수소연료전지
센터 박사
[투데이에너지] 전 세계적으로 탄소중립을 위한 많은 전략 중에 가장 크게 각광을 받고 있는 것이 수소에너지다. 유럽, 일본, 미국, 중국을 비롯해 호주와 산유 국인 사우디아라비아까지 수소에 관심을 가지지 않는 나라는 없다.
수소를 생산하고 저장하는 시스템이 현재 개발 중에 있지만 기술적으로 수소 활용 분야인 수소연료전지 기술은 2000년대부터 많은 진보가 있어 왔다. 향후 수소 경제가 활성화가 된다면 수소연료전지에 대한 수요가 매우 많을 것이다.
예를 들면 전 세계에서 1년에 생산되는 모든 백금을(약 150 톤) 사용해 수소차를 (1대 당 백금 사용량 50g 산정) 생산한다고 가정하면 300만대 수소차를 만들 수밖에 없고 현재 전 세계 자동차 시장이 연간 1 억대 판매가 된다면 수소차는 3%밖에 만들 수밖에 없다.
우리는 고가의 가격인 PEMFC의 핵심 소재를 가격 저감시키는 혁신적인 기술 개발이 필요하다. 이를 위해서는 두 가지 방법이 있다. 첫 번째는 저가의 소재(비귀금속계 촉매 및 비불소계 전해질막)를 사용해 PEMFC를 구성하는 것이다.
하지만 이 접근법은 60여년 동안 수많은 연구자가 백금 촉매 및 불소계 전해질막 대체 소재를 찾으려고 노력했으나 아직까지 대안을 찾을 수 없었다. 그 이유는 연료전지 작동방법이 전해 질막에서 프로톤이 움직이기 때문에 운전 환경의 pH가 1에 가까워 매우 강산 분위기라고 할 수 있다.
이 산 분위기에서 연료전지 반응을 잘 일으키 면서 내구성이 좋은 촉매가 아직까지 발견된 것 이 없다. 두 번째 접근법은 연료전지 구동 환경의 pH 분 위기를 산에서 염기(pH 14)로 바꾸는 것이다.
위에서 언급을 했듯이 강산 분위기에서 안정한 촉매소재가 없기 때문이다. 다행스럽게도 pH가 높은 염기 분위기에서는 연료전지를 구동하면서 촉매 성능도 높고 내구성도 우수한 저가 촉매가 매우 많다. 특히 매장량도 많은 전이금속 대부분이 이 촉매에 해당된다.
이 연료전지 타입을 고체알 칼리막 연료전지(AEMFC)이라고 한다. AEMFC 는 PEMFC에 비해 가격 경쟁력이 월등히 높은 것으로 알려져 있다. 또한 AEMFC의 경우 PEMFC 에서 주로 이용되는 고가의 Nafion 계열 대신 저가의 탄화수소계 전해질이 이용되는 장점이 있다.
AEMFC는 액체 전해질을 이용하는 전통적인 알칼리 연료전지(alkaline fuel cell; AFC)의 변형 된 형태로써 전해질 소재로 중성의 조건에서 높은 전도도를 가지는 고체 전해질막을 이용하기 때문에 AFC가 가진 근본적인 문제점, 즉 △전해질의 강한 부식특성 △공기 내의 CO2에 salt 침적 △액상 전해질 사용에 따른 sealing 및 압력 관리 문제 등을 해결할 수 있는 기술로 알려져 있다.
또한 PEMFC는 현재 거의 모든 핵심 소재를 외국에 의존하고 있는 상황이다. AEMFC 분야는 아 직까지 뚜렷한 선두 주자가 없어 이 분야의 원천 소재를 국내에서 먼저 개발하는 경우 새로운 산업 창출과 더불어 연료전지와 관련된 산업에서의 국제적으로 주도적인 위치에 설 수 있으리라 판단된다.
이러한 AEMFC의 장점에도 불구하고 아직까지는 AEMFC의 낮은 연료전지 성능으로 인해 많은 연구가 진행되지 않아 상용화에는 이르지 못하고 있는 실정이다. 최근 미국 DOE에서는 2025 년까지 1,000mW/㎠의 성능과 1,000시간의 장기 안정성을 가지는 AEMFC를 개발하려는 목표로 과제를 지원하고 있어 이 분야에 기술 경쟁력을 높이려고 노력중이다.
차세대 연료전지인 AEMFC는 수소 활용 기술 중 가장 가격경쟁력이 높은 기술로서 글로벌 시장에서 선도적 기술 진입을 위해서이다. 핵심 소 재 및 부품과 같은 신기술 분야 경쟁 체제 돌입에 대한 선제적 대응과 정부의 적극적인 지원이 필요하다.
또한 상용화된 PEMFC와 경쟁할 수 있는 수준의 고용량 고내구성 AEMFC 시스템 개발 및 구축 지원 활성화를 통한 글로벌 기술 경쟁력 확보가 시급하다. 보다 성숙된 AEMFC 시스템 및 소재 기술과 중단기적 실증 데이터를 기반으로 미래 차세대 연료전지 기술 개발을 선제적으로 지원해 그린수소 활용 기술의 진보성을 확보하는 정책 일관성이 중요하다.