연료전지의 활용

머리말 | 4

1장 동작 원리와 종류
1. 연료전지란 무엇인가 | 13
2. 개발의 역사 | 16
3. 연료전지의 종류 | 26
4. 연료전지 셀의 동작 원리 | 29

2장 수소의 물성과 생산 · 생성 기술
1. 수소의 발견과 이용의 역사 | 37
(1) 수소의 발견 | 37
(2) 힌덴부르크호의 화재 사고 | 38
(3) 석유를 이용한 수소 생성 | 40
(4) 화학공업의 발전과 수소 | 41
(5) 수소와 근대 물리학의 탄생 | 42
2. 수소의 특성 | 43
(1) 원자 및 분자 구조의 모델화 | 43
(2) 수소의 물성 | 45
3. 수소 연료의 생성 | 49
(1) 수소 생성 구조와 에너지 사회의 구상 | 49
(2) 탈황 프로세스 | 51
(3) 수증기 개질 | 52
(4) 시프트 반응 | 53
4. 수소 생성 기술 | 54
(1) 선택 산화 반응에 의한 CO 제거 | 55
(2) 흡착법 | 56
(3) 막분리법 | 58
(4) 부분 산화 개질 | 62
(5) 오토더말 개질 | 63

3장 셀 동작의 열역학
1. 깁스의 자유에너지와 엔탈피 | 67
2. 이론 기전력과 네른스트 식 | 70
3. 이상(理想) 열효율 | 74

4장 연료전지의 특징
1. 셀과 스택 | 79
2. 연료전지의 특징 | 80
(1) 높은 이상(理想) 열효율 | 80
(2) 현실의 열효율 | 80
(3) 코제너레이션 | 81
(4) 환경 적응성 | 82
(5) 스케일 메리트 | 83
(6) 부분 부하에서의 발전 효율 | 84
(7) 이용 가능한 연료의 다양성 | 85
3. 기술적인 문제점 | 85

5장 고체 고분자형 연료전지
1. 총론 | 91
(1) 개발의 역사 | 91
(2) PEFC의 동작 원리와 특징 | 92
2. 단(單) 셀의 구성 | 93
3. MEA 및 세퍼레이터의 특성 | 95
(1) 전해질막의 구조와 특징 | 95
(2) 전해질막의 제조법 | 97
(3) 전극 촉매 | 99
(4) 가스 확산층 | 102
(5) 세퍼레이터 | 103
4. 전류와 전압의 관계 | 105
(1) 셀 내부에서 발생하는 손실 | 105
(2) 활성화 분극 | 106
(3) 확산 분극과 확산 전류 | 110
(4) 저항 분극 | 111
5. 물 관리 문제 | 111
6. 발전 시스템 효율의 계산식 | 114

6장 연료전지 자동차(FCV)와 가정용 PEFC 코제너레이션의 실증 연구
1. 고체 고분자형 연료전지(PEFC)의 개발과 도입 시나리오 | 119
2. FCV의 개발과 실증 운전 실험 | 119
(1) JHFC 프로젝트 | 119
(2) 수소 스테이션의 시방 | 125
3. 정치식 PEFC의 실증 실험 | 125
(1) 가정용 연료전지의 동작 조건 | 125
(2) PEFC에 의한 코제너레이션 실증 실험 | 127

7장 마이크로 연료전지 - 동작 원리와 기술적 과제
1. 모바일 기기용 마이크로 연료전지에 대한 기대 | 131
2. DMFC의 동작 원리 | 135
3. 시스템 구성에 따른 분류 | 138
4. 전해질막의 기술적 과제 | 142
5. 주변 기기의 개발 과제 | 145
6. 개발 동향과 보급을 위한 과제 | 147
(1) 개발 동향 | 147
(2) 보급을 위한 과제 | 149

8장 고온형 연료전지
1. 고온형 연료전지의 장점 | 155
2. 고온형 연료전지의 어려운 점 | 157
3. 고온형 연료전지의 이용 분야 | 159
4. MCFC의 동작 원리, 기술 과제 및 개발 동향 | 161
(1) MCFC의 동작 원리 | 161
(2) 외부 개질형과 내부 개질형 MCFC 시스템 | 163
(3) 융용 탄산염형 연료전지(MCFC)의 개발 동향 | 171

9장 SOFC의 기술 과제와 개발 동향
1. SOFC의 특징 | 177
2. SOFC 개발의 역사 | 183
(1) SWPC의 실적 | 183
(2) 미국 정부의 대처 | 185
(3) 일본의 대처 | 187
3. SOFC의 동작 원리 | 188
4. 셀의 구조와 재료 | 192
(1) 셀 구조 | 192
(2) 전해질 | 195
(3) 전극 반응 | 196
(4) 공기극 | 197
(5) 연료극 | 198
(6) 인터커넥터 | 199
(7) 가스 차폐재 | 200
5. SOFC 시스템의 개발 동향 | 201
(1) SWPC 이외의 해외 기업 등에 의한 개발 동향 | 201
(2) 미국 DOE의 개발 계획 | 203
(3) 저온 동작형 SOFC | 204
(4) 비용 절감 시도 | 208
(5) MOLB형 SOFC | 211
(6) 일본의 기타 연구 기관 | 214

10장 연료전지의 개발 동향과 전망
1. 실용화를 위한 기술적 장벽의 타개책 | 219
2. 가정용 연료전지의 발전 효율 | 221
3. 열화 메커니즘의 해명과 가속 시험법의 확립 | 224
4. 프로젝트 포메이션의 문제점 | 226
5. 연료전지 자동차(FCV)와 수소에너지 사회 | 227

11장 미 정부와 국제 기관에 의한 FC ·수소 개발 프로젝트
1. 미국에서의 수소사회와 연료전지의 이미지 | 233
2. 가정용 PEFC와 환경 면에서의 효과 | 235
3. 가정용 PEFC의 경제적 평가 | 237
4. 가정용 연료전지 시장 | 241
5. 가정용 전원으로서의 FCV 이용 | 243
6. 수소연료전지 선도계획 | 246
7. 수소 생성 · 저장 기술의 목표와 과제 | 248
8. 자동차용 · 정치식 연료전지의 연구개발 | 250
9. International Partnership for the Hydrogen Economy(IPHE) | 251
10. IEA-HIA | 253

Column <아이슬란드, 새로운 에너지의 작은 선진국> | 254

[부록] 기초 이론 · 용어 해설
1. 열역학 이론 | 259
(1) 엔탈피와 깁스 에너지의 정의 | 259
(2) 열역학 제1법칙과 엔탈피 변화 | 260
(3) 열역학 제2법칙 | 262
(4) 깁스 에너지 변화와 연료전지의 발전 출력 | 263
2. 활성화 과전압 계산 | 266
(1) 전류와 전극반응 속도 | 266
(2) 활성화 에너지 | 269
(3) 전류의 전극전위 의존성 | 269
(4) 평형 전극전위와 교환전류 | 272

용어 해설 | 275
저자 소개 | 283

‘전지(電池)’라는 이름이 붙어서 그런지 일반인들은 연료전지를 전기를 저장하기 위한 새로운 장치의 일종이라고 예단하는 경우가 많다. 그러나 연료전지는 전기를 저장하는 장치가 아니다. 그보다는 일종의 발전기라고 하는 것이 적절하다. 즉, 자동차 등에 사용되는 축전지보다는 디젤 발전기나 (비록 규모는 작지만) 화력발전소에 가까운 것이다.
디젤 발전기나 화력발전소는 석유나 천연가스 같은 화석연료에서 전기를 얻어내기 위한 기계 또는 시스템이다. 에너지 과학의 용어로 표현하면 화석연료가 가진 화학에너지를 전기에너지로 변환하기 위한 장치라고 할 수 있다.
다만 디젤 발전기나 화력발전 설비는 연료를 연소시켜 열을 발생한 다음 그 열로 기계를 가동하여 발전기를 돌려 전기를 만들어 낸다. (중략) 이와 같은 재래식 발전과 비교하면 연료전지는 전기 화학 반응에 의해 거시적으로는 화학에너지로부터 직접 전기를 생산한다.
물속에 한 쌍의 전극을 담그고, 그 사이에 전압을 가하면 양(+)극에서는 산소가 발생하고 음(-)극에서는 수소가 발생한다. 이것이 학창 시절에 배운 물의 전기분해 원리인데, 연료전지는 전체적으로 이와 정반대인 반응이라고 생각하면 된다.
즉, 수소와 산소(공기)로부터 전기를 발생시키는 것이 연료전지다. 다만 수소는 지구상에 홀로 존재하지 않으므로 보통 화석연료를 고온에서 촉매를 사용해 화학 반응시켜 반응에 필요한 수소를 만들어 낸다.이를 연료전지 세계에서는 ‘개질(改質) 과정’이라고 한다.
천연가스 등 화석연료를 개질하여 수소를 생성하는 과정에서 수소와 동시에 필연적으로 탄산가스가 배출된다.
그러나 수소는 전기분해에 의해서도 생성할 수 있으므로 태양광이나 풍력, 수력발전 같은 자연에너지로 생산된 전력을 이용하면 탄산가스를 전혀 배출하지 않고 수소를 생성할 수 있다. 핵에너지를 통한 수소 생산 또한 중요한 연구 과제이다.

수소 이용의 역사에는 흥미로운 일화가 많이 숨어 있다. 그중에는 비행선 힌덴부르크(Hindenburg)호 사고도 포함돼 있다.
여러 기체 중에서도 수소는 가장 가벼운 기체이기 때문에 공중을 유영하기 위한 수단으로 이용되었다. 1983년 수소를 실은 기구가 처음으로 하늘을 날았고 이는 비행선의 발명으로 이어졌다. 그 후에 비행선은 대형화와 고속화의 길을 걷다가 드디어 인간을 태우고 하늘을 비행하는 수송 수단으로까지 발전했다. 그러나 20세기에 들어와서 발생한 유명한 힌덴부르크호 폭발 사고는 사람들에게 수소의 위험성을 인식시키는 계기가 되었다.
당시 힌덴부르크호는 가장 큰 비행선이었으며, 수소를 가득 채운 큰 팩의 부력으로 공중을 유영했다. 비행 속도는 시속 128㎞를 기록했고, 1937년 5월 어느 운명적인 날까지 브라질과 북아메리카를 향하여 무사고로 항행을 계속했다. 독일의 프랑크푸르트에서 출발한 이 비행선은 1937년 5월 6일 천둥 번개 속에서 뉴저지주 레이크허스트에 도착했다.
이때 비행선은 붉은 섬광을 내면서 폭발했고, 30초 후에 추락하여 탑승자 97명 중 35명이 사망한 것으로 기록되어 있다. 이 사고는 20세기에 발생한 큰 비극 중 하나로 지금까지도 사람들의 기억 속에 남아 있다. 당시 미국과 독일 조사단은 비행선 커버 밑에 실려 있던 수소가 공기와 혼합해 인화하면서 화염을 낸 것이라고 결론을 내렸지만 저압 수소는 연소해도 불꽃을 일으킬 리가 없었다.
과거에 NASA에서 과학자로도 근무한 적이 있는 에디슨 베인(Addison Bain)은 장장 9년간에 걸쳐 이 비극의 원인을 추적했고, 당시 자료를 다시 조사하며 목격자의 이야기를 듣고 실제로 실험하기도 했다. 그와 독일 과학자들은 ‘사고 원인은 커버에 칠해진 도료가 공기 중 정전기 때문에 인화해 연소했기 때문’이라는 결론에 도달했다. 도료는 로켓 연료와 비슷한 성분으로 이루어져 있어 인화 · 연소되기 쉽다.
당시 조사에 참여했던 독일 전기기사 오토 베이어스도프(Otto Beyersdorff)도 커버 재료의 정전기로 인한 인화설을 주장했다는 기록이 남아 있다. 그러나 수소가 화염의 확산 속도를 촉진하는 역할을 한 것은 의심의 여지가 없다.
힌덴부르크호의 사고 원인이 수소가 아니었다고 해서 수소가 안전한 연료라는 의미는 아니다. 그러나 수소는 가솔린 등 액체 연료와 비교하면 안전성 면에서 유리한 면이 있다. 가솔린은 휘발성이기 때문에 누출되면 가스화해 불꽃에 의해서 쉽게 인화하고, 또 가솔린의 비산으로 화재가 확산될 가능성은 있지만 수소는 확산성이 강한 가스이고 신속하게 대기 속으로 방산하며 특히 독성이 없다.

연료전지 셀(cell)은 기본적으로 낮은 전압의 직류 전원(이론적인 기전력은 1.23V, 출력했을 때의 셀 전압은(1V 이하)이므로 실용적인 전압을 얻기 위해서는 많은 셀을 직렬로 접속해야 한다. 이와 같은 목적으로 구축된 셀의 집합체를 가리켜 ‘스택(stack)’이라고 한다. 정치식(定置式)이나 자동차용 연료전지의 경우 일반적으로 수백 개의 셀을 겹쳐 쌓아서 스택을 구성하는 방법을 쓴다. 예를 들어 발전출력이 1㎾급인 가정용 정치식 PEFC에서는 40~80셀 정도가 겹쳐 있다. 이에 비해 휴대전화나 노트북 컴퓨터용 연료전지의 경우 연료탱크 표면에 평면적으로 셀을 배열하여 스택을 구성하는 방법을 이용하고 있다.
그러나 실제로 연료전지로 전력이나 열을 공급하기 위해서는 스택만으로는 불가능하므로 위에서 설명한 개질 공정이나 직류를 교류로 변환하는 인버터(invertor) 제어 프로세스, 공기 공급 블로어, 열처리 시스템 등의 보조 장치가 있어야 한다. 이와 같은 보조 장치를 포함한 전체를 ‘연료전지 시스템’이라고 한다.