연료전지, 과연 차세대 고효율 신성장동력이 될 수 있을까?

우리 삶에서 전지가 차지하고 있는 비중은 어느 정도일까? 우리가 의식하지 못하고 있을 뿐이지, 사용하고 있는 대부분에 전지가 들어간다해도 과언이 아니라 생각한다. 일례로 TV를 보기 위해서는 리모컨을 사용해야하는데 여기에도 건전지가 들어가고, 매일같이 손목에 차고 다니는 시계에도 건전지가 들어간다. 뿐만아니라 항상 소지하는 스마트폰에도 전지가 들어간다.

그러면 전지는 무엇일까? 우선 전지라 함은 전기 및 화학적 반응을 통해 전압을 발생시키는 장치를 일컫는다. 전지의 종류에는 1차전지와 2차전지가 있다. 흔히 우리가 알고 있는 건전지는 1차전지에 속한다. 1차전지는 화학에너지에서 전기에너지로의 변환이 가능하지만, 전기에너지에서 화학에너지로 변환시킬 수는 없다. 한 마디로 재충전이 불가능한 것이다. 이러한 이유로 우리는 건전지가 가진 전기에너지를 전부 사용했을 때, 마트에 가서 새로운 건전지를 구입하는 것이다.

2차전지는 전기에너지를 화학에너지로, 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 두 가지 반응이 모두 가능하다. 일례로 우리의 삶에서 뗄래야 뗄 수 없는 스마트폰의 배터리가 이에 해당된다. 스마트폰의 배터리는 주로 리튬-이온 배터리를 사용하는데 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 방출하기 때문에 배터리가 방전되는 것이다. 반대로 방전된 상태에서 전기에너지를 공급하는 것이 충전에 해당되며, 화학에너지의 형태로 다시 저장이 가능하다. 결국 1차전지와 2차전지의 가장 큰 차이점은 재충전의 유무인 것이다.

그렇다면 신성장동력으로 각광받는 연료전지는 무엇일까?

일단 연료전지는 1차전지에 속하므로 충전이 불가능하다. 근데 어떻게 신성장동력이라는 인식을 얻을 수 있었을까? 전문가들은 가까운 미래에 도래할 사회를 수소경제사회라고 정의했다. 즉 수소라는 원료 덕분에 빛을 보게 된 에너지인 것이다. 연료전지는 아주 적은 양의 물과 공기만 있으면 전력을 생산할 수 있다.

연료로 사용되는 물분자 안의 수소와 산화제인 공기가 지속적으로 공급되면, 수소가 가진 화학에너지를 전기에너지로 직접 변화시킨다. 따라서 연료전지는 전극의 변화가 없다. 게다가 산화 시에는 열에너지가 발생하며, 전기에너지가 직류로 변환된다. 이같은 연소를 저온연소라고 하는데 화염이 발생하지 않는 까닭에 붙여진 명칭이다. 연료전지의 각 셀의 전압은 대략 0.6~0.8V 정도인데, 다수의 셀을 한 덩어리로 묶어 필요 전압과 용량을 확보하는 스택 방식을 주로 사용한다.

연료전지의 개념을 최초로 정립한 사람은 영국의 물리학자인 웨일즈이지만, 상용화 기술을 개발한 것은 미국의 NASA이다. 1969년 인류는 최초로 달에 착륙하는데 성공했는데, 이때 타고 갔던 우주선이 NASA가 개발한 아폴로 11호였고, 공식적으로 연료전지가 처음 사용됐다고 한다.

연료전지를 사용한 발전방식은 현재 우리가 사용하고 있는 화석연료 발전방식에 비해 효율이 60% 가량 더 높다. 여기에 열효율까지 더한다면 종합적으로 80~90% 이상인 것이다. 이산화탄소의 배출량은 LNG발전에 비해 45% 정도 감축시킬 수 있으며, 미세먼지 배출량은 약 1/2500 정도로 매우 낮다. 자동차에 적용된 연료전지의 효율 또한 마찬가지이다. 가솔린이나 디젤차량의 효율이 20~25%인 반면 연료전지를 적용한 차량의 효율은 최고 60%로 엄청난 차이를 보인다.

연료전지의 종류와 특징은 무엇인가?

연료전지의 종류는 기술이 진보함에따라 현재 5가지로 구분할 수 있다. 또한 연료전지의 종류를 나누는 가장 큰 기준은 전해질이며, 이에따라 적용되는 분야가 달라진다. 먼저 전해질로 알카리를 사용하는 연료전지는 AFC라고 한다. 작동온도가 120도 이하이며, 적용분야는 항공 및 우주산업이다. 인산염 연료전지는 PAFC라고 하며, 작동온도가 250도 이하이다. 적용분야는 중형건물로 배열을 급탕하여 냉난방에 사용된다. 이온교환막 연료전지는 PEMFC라고 부르며, 작동온도는 100도 이하이다. 중형 및 대형건물에 적용되며, 고밀도의 특징을 가지고 있다. 앞서 언급한 3가지 종류 모두 저온에 속하며, 사용되는 촉매는 모두 백금이다.

이제부터 고온에 속하는 연료전지이다. 탄산염 연료전지는 MCFC라고 부르며, 작동온도는 700도 이하이다. 촉매로 니켈이 사용되고 적용분야는 소형, 중형, 대형 발전소이다. 끝으로 세라믹 연료전지인데 SOFC라 부르며, 작동온도는 1200도 이하이다. 촉매로 페로브스카이트라는 물질이 사용되며, 가정 및 상업용으로 쓰인다. 고온의 연료전지들의 특징은 높은 효율과 연료의 내부 개질이 가능하다는 점이다.

그렇다면 연료전지는 무결점인가? 결코 그렇지 않다. 단점에 비해 장점이 훨씬 많은 것은 맞지만 연료전지에도 단점이 존재한다. 다른 신재생에너지와 마찬가지로 아직까지는 가격적인 부분이 제일 큰 단점이다. 뿐만아니라 반응 시 발생하는 가스들에 포함된 불순물을 제거해야하며, 내구성 문제도 보완해야한다.

비록 국내보다 유럽이나 일본이 더 앞서있는 분야이지만, 한국이 후발주자 빠르게 부상하고 있는 상황이다. 올해 3월에 열린 미래연료전지발전포럼에서 국회는 연료전지 분야가 선택이 아닌 필수라고 했다. 이 말은 정부가 이 분야에 적극적으로 지원하겠다는 뜻으로 받아들여진다. 또한 지난 4월에는 한국과학기술연구원에서 기존 연료전지의 전해질 대비 10배 이상의 효율을 가진 고체 전해질 개발에 대해 발표했다. 이같은 좋은 결과가 앞으로 더 많아지기를 바라며, 연료전지 분야가 한국의 차세대 고효율 신성장동력으로 자리잡기를 기대해본다.