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[기획] 고온 PEMFC, 가정용·건물용 연료전지의 대안?가격·신뢰성 충족…내구성과 성능 향상 숙제
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승인 2012.05.02  
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최근 시장 진입기에 들어선 연료전지 기술은 현재 저온 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell 고분자전해질 연료전지)와 MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell 용융탄산염 연료전지)로 대변되고 있다.

현재 각각 가정용 연료전지와 발전용 연료전지 분야에서 두각을 나타내고 있는 이 두 연료전지 제품은 모두 정부의 지원 하에 판매가 이뤄지고 있다.

이러한 시장 진입기를 맞은 연료전지는 최근 들어 연구개발 단계에서 파악하지 못했던 여러 가지 문제점 및 제품에 대한 개선점 등이 속속 드러나고 있다. 우선 연료전지가 시장에 진입하면서 드러나기 시작한 심각한 문제점은 고가의 연료전지 가격과 연료전지의 신뢰성 두가지로 요약할 수 있다.

사실 이 두가지 문제점은 연구개발 단계에서도 어느 정도 이슈화되어 알려져 있었지만 시장에 진입하면서부터 그 문제의 심각성이 두드러졌다고 할 수 있다.

이 가운데 PEMFC는 가동에 걸리는 시간이 짧고 비교적 부피가 작아 도심에 위치한 가정이나 건물용 연료전지로 각광받고 있다. 다만 1kW급 기준 약 5,000만원에 이르는 높은 판매단가 때문에 대량 생산이 이뤄지기 전에는 가격경쟁력이 떨어지는 상황이다.

현재 1㎾급 연료전지는 그린홈 100만호 보급사업에서 75%를 지원하고 있으며 지자체 지원 10%를 포함해 모두 약 85%를 보조해 소비자 부담 비율은 전체 금액의 15% 정도다.

게다가 올해부터 그린홈 사업에 선예치 제도가 도입되면서 소비자가 설치비를 미리 부담해야 하기 때문에 다른 신재생에너지원에 비해 상대적으로 가격이 높은 PEMFC는 불리한 상황에 놓이게 됐다. 가격경쟁력이 떨어지다 보니 태양광 등 다른 분야에 비해 보조금이 높은 것도 부담으로 작용하고 있다. 계속해서 연료전지 부문에만 혜택을 줄 수는 없기 때문이다.

이러한 가정용과 건물용 연료전지의 기술로 주로 적용 되어온 저온 PEMFC도 가격과 신뢰성 문제가 시장 진입과 더불어 그 심각성이 대두되며 이에 대한 해결을 위한 여러 가지 노력들이 진행되고 있다.

하지만 전문가들은 현재 저온 PEMFC가 가진 기술적 한계로 인해 그 결과에 대해서는 다소 회의적으로 보고 있다. 이러한 상황중에 문제에 대한 해결책으로 관심을 끌기 시작한 것이 바로 고온 PEMFC 기술이다.

이 기술은 전해질 막의 이온전도 메커니즘이 물에 의존하지 않아 가습기가 필요 없고 높은 운전 온도로 인해 CO에 대한 내성이 강해 단순한 시스템 구성을 할 수 있어 연료전지의 가격과 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다.

이번호에서는 이러한 고온 PEMFC의 기술적 특징을 살펴보고 국내외 기술 현황 및 그 전망에 대해 살펴보고자 한다.

<편집자 주>

■ 고온 PEMFC 기술의 특징

고온 PEMFC 와 저온 PEMFC의 가장 큰 차이점은 운전온도와 전해질 막이다.

저온 PEMFC에 사용되는 전해질 막은 주로 Nafion과 같은 PFSA(perfluoro-sulfonic acid) 계인데 반해 고온 PEMFC에 주로 사용되는 전해질 막은 인산이 첨가된 PBI(polybenzimidazole) 계이다. PFSA계 전해질 막에서는 프로톤 전도 메카니즘이 물에 의존적이기 때문에 운전온도가 물의 끓는점에 가까울수록 전해질 막 내 수분 함유율이 감소해 이온전도도가 급격히 강하돼 연료전지의 운전이 불가능해진다. 반면 인산이 첨가된 PBI계 전해질 막에서는 프로톤 전도 메커니즘이 물에 의존하지 않아 물의 끓는 점 이상에서도 전해질 막의 이온전도도가 높게 유지되며 100℃ 이상의 온도에서도 운전이 가능하다.

또한 프로톤 전도 메커니즘이 물에 의존하지 않는 이유로 기존 저온 PEMFC에서 반드시 필요했던 가습기가 고온 PEMFC 에서는 필요 없게 됐다. 뿐만 아니라 아니라 저온 PEMFC 에서는 flooding 현상과 같은 응축수로 인한 여러 가지 문제가 스택 및 공정에서 발생했지만 고온 PEMFC 는 높은 운전온도로 인해 이와 같은 문제가 발생하지 않아 스택의 설계가 수월해지고 시스템에서는 water trap과 같은 응축수 처리 장치가 필요 없게 됐다.

이와 함께 높은 운전온도로 인해 고온 PEMFC는 기존 저온 PEMFC에 비해 활성화 과전압이 줄어드는 장점이 있으며 온도가 높을수록 물질전달 저항도 줄어들어 농도분극 또한 감소한다.

기존의 저온 PEMFC에서는 개질가스 내 CO로 인한 MEA의 피독 및 이로 인한 성능저하를 방지 하고자 개질기 후단에 CO 농도를 10ppm 이하로 감소시킬 수 있는 CO 제거 장치가 반드시 필요했다. 그러나 고온 PEMFC 에서는 운전온도인 160∼180℃ 정도에서 CO의 피독으로 인한 MEA의 성능저하 현상이 급격히 줄어들어 CO 농도 3% 정도까지도 내성을 보이며 CO 제거 장치가 필요 없게 됐다. 아울러 H2S와 같은 연료 내 황화합물에 대해서도 10ppm 까지 내성을 보여 기존 저온 PEMFC 에서는 반드시 요구되던 까다로운 연료의 순도가 많이 완화된 것이 특징이다.

고온 PEFMC의 또 다른 장점은 높은 배열 온도라 할 수 있다. 기존 저온 PEMFC의 배열 온도는 약 60℃ 부근으로 온수로는 활용이 가능했지만 건조나 냉방용으로는 온도가 낮아 활용이 불가능 했다. 반면 고온 PEMFC 는 약 100℃에 달하는 높은 배열 온도가 가능해 건조 및 냉방에도 활용 가능해 연료전지에서 발생한 열 활용을 극대화 할 수 있는 장점이 있다......
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