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KEPCO 오픈 MG 프로젝트 

핵심 기술 <2> 연료전지



경일대학교 신재생에너지학부 박진남 교수




지난 기사에서는 KEPCO 오픈 MG 프로젝트와 함께 그 핵심 기술인 P2G에 대해 소개 드렸습니다. KEPCO 오픈 MG 프로젝트란 태양광과 풍력 발전원, 그리고 ESS로 구성된 마이크로그리드에 P2G와 연료전지 기술을 더해 소규모 지역의 에너지 자립을 꾀하는 프로젝트인데요. 안정적인 전력 공급이 어려웠던 기존 마이크로그리드에 연료전지와 P2G를 추가 발전원으로 사용함으로써 에너지 자립률을 한층 강화하는 게 이번 프로젝트의 핵심입니다. 


▲ KEPCO Open MG 프로젝트 개요도



P2G란 Power-to-Gas의 줄임말로, 남는 전력을 수소로 전환해 저장한 뒤 필요할 때 전기에너지로 다시 바꿔 사용하는 기술인데요. 그렇다면 연료전지(Fuel Cell) 기술이란 무엇일까요?




연료전지, 누가 발명하고 어떤 원리로 작동하나?

 



연료전지는 영국의 윌리엄 그로브 (Sir William Grove)에 의해 1800년에 발명되었습니다. 이후 많은 과학자들이 학문적인 연구를 진행했는데요. 연료전지를 적용한 예로는 1959년에 연료전지로 작동되는 트랙터를 제작한 바 있고, 1960년대에는 제미니 우주선의 전원으로 연료전지를 장착하기도 했습니다. 하지만 가격이 지나치게 비싸서 상용화되지는 못했고, 석유 파동 등의 에너지 위기 후에 연료전지 개발이 본격화되면서 상용화가 시작됐습니다.



연료전지의 원리는 다음과 같습니다. 산화극에서 연료의 산화반응이 일어나면서 전자가 나오고, 환원극에서 산화제의 환원반응이 일어나면서 전자를 받아들이는 건데요. 전지로 치면 환원극은 (+)극, 산화극은 (-)극에 해당합니다. 연료전지 바깥의 전선으로 음전하인 전자가 이동하므로 전하 이동의 균형을 맞추기 위해서 연료전지 내부에서는 산화극에서 환원극으로 양전하가 이동하거나 환원극에서 산화극으로 음전하가 이동하는 현상이 필요합니다. 


연료로는 주로 수소가 사용되고 산화제로는 공기 중의 산소가 사용되죠. 연료전지의 종류는 어떠한 전해질 속에서 무슨 전하가 이동하는지에 따라 구별된답니다.



연료전지의 종류


인산형 연료전지(PAFC, Phosphoric Acid Fuel Cell)는 인산을 전해질로 사용하고, 수소이온(H+)이 전하로 이동합니다. PAFC는 가장 일찍 상용화가 진행되어서 기술적 완성도도 높으며, 주로 수십~수백 kW 급의 중형 발전용으로 사용된답니다.



용융탄산염 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell)는 탄산나트륨과 같은 탄산염을 용융시킨 것을 전해질로 사용하고, 탄산이온(CO32-)이 전하로 이동합니다. MCFC는 PAFC보다는 늦게 상용화 되었으며, 수백 kW~수 MW 급의 중형 발전용으로 사용됩니다. 탄산염이 용융되는 600~700도 정도의 높은 온도에서 운전하며, 장치를 켜고 끄는 것이 간단하지 않습니다.



고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 세라믹을 전해질로 사용하고, 세라믹 내의 산소이온(O2-)이 전하로 이동하는 원리로 작동하는데요. SOFC는 전하인 산소이온의 이동성을 높이기 위해서 800도 이상의 고온에서 운전하는데, 연료전지 중에서 가장 높은 발전 효율을 가진답니다. 가정용 연료전지로 일본에서 상용화가 활발히 진행되고 있으며 주로 수~수십 kW 급의 소형 발전용으로 많이 사용됩니다. SOFC는 모든 부품이 세라믹과 같은 고체로 이루어져 있어, 켜고 끄는 것이 간단하지 않아 계속 작동시킬 수 있는 곳에서 주로 사용합니다.



고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 나피온이라는 특수한 고분자막을 전해질로 사용하고, 수소이온(H+)이 전하로 이동합니다. 인산형 연료전지 다음으로 상용화가 진행되었으며, 주로 수~수십 kW 급의 소형 발전용으로 사용됩니다. 작동온도가 100도 이하이며, 시동과 정지를 반복하여도 내구성이 우수한 특징이 있습니다. 주로 가정용 발전시스템이나 수소전기차용으로 사용됩니다.



▲ 알칼리 연료전지의 작동 방식



그 외에 알칼리 전해질 속의 수산이온(OH-)을 전하로 이용하는 알칼리 연료전지(AFC, Alkaline Fuel Cell)와 PEMFC와 동일하지만 수소 대신 메탄올을 연료로 사용하는 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)가 있습니다. 이들은 내구성과 가격에 단점이 있어 특수한 용도로만 사용됩니다.




▲ 도쿄 빅사이트에서 열리는 Fuel Cell Expo 홈페이지 화면



현재 세계 각국에서 이 연료전지에 주목하고 있는데요. 특히 일본은 가정용 연료전지가 가장 많이 보급된 국가입니다. ‘Ene-Farm’이라는 브랜드로 약 35만 대 정도가 보급되었답니다. 다음 원고에서는 도쿄 오다이바에 위치한 국제 전시장인 '도쿄 빅사이트'에서 열린 Fuel Cell Expo에 대해 살펴보고, 연료전지 기술의 최신 트렌드에 대해 소개 드리겠습니다.


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