글/일본연료전지개발정보센터 本間 琢也연료전지란 연료전지는 모두 수소(개질 가스)와 산소(공기)가 전기화학 반응에 의해 직접 전력과 열을 내는 방식이지만 이온의 통로인 전해질 종류에 따라 몇가지로 분류되고 있다. 그 중에서 현재 개발이 적극적으로 진행되고 있는 것은 인산형, 고체고분자형, 알칼리형, 직접 메탄올 변환형, 용융탄산염형, 고체산화물형 연료전지이다. 연료전지는 그 종류에 따라 동작온도가 크게 다르기 때문에 출력 규모나 이용 분야에 따라 예상되는 이용자가 다르다. 예를 들어 인산형, 고체고분자형, 알칼리형은 비교적 저온에서 동작하기 때문에 저온형 연료전지라고 불리는데 분산형 코제너레이션 전원이나 자동차용 동력원으로서 시장 개척이 이루어지고 있다. 이것에 비해 용융탄산염형 및 고체산화물형은 600℃ 이상의 고온에서 동작하기 때문에 연료전지라고는 해도 열기관적인 요소를 겸비하고 있어 코제너레이션보다는 오히려 중규모 발전 플랜트로서 여겨지는 경우가 많다. 직접 메탄올형은 자동차 엔진으로의 이용도 생각할 수 있는데 최근 주목받고 있는 것은 휴대전화나 랩탑형 컴퓨터용 전원으로서 실용화하려는 움직임이다. 연료전지의 원리와 특징(1) 셀의 동작 원리연료전지는 기본적으로는 애노느와 캐소드라고 하는 1쌍의 전극 및 이온 통로를 형성하는 전해질로 구성된다. 예를 들어 인산형(PAFC)이나 고체고분자형 연료전지(PEFC)의 경우, 애노드(음극 전극)에 수소가 공급되면 전극 반응에 의해서 수소 원자로부터 전자가 해방되어 수소 이온이 만들어진다. 수소 원자로부터 개방된 전자는 외부 회로를 거쳐 캐소드(양극 전극)에 도달한다. 그 외부 회로를 통과하는 전자가 외부에 작업을 하기 위한 전류를 구성한다. 캐소드에 도달한 전자는 거기에서 외부에서 도입된 산소(공기) 및 전해질 속을 애노드로부터 이동해 온 수소 이온과 반응하여 물을 생성한다. 이렇게 해서 전자와 이온의 흐름으로 연료전지와 외부 회로 사이에 폐회로가 형성되는 것이다. 이 경우 전극 반응을 촉진하기 위하여 전극 촉매로서 백금, 루테늄(Ru) 또 그 합금들이 사용된다. 전극 반응을 식으로 나타내면 다음과 같다. 각종 연료전지의 전극 반응을 방정식으로 나타내면 다음과 같다. 애노드 : H2 → 2H＋＋2e- ↓ 전해액 ↓ 외부회로 캐소드 : 1/2O2＋2H＋＋2e- → H2O 이다. 연료전지의 종류에 따라 전극 반응은 다르다. 예를 들어 알칼리형 연료전지(AFC)에서는 캐소드에서 생성된 수산화 이온이 전해질 속을 애노드로 이동한다. 전해질에 탄산리튬과 탄산칼륨의 2성분 혼합물, 또는 탄산 나트륨과의 혼합물을 이용한 용융 탄산염형 연료전지(MCFC)일 경우, 전해질을 통과하는 이온은 CO3 2- 이며, 이 연료전지에서는 CO2가 애노드로부터 캐소드로 외부에서 공급되어야 한다. 그러나 CO의 산화반응에 의한 발전이 가능해서 석탄가스화 가스에 의한 발전으로 이용이 기대되고 있다. 또 전해질에 안정적인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ) 등의 세라믹이 쓰이는 고체산화물 연료전지(SOFC)에서는 1,000℃처럼 높은 작동 온도가 가능해지므로 MCFC와 마찬가지로 CO를 연료로 쓸 수 있다. SOFC에서는 세라믹 전해질 속을 이동하는 것은 산소 이온이 된다. (2) 연료 개질 수소는 천연에 존재하지 않는 연료이기 때문에 일반적으로 탄화수소계 연료로부터 다음과 같은 개질 반응에 의해서 생성된다. CnHm＋nH2O(g) → nCO＋(n＋(m/2))H2(흡열 반응) → PEFC와 같이 백금계 금속을 촉매로 사용할 경우에는, 연료 중에 CO가 존재하면 촉매가 피독(被毒)을 받아 그 성능이 열화되기 때문에 이하와 같이 시프트 반응에 의해서 CO를 산화한다. 반응식은, CO＋H2O → CO2＋H2 (발열 반응)이다. 이렇게 수증기를 이용하는 개질방식을 수증기 개질이라고 부른다. 수증기 개질에 대하여 부분 산화 개질이 존재한다. 이상은 수증기 개질에 관한 식이지만 개질에는 부분 개질(POX)이나 autothermal 개질법도 존재한다. 가솔린을 포함한 탄화수소계 연료의 개질에 관한 일반식은 다음과 같이 나타낼 수 있다. CnHmOp＋x(O2＋3.76N2)＋(2n－2x－p)H2O → nCO2＋(2n－2x－p＋m/2)H2＋3.76xN2x는 산소의 연료에 대한 비(공연비(空燃比))이며, x＝0에서 수증기 개질이 되는데 그것은 흡열 반응이다. x가 커지면 반응은 흡열에서 발열로 변하고, x의 적당한 값에서 반응은 열적으로 중립 x(열의 발생이 0)가 된다. 반응열은 x만의 함수이며 따라서 화로 내의 반응 온도는 공연비만으로 제어할 수 있다. 기동 시간의 단축과 부하 변동에 대한 추종성은 자동차용 연료전지에 있어서 중요한 요건이다. 수증기 개질에서는 연료전지 스택에 대한 수소 공급량의 요구에 따라 연료와 열의 양자를 제어해야 하는데 부분 산화법에서는 연료와 공기의 투입량을 변화시킴으로써 대응할 수 있다. 이 특성은 산소의 양을 높임으로써 냉기동 시간을 단축하고 부하응답성을 높이는 것이 가능하다는 사실을 보여주고 있다. (3) 특징 연료전지는 다음과 같은 장점과 결점을 가진다. (i) 전기화학 반응으로 화학 에너지를 전력으로 변환하기 때문에 화력발전과 같이 카르노 효율의 제약이 없다. 저온에서는 원리적으로 높은 효율이 가능하다. 표준 상태에서의 이론적인 이상 열 효율은 83%(HHV) 및 94%(LHV)이지만 이 값은 온도 상승과 함께 하강한다. 연료전지로부터 출력 즉, 전류를 만든 경우에는 소위 분극현상 때문에 작동 전압이 내려가고 통상 발전 효율은 40%에서 50%의 범위에 있다. (ii) 전지 반응으로 생성되는 것은 물(수증기)이기 때문에 환경친화적이지만, 연료 개질과정에서는 CO2가 발생한다. 또 터빈같은 가동 부분이 없기 때문에 진동이나 소음 발생이 적다. (iii) 개질 과정을 포함하기 때문에 천연가스, 메탄올, 에탄올, 나프타(naphtha), 가솔린, 석탄, 가스 등 이용 가능한 연료 범위가 넓다. 여기에는 바이오매스(biomass)가 포함된다. (iv) 전기화학적 반응 과정에서 열이 발생되기 때문에 전력과 동시에 열을 이용할 수 있다. 현실의 PAFC의 발전 효율은 40% 정도로 화력발전과 다르지 않지만 열 이용을 계산하면 70% 이상의 높은 종합 효율을 기대할 수 있다. (v) 열기관과 같이 스케일에 대한 효율 제약이 없기 때문에 소규모·소용량으로 높은 효율을 가지는 전지가 가능하다. 즉, 소규모 분산형 전원으로서 적합하다. 또 부분 부하에 대해서도 높은 효율을 유지할 수 있다. 따라서, 연료전지는 그 종류에 따라 고정형뿐만 아니라 자동차, 선박, 인공위성 등 이동체용 전원으로서 적합한 특성을 가진다. (vi) 특히 셀 구조가 미세하고 화학, 열, 유체, 전기적인 현상이 매우 복잡해서 신뢰성이나 코스트면에서 어려운 문제가 많다. 이상에서 말한 것은 일반적이고도 공통된 특징이며 연료전지의 종류에 따라 각각 독자적인 장점이나 결점이 있다.인산형 연료전지(PAFC)의 시장 전개(1) 자원 리사이클 시스템일본의 아사히맥주, 삿포로맥주, 기린맥주 등의 맥주회사는 맥주의 양조 과정에서 발생하는 메탄 가스를 PAFC에 도입하여 전력 및 열을 발생시키는 시스템을 개발했다. 이것은 자원의 리사이클 이용이라고 할 것이다. 기존에 배수처리에서 발생하는 메탄 가스를 보일러에서 연소시켜 재이용하던 것을, 연료전지에 도입 이용함으로써 열뿐만 아니라 전력도 얻고자 하는 시도이다. 이러한 자원 리사이클의 시도는 맥주회사에 그치지 않는다. 예를 들어 엑시사(치바현 이치가와시)는 쓰레기를 가루로 만들어 얻은 슬러리로부터 메탄을 생성시켜 그것을 연료전지에 도입하였다. 그것으로 전력과 열을 발생시키는 시스템을 개발하여 실증 운전을 하고 있다. 동사가 개발한 “식품폐기물 가스화 발전 시스템”은 쓰레기로부터 발생하는 바이오 가스로부터 수소를 추출하고 연료전지에 의해서 발전시키려는 플랜트 구상이다. 20톤의 쓰레기는 200kWh의 전력을 만들어내는 능력을 가졌다고 한다. 대규모 식품 메이커나 외식산업 등에 식품 폐기물의 배출량 삭감 의무를 부과한 “식품 리사이클 법”이 2001년 4월에 시행되었기 때문에 이 시스템은 앞으로 더욱 주목 받을 것으로 보인다. (2) 비상용 정전 전원 도시바는 2001년 1월 17일, PAFC를 전원으로 내장한 무정전전원장치(UPS) “UPS 인테그레이션 시스템”을 상품화하고 영업 활동을 개시했다. 기존의 UPS와 비교하여 러닝코스트를 15∼25% 저감시켜 전력 변환 손실을 반감시켰다. 또한, 통상시에 연료전지로 발전한 전력을 UPS에 접속하지 않은 기기에 공급함에 따라 수전 전력을 저감할 수 있다. 이 외에 연료전지 발전시에 생기는 배열을 코제너레이션으로 이용하는 것도 가능하다. 예비연료를 설치하면 가스 공급이 정지되는 재해시에도 연료전지로 운전을 계속하여 중요 기기나 소내 일반 기기로 전력 공급을 계속할 수 있다. 공사비와 시운전 비용을 포함한 가격은 1억 4,000만엔 정도인데 데이터센터나 병원 등을 대상으로 초년도에 10대 이상의 판매를 목표로 한다. 이 시스템에 사용하는 것은 출력 200kW PAFC이다. 비상시에 안정된 전원을 공급해야 하는 중요 부하와 함께 일반 부하로 급전함으로써 연료전지를 항상 효율적인 정격 부하로 운전할 수 있다. 정전시에는 연료전지로부터 계속 전력을 공급할 수 있기 때문에 배터리가 반드시 필요하지는 않다. 또 지진 등 재해시에는 예비 연료로서 표준 2.9톤의 LPG 탱크를 설치하면 약 3일간의 전력 공급이 가능하다. 용융탄산염형 연료전지(MCFC)의 개발 동향 NEDO 사업에 의해서 MCFC 연구조합이 간사이전력 아마카사키 연료전지 발전소에서 진행시킨 “200kW급 내부 개질형 MCFC 스택의 운전 시험” 및 中部電力 가와고에 발전소에 건설한 전기출력 1,000kW급 파일럿 플랜트는 모두 정격 출력을 달성하여, 99년도에 누적 5,000시간 또는 그 이상의 실증운전 실험을 마쳤다. 이러한 MCFC 프로젝트의 성공을 토대로 2000년부터 2004년까지의 계획을 통해 새로운 연구 개발의 국면이 시작되고 있다. 즉, 수 MW급 중규모 전원을 2010년경에 실용화하는 것을 목표로 고성능 고압 스택의 기술 개발을 꾀하는 것이다. 계획으로 300kW급 가압형 발전 시스템의 개발과 이러한 기술을 적용하여 고성능 모듈(750kW급)을 제작하는 것이 강구되고 있다. 또 이 계획에는 내부 개질방식이나 석탄가스화 기술의 개발, 또 리사이클 기술이나 경제성 검토가 포함되어 있다. 고체산화물형 연료전지(SOFC)의 개발 동향고체전해질형 연료전지(SOFC)는 MCFC보다 고온인 1,000℃ 레벨에서 동작하기 때문에 콤바인 사이클의 형성에 따라 70%(HHV)에 달하는 높은 발전 효율을 달성할 수 있다는 점에서 큰 매력이 있다. 또 SOFC는 MCFC과 더불어 석탄가스에 의한 발전에 적합하므로 일본에서도 전원개발(주) 등 전력회사에 의해서 독자적인 개발이 이루어지고 있다. 한편 최근 마이크로 가스 터빈의 발전을 통해 비교적 소용량의 초고효율 발전에 대한 기대가 높아지고 있어 앞으로 새로운 전개가 가속될 것으로 생각된다. 미쓰비시 중공업은 석탄가스화 복합발전(IGCC)과 SOFC를 조합한 고효율 발전 시스템의 실용화를 목표로 연구 개발을 진행했다. 동사는 89년부터 전원개발과 공동으로 원통형 SOFC 모듈의, 또 90년부터는 中部電力과 공동으로 일체 적층형 SOFC를개발하고 있다. 동사에서는 수십kW급 모듈의 구조, 100kW급 발전 시스템 기술, MW급 모듈로의 스케일업화 기술의 확립을 거쳐 전력사업용 SOFC 복합발전 플랜트의 실증으로 진행시킬 계획이다. 또 이 시스템이 실현되면 IGCC와의 조합에서는 55%의 효율을, 또 천연가스 터빈과의 조합에서는 65%의 발전 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대되고 있다. 해외에서도 SOFC 실증 플랜트 개발이 시작될 조짐이다. 천연가스를 연료로 하는 설계 출력 217 kW SOFC/GT 사이클 유닛이 University of California의 National Fuel Cell Research Center, Irvine에 건설되어 2000년 6월부터 실증 운전 실험을 하고 있다. 이미 전기 출력 166kW를 달성하고 효율 51%(설계 효율 57%)를 확인하였다고 전해지고 있다. 연료전지로부터의 배열은 터빈에 도입되고 터빈 출력은 공기압축용 마이크로 컴프레서 및 발전기의 구동을 위해서 소비된다. 대학 연구자와 Edison Technology Solutions에서 파견된 기술자는 상업을 기반으로 한 코스트 목표를 $1,000∼1,500/kW로 상정하고 있다. 유럽에서는 Shell Hydrogen과 Siemens가 99년 7월 중순에 새로운 타입의 SOFC 플랜트 개발과 시장 개척을 목적으로 한 프로젝트 계획을 발표하였다. 이 플랜트는 Shell이 개발한 CO2의 격리 기술 (carbon dioxide sequestration technology)과 공기 중에 그린하우스 가스를 전혀 배출하지 않는다. 격리된 CO2는 고갈된 석유 및 가스저류층에 도입된다. Shell은 그들이 보유한 석유와 가스 정제시설에서의 이용을 예정하고 있는 것 같다. 이것을 기초로 개발된 SOFC 상용 플랜트는 250kW에서 10MW의 레벨이 될 것이라고 한다.고체고분자형 연료전지(PEFC)의 개발 동향 현재 상온에서 동작 가능한 소형 소용량 전원으로 가장 적합한 고체고분자형 연료전지(PEFC)는 주로 자동차의 동력원으로서의 이용을 목적으로 개발이 진행되고 있다. 그러나 동시에 이것은 가정이나 집합주택, 오피스 빌딩에서의 코제너레이션용 전원, 또는 재해시에 도움이 되는 가반식(可搬式) 전원으로의 이용도 가능하다. 자동차용으로의 연료전지가 크게 각광을 받는 이유는 상업화할 경우 시장이 광대하다는 이유 때문이다. 그러나 가정용으로 연료전지가 쓰이게 되면 그 시장도 꽤 큰 규모가 될 것이라는 것은 쉽게 상상할 수 있다. 이미 말한 것처럼 고체고분자형 연료전지(PEFC)는 자동차용 엔진으로서의 이용을 목적으로 개발되었다. 그러나 코제너레이션용에 비해 구현해야 할 조건에 약간의 차이가 있다. 그 주요 차이점은 우선 내구성에서 볼 수 있다. 자동차용의 경우에는 진동이나 외부에서의 충격에 강해야 하는데 내구성이 5,000시간 정도라서 코제너레이션용의 수만 시간(2만 이상 4만 시간)에 비하면 그다지 좋지 않다. 한편 코스트는 자동차의 경우, 현존하는 내연 기관과의 경쟁이 전제가 되므로 코스트 타깃은 시스템에서 $50/kW, 스택에서는 $30/kW와 같은 낮은 값으로 설정되어 있다. 그러나 가정용에서는 kW당 10만에서 15만엔의 레벨이 되면 상용화가 가능하다고 생각되고 있다. 자동차의 경우 연료로서 수소, 메탄올, 가솔린 등을 생각할 수 있는데 가솔린 이외에는 연료 공급의 인프라 정비가 문제이다. 가정용 등 고정형 코제너레이션의 경우에는 가스 또는 프로판 등 현상의 공급 인프라를 전제로 할 수 있다. 미래에는 태양광 발전 등 재생 가능 에너지로부터 생성된 수소를 기반으로 한 완전한 클린 에너지 시스템의 구축도 검토 대상이 될 것이다. 1년 전에 설립된 미국 Plug Power사는 98년 6월, 뉴욕의 알바니 근교에 있는 brick ranch-style 농가에 수소를 연료로 한 출력 7kW의 PEFC 프로토타입을 설치 공개하고 실증 운전을 시작하였다. 한편, 일본에서는 가정용 고정식 PEFC 코제너레이션 시스템을 집약한 “고정용 PEFC 밀레니엄 사업”이라는 실증 운전 시험이 일본가스협회에 의해서 시작되었다. 2000∼2004년까지의 5개년 계획으로 NEDO의 위탁사업이 이루어지고 있다. 시험 방법의 표준화, 안전기준, 규격의 국제 표준화에 필요한 데이터 수집을 목적으로 국내외 7사가 개발한 11유닛의 PEFC를 실증 운전하는 것이다. 운전 시험을 위해서 도입된 시스템은 에바라 배러드(정격출력 1kW), 산요전기(동 0.8kW), 도시바(동 0.7kW), 마쓰시타 전기산업(동 1.3kW)의 각 2유닛, 토요타 자동차(동 1kW), 미국 H power Corp.(동 3kW) 및 마쓰시타 전공의 가반형 (0.2kW)이다. 일본가스기기 검사협회(JIA)의 동경, 오사카, 나고야의 사업소, 검사소에 시스템을 설치하여 기동 정지시험이나 정격출력 시험을 실시한다. 일본가스협회에서는 이 사업을 토대로 2002년경부터 실제 주택에서 운전하고, 2005년경부터 도입 보급을 꾀하고 있다. 고온 작동의 PEFC 개발 연구자동차 등 이동체용 동력원으로서의 연료전지로 가장 기대를 받고 있는 것은 고체고분자형 연료전지(PEFC)이다. PEFC는 상온에서 동작 가능하며 또 다른 연료전지에 비해 고출력 밀도라는 점에서 자동차용 엔진으로의 이용이 기대되고 있다. 그러나 PEFC는 저온 동작이기 때문에 극히 델리케이트한 성질을 가지고 있다. 그래서 실용화를 위한 길은 멀다고 할 수 있다. 그 첫 번째는 PEFC의 경우, 전극 반응을 촉진시키기 위해서 백금을 촉매로 쓰고 있지만 이 백금 촉매는 CO에 의해서 피독을 받기 때문에 개질가스 중의 CO 농도를 20ppm 이하로까지 해야 한다.이것은 개질 프로세스에 부담이 되는 결과가 되어 높은 코스트를 초래하는 요인이 되고 있다. 두 번째는 전해질로 쓰이는 이온 교환막이 수분이 없으면 이온 도전성을 보이지 않기 때문에 항상 수분 공급과 그 제어를 해야 하므로 그것도 운전상의 부담이 되고 있다. 이러한 문제를 극복하기 위한 수단으로서 100℃ 이상의 고온에서 동작 가능한 PEFC의 개발 연구가 진행되고 있다. 이것을 실현하기 위해서는 고온에 견딜 수 있는 이온 교환막의 개발이 전제가 된다. PEFC 이외에 주목받고 있는 것은 알칼리형(AFC) 및 고체산화물형 연료전지(SOFC)이다. AFC는 코스트가 낮아질 가능성이 있지만, 화석연료의 개질에서는 발생을 피할 수 없는 CO2에 대해 약하다는 결점이 있다. 그래서 현재 이것을 자동차에 채용하려는 움직임은 소수 회사에 한정되고 있다. SOFC는 동작 온도가 1,000℃로 높아 문제가 있지만 CO를 연료로 사용할 수 있고, 개질기가 불필요하다는 장점을 가지고 있다. 주류라고는 할 수 없지만 세계의 몇몇 자동차 회사는 이 종류의 연료전지를 주의깊게 살피는 것 같다. PEFC 기술에 있어서 획기적인 진보를 가져올 성과가 독일의 화학회사 Celanese와 일본의 혼다 및 미국의 Plug Power의 공동 개발에 의해서 탄생될 조짐이다. Celanese AG의 의도는 20년 전에 고온에서의 사용을 목적으로 개발된 고분자 재료를 PEFC용 전해질막에 적용하고 제작된 MEA를 사용해서 고온에서 동작 가능한 PEFC를 실현하는 것에 있다. 이 새로운 막을 사용한 PEFC는 고온 동작이기 때문에 대단히 강인하므로 자동차용 및 고정용 어디에나 시장 전개가 가능하다. Celanese는 독일의 거대 화학회사 Hoechest의 자회사이며 일본 자동차 메이커인 혼다는 고정형에 대해서는 미국의 Plug Power와 새로운 연료전지 개발을 해왔다. Celanese에서는 동사의 고분자막을 기반으로 촉매나 카본 전극재 등 다른 구성 요소를 외부에서 조달함으로써 MEA를 생산하고 그것을 판매하는 것을 계획하고 있다. 막의 재질은 Polybenzimidazole(PBI)이라고 하는 고분자이며 그 최대 특징은 200℃ 이상의 고온에도 견딘다는 점에 있다. 막의 재료는 350℃에서도 녹지 않는다. 전극 반응 속도는 고온에서 촉진되기 때문에 고온 동작의 PEFC에서는 CO에 의한 촉매 피독에 따른 성능 열화 문제가 경감된다. 실제 Celanese막을 이용한 PEFC의 쇼트 스택(short stack)의 운전 실험에서는 2,000ppm의 높은 CO 농도를 가진 가스에서도 3,000 시간의 안정 성능을 유지했다고 전해지고 있다. 이 성과는 2000년 10월말부터 11월 2일까지 미국의 Portland에서 개최된 Fuel Cell Seminar 2000에서 Plug Power의 William Ernst 부사장겸 상급과학 연구자에 의해서 발표되었다. Celanese막은 수분이 없는 상태에서 동작하기 때문에 이 막을 이용한 PEFC는 수분 공급을 필요로 하지 않는다. FBI는 습기를 면처럼 흡수하는 성질을 가지기 때문에 달에 착륙한 우주 비행사의 의복용 재료로서 사용되었으며 또 이라크 전쟁 때에는 화학물질로부터 안전하다고 지적되었었다. 그리고 보다 확실하게는 화학공업에 종사하는 종업원이나 소방사를 위한 호신용 방호복으로 쓰이고 있다. 이것도 이 막을 이용한 PEFC를 예전보다 증가시켜 강하게 하는 하나의 이유가 되고 있다. 코스트에 대해서는 막 자체가 기존품에 비해 염가인지는 불명확하다. 그러나 이 막을 이용한 PEFC 시스템에서는 개질 프로세스에 있어서 기존품이 필요로 했던 CO 농도를 내리기 위한 프로세스가 불필요해졌다. 또한 수증기나 열을 제어하기 위한 구성 요소를 생략하거나 적어도 소형화할 수 있기 때문에 시스템의 코스트 유효성은 높아질 것으로 기대되고 있다. 그리고 이 새로운 기술은 가솔린 개질을 위한 길을 개척하는 데에도 공헌하게 될 것이다. 미국의 SRI international의 관련기업인 Polyfuel도 마찬가지로 고온에서 동작 가능한 전해질막을 개발하고 있다. 그들의 목적은 휴대전화용 초소형 메탄올 PEFC로서의 실용화인데 Plug Power와 같이 미국 정부로부터 Advanced Technology Program을 통해서 자금 제공을 받았다고 한다. 연료전지 자동차(FCV)의 개발 동향(1) PEFC의 소형화 연료전지 자동차(FCV)를 실용화하고 그것을 상업기반으로 하기 위해서는 몇가지 장벽을 넘어야 한다. 그 첫 번째는 고출력 밀도에 의한 소형화, 경량화의 실현을 들 수 있다. Ballard사는 2004년까지 시장에 등장시킬 예정으로 되어 있는 제1세대 FCV 엔진용 신형 PEFC “Mark 900” 스택의 패키지화를 완성했다. 이 새로운 Mark 900 스택은 이전 Mark 700에 비해 출력 밀도에 있어서 약 30% 향상되었다. 순수 수소 연료에 대해서는 그 용적 출력 밀도가 1,310W/lit., 메탄올 개질가스에 대해서는 1.23kW/1it.로 되어 있다. (2) 기동 시간의 단축과 부하 응답성의 향상두 번째 장벽은 짧은 기동 시간과 빠른 응답성의 실현이다. PEFC는 상온에서의 기동이 가능하기 때문에 엔진으로서 가장 적합하고 반응 속도도 빠르기 때문에 스택 자체의 기동성 및 응답성에 대해서는 거의 문제가 제가되고 있지 않다. 수소 연료를 자동차에 탑재하는 것이 아니라 메탄올이나 가솔린을 연료로 하는 경우에는 이 개질기의 기동성, 응답성이 문제가 된다. 메탄올의 수증기 개질을 채용하게 되면 300℃ 레벨의 온도까지 올려야 하는데 그 만큼 기동 시간이 길어질 수밖에 없기 때문이다. 기존의 메탄올 수증기 개질에는 기동시간이 20분에 달했었지만 부분산화 개질법(POX)을 적용함으로써 최근에는 몇분만에 기동이 가능해졌다. (3) 신뢰성과 내구성현재 PEFC에 대해서는 PAFC나 SOFC에 비해 장기간에 걸친 실증 경험이 부족한 것이 현상이다. 원래 자동차용 엔진에 요구되는 내구성의 타깃은 5,000시간 수준이므로 고정식 발전 플랜트의 4만 내지 9만 시간(10년)에 비하면 짧다. 그러나 앞으로 실증 경험을 통해 공기 중에 있는 불순물이 내구성이나 신뢰성에 주는 영향 등 지금까지 예상하지 못했던 문제가 발생할 것이다. 이러한 문제를 파악하기 위해서는 공적인 실증 실험이 필요한데 그것을 실시는 곳이 California Fuel Cell Partership(CFCP)이다. CFCP는 미국 Carlifornia주 주도하에 자동차 메이커나 석유회사가 참가하여 99년 4월에 설립되었다. Portland에서 FC 세미나 2000이 열리던 2000년 11월 1일에는 새크라맨토에서 CFCP의 시설이 오픈되어 버스를 포함해서 10대의 FCV가 집결하였다고 전해지고 있다. 2003년까지는 약 50대의 FCV에 의한 주행 실험 외에 수소나 메탄올 등 대체연료 공급 인프라 기술의 실증 실험도 이루어질 것이다. 일본에서도 공공도로에서의 실증운전 실험이 필요하다는 생각에서 운수성(현재 국토교통성)은 그 기술이나 환경기준 설정을 목적으로 99년 12월에 연구회를 설립하였다. 그리고, 마츠다와 다임러 크라이슬러 일본 홀딩이 신청한 주행시험용 메탄올 연료 FCV 차량에 대해서 국토 교통성은 도로운송 차량의 보안기준에 의거하여 공식 주행 시험을 허가했다. FCV가 공공도로를 주행하는 것이 허락된 인정은 처음이다. 도로운송 차량의 보안기준에 근거한 인정은 안전이나 공해방지 규준이 정해져 있지 않은, 시험적으로 제조된 자동차가 공공도로를 달릴 수 있도록 기준을 완화한 제도로 규준 책정이나 개선을 꾀하기 위해서 일반 공공도로 주행을 특별히 허가한 것이다. 양사는 2001년 2월부터 8월에 걸쳐 동쿄토, 요코하마시, 히로시마시의 일반 공공도로에서 자유 테스트라고 하는 시가지 주행시험을 실시했다. 사용했던 시험 차량은 마츠다의 “프레마시 FC-EV”, 다임러 크라이슬러 일본의 “메르세데스 벤츠 네카 5”였다. 공공도로 시험에서 안전성 데이터나 배출가스, 연료소비량 등 환경에 대한 데이터 수집을 했으며 이 데이터는 국토교통성에 제공되었다. (4) 코스트 코스트의 저감은 가장 높은 장벽임과 동시에 상업화의 성패를 결정하는 가장 종합적인 지표라고 할 수 있을 것이다. 현존하는 내연기관에 대항할 수 있는 연료전지 스택의 코스트 목표는 $501kW로 상정되어 있다. 현재 PEFC의 생산 가격은 이 타깃에 비해 2자리수 높은 값을 나타내고 있다. 가령 대량 생산 체제가 채용되었다고 해도 이 목표값을 만족시키기란 어렵다. 그러므로 재료나 제작면에 있어서 코스트 삭감을 위한 노력이 요청되고 있다. 1999년에 Arthur D. Little은 자동차용 50kW PEFC 시스템을 코스트 분석했다. 이 코스트 해석은 이하의 2항목을 전제로 계산되어 있다. 그 첫 번째는 2000년 시점에 적용 가능한 기술을 쓰는 것, 두 번째는 연간 50만 유닛의 생산량을 가정한다는 것이다. 물은 자급 가능한 것으로 가정되어 있다. 코스트 해석 모델에 의한 해석 결과는 출력 50kW 시스템의 총코스트가 $14,700, 단위 출력당 $2941kW이었다. PEFC sub-system이 그 중의 60%, 연료 개질 프로세서가 30%를 차지하고 나머지 10%가 BOP 및 조립 비용이다. 스택의 코스트는 $7,050인데 그 중의 76%($ 5,355)를 MEA가 차지하고 있다. 또 MEA 코스트 중의 47%가 촉매이며 촉매의 사용량은 Pt가 180g, Ru가 45g(애노드 ; Ru/lt ; 0.2/0.4mg/c㎡, 캐소드 ; Pt : 0.4mg/c㎡)으로 가정되어 있다. 맺음말 현재 PEFC를 중심으로 연료전지에 대한 기대가 크다. 이 원동력은 광대한 시장을 가진 자동차용 연료전지 엔진에 대한 사회적인 기대이다. 그러나 자동차 메이커 각 사의 공식 발언처럼 현장에서 개발에 관계하는 많은 기술자나 전문가는 실현화를 위한 길이 그리 평탄하지 않다고 말하고 있다. 현재 인식되고 있는 문제점에 대해서도 그 전체에 대한 타개에 반드시 목표가 있는 것은 아니다. 게다가 실증 운전의 축적 과정에서 우리는 새로운 문제점에 부딪히게 될 것이다. 연료전지 자동차(FCV)를 보급함에 있어서 중요한 과제는 연료 공급 인프라의 구축이다. 그러기 위해서는 연료의 선택이 전제가 된다. 현재 순수소, 메탄올, 가솔린이 주요 후보로 떠오르고 있지만 각각 문제점이 있어 기술뿐만 아니라 전략적인 관점에서 검토가 진행되고 있다. 급속한 보급을 위해서는 현재 연료 공급 스탠드가 정비되어 있는 가솔린이 유력하다. 그러나 가솔린의 차량 탑재가 가능한 개질 프로세스의 실현은 기술적으로 그렇게 간단하지 않다. 또 수소는 환경이나 효율면에서 가장 바람직한 연료이기는 하지만 인프라 문제와 함께 자동차에 연료를 저장하기 어렵다. 당분간은 메탄올이 가장 실현되기 쉬운 연료로 보이지만 이것도 인프라나 효율면에서 문제점을 안고 있다. 자동차용 엔진뿐만 아니라 분산형 전원으로서 연료전지가 사회적 지위를 확립하기 위해서는, 그 해결을 위해서 산학연 각 분야의 전문가의 노력과 협력이 더욱 강하게 요청될 것이다.

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