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연료전지의 역사
초창기부터 현재까지
본고는 200년 동안의 연료전지 개발의 힘든 역사에 관하여 다룬 것이다. 낮은 가격의 석유가 충분하고, 환경 문제가 관심사가 아닐 때는 연료전지 개발에 관한 공감대를 형성하기가 어려웠다. 다행히도 요즘에는 과학과 기술 분야 외에도 군사, 우주항공 애플리케이션용으로도 연료전지가 관심을 받고 있다. 석유 가격의 상승, 정책변화, 지구환경 파괴 등으로 인해 향후 연료전지는 전력 생산의 다른 유력한 방법으로서 신중히 고려될 것이다.
자료출처 : 한국과학기술정보연구원
연료전지는 미래수소경제를 가능하게 하는 핵심기술 중 하나이다. 연료전지의 역사는 사실상 200여년 전부터 시작되었고, 지난 20년 동안 연료전지는 대다수의 내연기관을 대체해 오고 있고, 현재는 고정식 및 이동식 파워 애플리케이션에 적용 중이다. 본 고에서는 연료전지의 발전 역사와 종류, 오늘날의 응용분야에 관하여 연급하고 있다.
19세기; 발단
연료전지 원리를 누가 발명했는 지에 관해 논쟁이 되고 있다. 미국 에너지부는 Philosophical Magazine 1839년 1월호에 실린 독일 화학자 Friedfich Schonbein의 1838년 연료전지 연구를 최초로 보고 있는 반면, Grimes는 William Robert Grove가 최초로 수소 연료전지의 개념을 소개하였다고 주장한다. Grove는 두 개의 백금 전극을 한쪽은 황산용액에 담고 다른 쪽을 각각 밀봉된 컨테이너에는 물이 생성되는 것을 발견하였다. 높은 전압을 만들기 위해 전극을 서로 연결하는 것으로 이것이 그가 말하는 가스 배터리이자 최초의 연료전지이다. Grove와 Schonbein의 과학적 경쟁이 지속되는 동안 많은 발견들이 있었다. 1836~1862년 사이 Schonbein이 Faraday에게 쓴 일련의 편지에서 과학적 진보들이 발견되었다. 하지만 이 편지들을 편집한 Gerog W.A. Kahlbaum.는 Schonbein와 Faraday가 어떻게 Grove가 양극의 산화로 전력을 생산하였는지 생각해내지 못하였다고 지적하였다. 이것으로부터 연료전지의 개념이 Schonbein 아닌 Grove가 고안했다고 주장한다.
수소 연료전지의 역반응 중 하나인 물의 전기분해(물을 전기 분해하여 수소와 산소로 만드는 반응)는 영국의 과학자 Anthony Carlisle과 William Nicholson에 의해 연료전지가 발견되기 이전인 1800년에 발견되었다. 두 과학자들은 Volta 배터리에 한쌍의 전극을 연결하여 다른 한쪽은 소금 용액에 담가서, 전극의 말단에 수소와 산소가 축적됨을 보였다. 이것은 전기를 사용한 화학반응을 처음으로 고안한 것이라고 할 수 있다. 1889년 Ludwig Mond와 그의 조교인 Car Langer는 다공성 백금 전극에 가스를 공급하여 단위면적당 6.5㎃/㎠, 0.73V를 얻을 수 있는 배터리를 사용하여 니켈을 얻는 방법을 고안해 내었다. 1893년 물리화학의 창시자로 알려진 Friedrich Wilhelm Ostwald는 연료전지의 다양한 구성요소(전극, 전해질, 산화제, 환원제, 음이온 및 양이온)들의 상호연관성을 실험적으로 측정하였다. 그 당시 Grove는 그가 고안한 가스 배터리의 전극과 전해질, 가스 사이의 접촉면에서의 반응을 추측하였지만 여전히 이해해야 될 많은 것들이 남아있었다. Ostwald는 연료전지에서의 물리적 화학적 반응에 연관된 그의 선구적인 일을 통하여 Grove의 gas battery의 퍼즐을 풀었다. 1896년 William W. Jacques는 최초로 연료전지 실용화 제품을 개발하였고, 1900년에 Walther Nernst는 최초로 고체 전해질로 지르코늄을 사용하였다.
Grove의 가스 배터리는 31.75mm 넓이를 갖는 백금 전극을 갖는 50개의 단전지들로 구성되었다. Grove의 가장 중요한 발견은 가스와 전해질, 전극 사이의 반응 영역의 필요성이었다. Mond와 Langer는 최초로 2차원적인 Grove의 전지를 다공성의 3차원적인 구조로 개량하였다. Mond와 Langer는 오직 순수한 수소만이 연료로 사용될 수 있다는 Grove의 의견과 달리 연료전지의 연료로서 수소도 연료의 한 가지임을 알았다. Mond와 Langer는 수소는 석탄과 같이 주 연료가 될 것이고, 20세기는 열역학적 엔진을 위한 랭킨 사이클은 연료전지에 의해 대체되는 해가 될 것이라 믿었지만 21세기인 지금 이것은 아직까지 현실화되지 않고 있다.
20세기: 연료전지 개념 성립
19세기 말과 20세기초까지 연료전지 분야에서는 William W. Jacques와 Emil Baur가 두각을 나타냈다. 1921년에 Baur는 처음으로 용융탄산염 연료전지(MCFC)를 개발하였고, Jacques는 처음으로 100개의 관 모양의 단위전지를 Stack화 하여 1.5kW, 30kW 고출력 연료전지 시스템을 제작하였다. 1930년대에 Baursms 고온에서 고체산화물 연료전지(SOFC)를 실험하였다. 1933년 초기 Thomas Francis Bacon의 수소와 산소를 사용한 연료전지 발명으로 인해 연료전지의 청년기를 맞이하게 된다. 그의 업적은 알카라인 연료전지의 연구를 시작하며 시작되었고, 1939년에는 전극 공극에서 발생하는 전해질의 범람을 막기 위해 200atm의 고압에서 작동하는 니켈 전극 전지를 제조하였다. 2차 세계대전 동안에는 영국 해군 잠수함에 사용될 수 있는 연료전지를 개발하였고, 1958년에는 25.4mm 지름의 전극을 갖는 알카라인 연료전지를 발표하였다. 고가임에도 불구하고 Bacon의 연료전지는 아폴로 우주선에 사용된 연료전지에 관련한 특허를 가진 Pratt & Whitney社에 의해서 확실한 가치가 있음을 입증하였다. Bacon의 연료전지 촉매로서 고가의 금속보다는 비백금계의 일반 금속과 부식방지 환경(장기 사용을 위한), 높은 전류밀도를 구현해야 한다고 하였다. 그는 1959년, Marshall Aerospace를 도와 5kW, 60%효율을 갖는 연료전지를 제시하였다.
1950년, 테플론(PTFE)이라 불리는 물질이 이용 가능해졌고, 이물질은 백금전극과 산전해액을 갖는 연료전지와, 탄소 전극과 알카라인 전해질을 갖는 연료전지에 최초로 사용되었다. 1955년 GE社의 화학자인 Thomas Grubb 연료전지의 기본 디자인을 수정하였고 전해질로 술폰화 폴리스타이렌 이온교환막을 사용하였다. 3년 후 GE社의 Leonard Niedrach는 수소의 산화반응과 산소의 환원반응을 위한 백금촉매를 멤브레인에 증착하는 방법을 고안해 냈다.
GE는 Gemini 프로그램 동안 NASA와 Mcdonnell Aircraft를 위해 기술을 개량하였고 1959년 harry Ihrig가 이끄는 팀은 15kW 트랙터용 연료전지를 개발하였다. 20hp을 내는 이 트랙터용 연료전지는 수산화칼륨전해질과 1V가 나오는 1008개의 단위전지로 구성되었다. 1960년대 초기에는 산-전해질 연료전지와 백금촉매 관심이 집중되었다. 단순한 구조와 신뢰성이 높은 전해질 개발과 알카라인 연료전지에서 사용 가능하지 못한 석탄으로부터 얻을 수 있는 다른 연료 형태 연구에 집중되었다. G.H.J. Broers와 J.A.A Ketelaar는 산화물로 전해질 사용을 단념하고, 용융염을 사용하였다. 1960년 650℃에서 다공성 산화마그네슘에 리튬탄산염과 나트륨, 칼륨의 혼합물을 담지시켜 전해질로 사용한 연료전지에 대한 연구 결과를 보고하였다. 1961년 G.V. Elmore와 H.A. Tanner 소위 중간 정도의 온도에서 작동되는 인산형 연료전지(PAFC)를 개발하였다. 전해질은 35%의 인산과 65%의 실리콘카바이드나 테프론의 혼합물로 구성되어 있다. 산 배터리와 다르게 인산형 연료전지에서는 연료전지 구동 중 전기화학적 환원반응이 일어나지 않는다. 더군다나, 이 배터리는 순수한 산소 대신에 공기를 사용할 수 있다. 90㎃/㎠, 0.25V로 6개월 간 큰 저하 없이 인산형 연료전지가 작동하였음을 보고하였다.
1962년 J. Weissbart와 R. Ruka는 1000℃에서 구하는 산화지르코늄을 담지 시킨 세라믹산화물 연료전지를 개발하였다. 1970년 이후 연료전지들은 전극의 반응면적을 크게 하여 확산제한들을 제거, 초매의 비용 저감, 효율증가와 장기사용성 양상으로 특성화 되었다. 연료개질 장비의 사용으로 석유 연료가 널리 사용되기 시작하였다. 이 연료들의 발열량을 활용한 방식으로 인산형 연료전지는 45%, 고체산화물 연료전지는 50%, 용융탄산염연료전지는 60%의 효율을 얻을 수 있다. Ostwald에 예견 이후 100년 동안, 고효율, 유해가스저감 기술을 갖는 연료전지는 전기발전분야 혁명에 강한 후보자가 되었다. 지난 20년 동안 수소연료전지 분야에서 100배 이상 증가하였다. 1990년 NASA의 jet Propulsion 연구소와 남 캘리포니아 대학과 함께 메탄올 배터리를 개발하였다.
21세기 : 현재
많은 기업들은 연료전지를 다양한 연료전지 애플리케이션에 적용 개발하고 있다. 예를 들어, 자동차 분야에서의 연료전지의 적용이 많아지고 있고, 항공, 해운, 열차, 버스, 자동차 모터사이클, 트럭, 지게차 등에서 폭 넓게 적용되고 있다. 자판기, 진공청소기, 교통신호기 등에도 연료전지가 적용되고 있다. 반면에 다양한 포터블 전자기기인 휴대전화, 노트북 시장 또한 급격히 성장하고 있다. 비교적 대용량 분야로는 병원, 소방서, 은행 등에서 자체 전력을 위해 연료전지가 적용되고 있다. 정시장과 폐석장에서 나오는 메탄가스 변환 프로세스로서도 적용하기 위해 연료전지가 사용되기 시작하였다. 연료전지는 광범위하게 다양한 애플리케이션에 적용 중에 있다.
고정형 연료전지
병원, 방공호, 양로원, 호텔, 관공서, 학교에 2500개 이상의 연료전지 시스템이 설치되었다. 연료전지 시스템은 망으로 플랜트에 연결되어 추가적인 전력을 공급하거나 또는 원거리나 고립된 지역의 전력을 공급하기 위해서도 사용된다. 오늘날의 연료전지 전력 발전 시스템은 40%의 효율을 얻고 있다. 소음이 적고, 환경오염 물질 배출이 적다는 이유 때문에 머지않아 전기를 대체할 것이다. 또한 고정형 연료전지의 고온작동은 효율을 85%까지 높일 수 있다.
텔레커뮤니케이션, 컴퓨터, 인터넷 등은 인류에 필수적인 요건이 되고 있다. 이것은 신뢰성 높은 전기 공급의 필요성을 의미한다. 연료전지는 99.999%의 높은 신뢰성을 바탕으로 전력 공급이 어려운 지역에 사용 중인 1내지 5kW 급의 배터리와의 경쟁을 시작하였다. 텔레커뮤니케이션용 스위치, 전파타워, 수신기, 다른 전기 설비를 위한 주전원 및 부전원으로 연료전지가 사용되기도 한다. 또한 연료전지는 매립지와 폐수처리 설비에도 적용 중이다. 연료전지는 폐수처리나 매립지에서 생성된 메탄가메탄부터 전력을 생산할 수 있게 하여 배출 양을 감소시킬 수 있다. 맥주양조장에서 생산되는 메탄가스의 이점을 이용하기 위해 아사이, 기린, Sierra Nevada社 등도 연료전지를 설치하였다.
운송용 애플리케이션
대다수의 자동차 제조사들은 연구, 개발, 시험용으로 연료전지 자동차를 이용하고 있다. 2007년 혼다는 최초의 연료전지 FCX Clarity 모델을 로스엔젤레스 모터쇼에서 발표하였고, 연료전지를 이용한 버스는 최근 4년간 전세계적으로 운행되고 있다. 이러한 자동차들은 화석연료로부터 생산된 수소를 연료로 사용할지라도 고효율을 얻을 수 있고 만약 수소를 재생에너지로부터 얻을 수 있다면, 이산화탄소 배출이 없기 때문에 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다. 모터사이클은 크기에 비해 오염 배출량은 트럭과 유사하여 환경오염에 큰 문제를 주기 때문에 연료전지를 사용할 경우, 이런 오염을 획기적으로 줄일 수 있다. 연료전지는 전기 수소 기계류나 지게차에도 적용되기 시작하였고, 일반 엔지 사용 시 발생되는 불량, 교체, 수리 때문에 발생하는 물류비용을 연료전지 사용으로 감소시켰다. 연료전지는 배터리에서 발생되는 문제가 없으므로 일정한 전력 공급이 가능하다.
또 다른 운송용 애플리케이션으로는 장거리 수송 트럭의 보조 전원으로써 연료전지가 사용되고 있는 것을 들 수 있다. 美 에너지청(DOE)의 보고에 따르면, 주차 및 운전휴식기간 동안 11.7억불 가량이 연료와 엔진 수리비에 사용되고 있다고 한다. 에어컨디션, 컴퓨터, 라디오, TV, 냉장고, 전자레인지 등에 사용될 전력을 연료전지가 보조전원으로 사용된다면 유용할 것이다.
메르세데츠-벤츠 트럭에 사용된 보조 전원 사용시 연간 2500 백만 리터의 디젤 연료와 11~80톤의 CO2 사용이 감소하였다. 공해, 오염물질을 배출하지 않기 때문에 광산용 전차에도 연료전지를 적용하였다. 8개의 150kW PEM 연료전지로 1.2MW 가진 109톤 기관차를 제작하였다. 미 해군은 소음을 줄일 수 있고, 낮은 온도에서 작동하는 연료전지의 이점으로 레이더에 걸리지 않으며, 부산물로 생성되는 물 사용으로 장기 운행이 가능하다는 이점 때문에 연료전지 항공기에 관심이 매우 많다.
고효율 저연료소비 때문에 연료전지는 해운 쪽에서도 고려되고 있다. 일반적으로 보트는 1리터당 오염배출이 자동차보다 약 140배 많다. 아이슬란드는 2015년 낚시보트에 보조전원으로 연료전지를 사용할 것을 권고하였고, 주전원의 적용도 고려하고 있다.
휴대용 애프리케이션
연료전지는 전력망이 없는 장소에서도 전기공급이 가능하다. 예를 들어 실외 활동 시 필요한 전력은 현재 디젤 발전기를 사용한다. 매연과 소음을 유발하는 디젤 발전기를 연료전지로 대체시 환경과 소음문제에 도움이 될 것이다. 연료전지는 또한 군용으로 전력이 일시정지 되었을 경우 지원 전력으로 사용 가능하다. 연료전지는 배터리보다 경량이고, 내구력이 좋아 전쟁 시 기동력에 유리하다.
마이크로 파워
배터리보다 장시간 사용할 수 있는 연료전지를 휴대전화와 노트북에 적용시킨다면 연료전지는 텔레커뮤니케이션의 세계를 변화시킬 것이다. 이러한 애플리케이션에는 주로 직접 메탄올 연료전지(DMFC)를 사용한다. 모토로라, 도시바, 삼성, 파나소닉, 산요, 소니 등이 휴대전화 적용제품을 선보였다. 연료전지는 동일사이즈의 제품에 적용시 리튬이온 배터리보다 2배 이상의 작동시간을 갖고 있다. 노트북용은 현재 적용하기 이르지만 현재 연료의 재공급 없이 5시간까지 구동이 가능하다. 다른 애플리케이션으로는 무선호출기, 화재감지기, 보청기, 비디오저장매체, 보안 알람 등이 있다.
결론
본고는 200년 동안의 연료전지 개발의 힘든 역사에 관하여 다룬 것이다. 낮은 가격의 석유가 충분하고, 환경 문제가 관심사가 아닐 때는 연료전지 개발에 관한 공감대를 형성하기가 어려웠다. 다행히도 요즘에는 과학과 기술 분야 외에도 군사, 우주항공 애플리케이션용으로도 연료전지가 관심을 받고 있다. 석유 가격의 상승, 정책변화, 지구환경 파괴 등으로 인해 향후 연료전지는 전력 생산의 다른 유력한 방법으로서 신중히 고려될 것이다. 비록 연료전지의 발명에 대한 논쟁은 여전하지만, W.R Grove 경이 연료전지 최초의 아버지라는 데는 이견이 없을 것이다. 연료전지의 출현은 단편적인 사건이 아니라 물의 전기분해와 관련한 초기 발견을 이루어낸 W. Nicholson과 A. Carisle에서부터 크게 영향을 미치게 되었다.
연료전지의 다양한 역사적 사건 등 중에서도 F.W. Ostward와 그 이론적인 구조 그리고 F.T. Bacon의 실험은 매우 중요한 업적으로 손꼽을 수 있다.
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제목: 연료전지의 역사
