35Kw급 연료전지를 두 개 내장하고 있고 연료탱크는 뒷 바퀴쪽에 설치되며 교류모터를 사용한다. 최고속도는 약 140km/h(90마일)이고 테스트결과 동력변환효율은 62%이고 이 중 16%는 각종 구성품의 가동에 그리고 8%가 동력전달부에서 자체소진되어 실제 효율은 약 38%에 불과하였다. 그럼에도 이 에너지효율은 고효율 디젤엔진보다는 훨씬 높은 것으로 연료전지차량의 가능성을 입증하는 사례가 되고 있다.
테스트 과정에서 수소의 사용량은 1.1Kg/100km로서 이를 휘발류로 환산하면 4Kg, 디젤유로는 3.7Kg인데 비교대상 차량이 100km주행시 휘발유와 디젤유로 각각 4.5Kg, 7.1Kg을 소모한 것에 비해 매우 좋은 결과를 보여주었다. 지적되는 문제점은 1)여전히 연료전지 본체중량이 크다(300kg 추가), 2) 초기가속은 무난하나 후반가속이 더디다는 것이었다.
(출처 : www.motordic.com)
|