고유가 시대를 맞아 미래 대체에너지의 하나로 떠오르고 있는 연료전지가 각광을 받고 있다. 수소 에너지로부터 전기 에너지를 발생시키는 환경 친화적 신 에너지 기술인 연료전지는 노트북, 휴대폰 등 모바일 정보통신기기에서 자동차까지 응용분야가 끝없다. 쓰임새에 따라 발전용·수송용·휴대용 전지로 나뉜다. 이중 발전용 연료전지는 원자력발전을 대체할 것으로 예상되고 있다.
■물을 만들면 전기가 생긴다
물을 전기분해하면 수소와 산소로 분해된다. 반대로 수소와 산소를 결합시키면 이 과정에서 에너지가 발생하는데 이를 이용, 연속적으로 전기에너지를 생산하는 발전장치가 연료전지다.
연료전지는 연료극, 전해질층, 공기극이 붙어있는 셀(cell)로 구성된다.<그림> 여기에 수소가 연료극으로, 산소가 공기극으로 공급되면 연료극에서 수소는 전자와 수소이온으로 분리된다.
수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하여 공기극의 산소와 외부회로를 통해 들어오는 전자와 결합해 물을 생성한다. 이 과정에서 전기와 열이 발생한다. 연료전지가 만들어내는 전기 용량은 전극 면적 또는 적층되는 셀의 수를 조절하여 결정한다.
■연료전지는 차세대 에너지
과거 발전 방식은 연료의 에너지로부터 전기를 얻는 과정에서 열 및 운동에너지가 발생하기 때문에 에너지의 손실이 발생했다. 하지만 연료전지의 경우 이상적인 효율이 80% 이상의 높은 수치를 나타내고 있다.
한국과학기술연구원(KIST) 연료전지연구단장인 임태환 박사는 “연료전지는 발전 효율이 높다는 것이 가장 큰 장점”이라고 말했다.
연료전지는 환경 친화적이다. 화력발전이나 디젤 발전기에서와 같은 연소과정이 없기 때문이다. 전기화학 반응 후 발생하는 것은 열과 물, 전기 뿐이다. 질소산화물이나 황산화물의 배출은 거의 없다.
이밖에도 연료전지는 수소와 산소의 반응이 전기화학반응이기 때문에 내연기관과 같은 폭발 현상이 없어 조용하고 고온연료전지의 경우 폐열 활용도 가능하다. 건설과 증설도 쉽다.
■전해질이 용도를 변화시킨다
연료전지는 이온의 통로가 되는 전해질의 종류에 따라 분류가 결정된다. 전해질이 정해지면 전해질을 최적으로 작동시키는 온도가 결정되고 적정온도에 따라 다시 전극 촉매가 결정된다. 적정온도와 촉매의 결정은 응용분야와 생산비용을 판가름하는 중요 요소다.
고분자 전해질 연료전지의 경우 저온형 연료전지에 속하며 자동차용으로 사용이 가능하다. 같은 저온형인 직접메탄올 연료전지는 휴대폰이나 노트북용 전원으로 상용화될 예정이다.
용융 탄산염 연료전지나 고체 산화물 연료전지는 각각 600도 이상 및 800∼1000도의 고온에서 작동하며 중대형 발전 플랜트로 이용이 기대되고 있다. 또한 이들 고온연료전지는 전기 외에도 폐열을 난방 등에 사용할 수 있어 에너지 효율도 높다.
■연료전지는 미래의 황금시장
시장조사기관 ABI사는 발전용 연료전지의 세계시장 규모는 2010년 최대 220억달러에 달한다고 전망했다. 또한 현대자동차는 2015년 자동차용 연료전지의 세계시장 규모가 180억달러, 국내시장은 5억2500만달러가 될 것으로 내다봤다.
이밖에도 메릴린치는 휴대용 연료전지가 세계시장 150억달러, 국내시장은 최대 8억5500만달러 규모로 성장할 것으로 전망했다. 수소경제의 시대가 눈앞에 다가오고 있는 것이다.
■개발경쟁도 치열하다
연료전지는 삼성전자, 삼성SDI, 포스코, LG화학 등 국내업체와 히타치 등 일본 업체가 치열한 개발 경쟁을 벌이고 있는 분야다.
실제 삼성전자는 지난해 말 삼성SDI와 함께 한번 장착하면 한달 동안 노트북을 사용할 수 있는 연료전지를 개발했다.
KIST 수소연료전지 사업단과 현대자동차는 지난해부터 연료전지를 장착한 버스 4대와 승용차 30대를 만들어 시험운행 하고 있다. 포스코는 오는 2010년 연료전지의 원천기술을 확보할 수 있다고 자신한다.
■자료제공=한국과학기술연구원 연료전지연구단
/economist@fnnews.com 이재원기자
※ 저작권자 ⓒ 파이낸셜뉴스, 무단전재-재배포 금지