자동차상식 + 자동자학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 100강. 연료전지의 개요 및 원리

100강. 연료전지의 개요 및 원리

 

가. 개요

연료전지의 개발 역사는 지금으로부터 150년전 1839년 영국의 과학자 William Groves
가 연료전지에 의한 발전실험에 성공한 것으로 시작되었다. 그러나 실험실에서 간단하
게 할 수 있는 수준에서 실용 레벨이 될 때까지 상당히 오랜 시간이 필요하였다.
연료전지가 실용 수준이 된 것은 1960년대에 미국의 제미니 아폴로 우주선의 전원용
으로 개발되면서 부터이다. 아폴로 11호가 인류 최초로 달에 착륙하던 때, 그 우주선의
전원은 연료전지뿐 이었다. 순수소와 순산소를 원료로 하는 연료전지는 현재 스페이스
셔틀에도 탑재되어 가동 중에 있다.
연료전지가 유인 우주선의 전원으로 사용된 이유는 장시간 사용하는 경우 다른 것에
비하여 가볍고, 회전부분이 없어서 발전중에 흔들리지 않으며, 발전 결과 생기는 것은
물이므로 탑승원의 음료수로 쓸 수 있다는 특징 때문이다. 스페이스 셔틀 이전의 유인
우주선에 연료전지가 탑재 되어 있었던 것도 이러한 이유 때문이다.
연료전지는 연료(수소)의 화학에너지가 전기에너지로 직접 변환되어 직류전류를 생
산하는 능력을 갖는 전지(Cell)로서 산화-환원반응을 이용한 점 등 기본적으로는 보통
의 화학전지와 같지만, 고립계(Closed System)에서 전지반응(Cell Reaction)을 하는 화
학전지와 달리 반응물이 외부에서 연속적으로 공급되며, 반응생성물은 연속적으로 계의
외부로 제거된다는 점이 다르다. 이러한 연료전지의 기본원리는 1839년 영국의 William
Robert Grove에 의해 발견된 이후 1960~70년대 AFC(Alkaline Fuel Cell)이 아폴로 우
주선의 동력발생장치로 탑재되는 등 특수목적에 한정되어 사용되다가 1980년대 말에 이르러 무공해 차량의 동력원으로 활용될 것으로 기대함에 따라 활기를 되찾게 되어 현
재 전 세계적으로 이에 대한 연구개발이 활발히 진행되어 오고 있다.
연료전지 자동차 개발은 21세기 초반 인류의 주된 화두로 제시되는 환경문제에 대한
자동차 분야의 환경친화기술 중에 출력밀도가 높아서 소형화가 가능하고 안정성이 우
수한 고체 고분자 전해질형 연료전지(이하 PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel
Cell)를 중심으로 진행되고 있는데, 환경친화성과 연료 공급 편의성을 겸비한 것으로 차
세대 자동차 중에서도 실용화의 가능성이 매우 높은 것으로 평가 받고 있다. 또한, 연
료전지자동차의 궁극적인 연료는 수소로 예측되고 있으며, 응답성 및 시동시간 등을 개
선하기 위해 이차전지/연료전지 하이브리드 형태로 개발되는 추세이다. 따라서, 기존의
내연기관을 대체하여 연료전지를 동력원으로 하는 연료전지 자동차는 배기가스에 의한
오염이 없는 전기자동차의 장점을 가지면서도 기존의 전기자동차가 가지고 있는 충전
시간, 일 충전, 주행거리 등의 문제점을 해결할 수 있으며 연료의 이용효율이 기존의 내
연기관에 비해 약 2배 정도여서 환경친화성 및 실용성 면에서 미래형 자동차로서 궁극
적으로는 주류를 이룰 것으로 예상되고 있다.

자동차에 사용되는 에너지원

현재 운송수단에 사용되는 에너지는 전체의 약 30%에 달하고 있기 때문에 자동차 산
업분야에 있어서 이산화탄소 총량규제, 저공해자동차 의무판매규정 등과 같은 형태로
표현되는 각종 환경규제는 자동차 산업 자체를 위축시킬 수 있는 요소이다. 또한, 최근
의 이라크 전쟁과 같은 에너지 자원의 안정적인 확보를 위한 분쟁의 가능성이 높아지
고 있는 분위기에서 미국의 부시대통령이 2002년 연두교서에서 밝힌 바와 같이 새로
운 에너지원으로 주목받고 있는 수소에 대해 수소에너지 사회 건설을 위한 기술력 확
보를 천명하였으며, 실제로 자동차분야에서는 2003년도에 개정된 CARB의 ZEV규정에
서 캘리포니아 주에 판매되는 차량의 회사별 시장점유율에 따라 ZEV차량을 연료전지
자동차(fuel cell vehicles)로 개발하여 의무 판매하여야 한다는 수정조항의 형태로 표
현되고 있다.
2014년 현재 세계 5위의 자동차 생산국인 한국의 경우 자동차 산업의 지속적인 발전
을 위해서는 이러한 산업 환경의 변화에 대해 능동적으로 대처할 수 있도록 장기적인
안목으로 환경문제와 에너지문제를 동시에 해결할 수 있는 자동차용 연료전지 기술에
대한 확보가 시급하다.

나. 연료전지의 원리

연료전지자동차 엔진룸 내의 연료전지 시스템

연료전지자동차는 연료전지를 동력원으로 하는 일종의 전기자동차로서 연료전지 단
독 혹은 연료전지/이차전지 하이브리드 형태로 개발되고 있으며 충전시간, 일충전 주행
거리 등의 문제점을 해결할 수 있어 실용화가 가능한 차세대 무공해자동차로 평가받고
있다. 전기자동차 동력원으로서의 연료전지 장점은 단위무게당 에너지밀도가 이차전지
에 비하여 월등히 우수하며 연료의 이용효율이 36~50%로 내연기관의 20%에 비하여
매우 높고 석유계열 이외의 연료 (천연가스, 알코올, 수소)를 사용할 수 있다는 점이다.
물의 전기분해에서는 물에 통전을 하면 수소와 산소로 분해하는 것은 이미 다 알고
있으리라 생각된다. 연료전지의 기본원리는 그림과 같이 물의 전기분해와 역 원리로서,
수소와 산소를 전기화학적으로 반응시키면 물을 생성함과 동시에 전기를 외부로 취출
하는(즉, 발전하는) 장치이다.

연료전지는, 연료가 가진 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기로 변환하며,
열기관과 같은 카르노사이클의 제약을 받지 않기 때문에, 에너지 변환효율이 높다. 손
실은 연료전지의 내부저항에 기인하므로 경부하(저전류)일수록 변환효율이 높아서, 부
분부하 사용이 많은 자동차용 동력원으로 적합하다.

수소를 연료로 하는 경우에 반응생성물은 물뿐이며, 메탄올 등을 개질하여 수소를 얻
는 경우에도 유해배출가스성분을 미량으로 억제할 수 있어서, 아주 깨끗한 발전시스템
이다. 연료가 되는 수소는, 물의 전기분해에 의한 제조, 석유제품 제조나 제철소의 부
생가스에서 얻을 수 있는 외에, 석탄, 천연가스 등의 개질반응에 의해서도 얻을 수 있
어서, 에너지원의 다양화에도 대응 가능하다. 장래에는 태양광 발전, 바이오매스 등 재
생가능에너지로부터의 전환도 가능하여, 영속성이 있는 에너지원이라고 할 수 있다.