환경 오염이 나날이 심각해지고 있는 현실 속에서 지속 가능한 발전이 중요한 키워드로 떠오르고 있다. 지속 가능한 발전은 미래 세대가 그들의 필요를 충족할 수 있는 능력을 저해하지 않으면서 현재 세대의 필요를 충족하는 발전을 일컫는다. 이산화탄소의 배출증가에 따른 지구온난화의 위험성이 날로 증가하는 등 기존의 화석연료 에너지원이 지구환경변화에 부정적인 영향을 초래하여 보다 효율적이고 친환경적인 신재생에너지에 대한 요구가 증가하고 있다. 세계 각국은 국제유가의 급격한 변동에도 에너지 수급에 안정적으로 대응할 수 있는 새로운 신재생에너지의 연구 및 개발에 총력을 기울이고 있다.

◆왜 연료전지가 신재생에너지로 떠오르고 있는가?
연료전지(Fuel Cell)는 연료(H2)를 이용해 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 발전장치이다. 환경오염이 적으며 자원의 한계가 없는 발전의 대표적인 예로 태양광발전, 수력발전, 풍력발전 등이 있지만, 날씨와 같은 환경에 따라 발전량이 일정하지 않다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해서는 발전량이 충분할 때, 남는 전력을 저장해서 발전량이 부족할 때 저장된 전력을 쓸 수 있게 해주는 전력저장장치(ESS, Energy Storage System) 가 필수적이다. 남는 전력을 이용해 물을 전기 분해하여 수소를 얻고, 이 수소를 이용해 연료전지를 구동하여 전기를 생산하게 된다. 수소는 저렴하게 오랜 기간 동안 비교적 안전하게 저장할 수 있고, 시간이 지나도 효율이 떨어지지 않는다는 장점이 있다. 또한 수소를 이용해 전력을 저장하는 것은 전기에너지의 형태로 저장하는 것 보다 손실을 1/10 정도로 줄일 수 있는 것으로 알려져 있다. 자연계 에너지원은 위치, 기상 등 자연조건에 의존하는 비율이 큰 반면 연료전지는 화석에너지를 수소로 변화시켜 연료로 사용하기 때문에 위치선정과 발전량 조절에 용이할 뿐만 아니라 연소과정이나 구동장치가 없으므로 고효율의 발전이 가능하다. 운전 중에 오염원을 전혀 방출하지 않아 미래를 대비하는 고효율 청정에너지원으로 인정되고 있다. 

◆고분자 전해질 연료전지란 무엇인가?
고분자 전해질 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용 하는 연료전지로서 solid polymer electrolyte fuel cell (SPEFC), solid polymer fuel cell (SPFC), polymer electrolyte fuel cell (PEFC), 또는proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC) 등의 다양한 이름으로 불리고 있다. 고분자전해질 연료전지의 주요 구성요소는 고분자전해질 막과 전극, 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판으로 이루어져 있다.

특히, 두 전극을 고분자전해질 막에 hot-pressing방법으로 부착시킨 것을 고분자전해질 막 전극 접합체(MEA)라고 하는데 이러한 MEA의 구성과 성능이 고분자전해질 연료전지의 핵심이라고 할 수 있다. 연료전지 스택은 전기화학반응이 일어나는 단위전지를 수 십~수 백 개씩 적층함으로써 구성되는데 단위전지나 스택은 구성요소간의 접촉저항을 줄이기 위하여 양쪽 끝판을 tie rod 나 공기압으로 압착하게 되어 있다. 실제 시스템은 이러한 스택 외에도 연료개질기, 공기압축기, 열 및 물 처리기, 전력변환기 등으로 이루어진다. 

◆ 많은 연료전지 중 ‘고분자 전해질’에 주목한 이유 
고온형 연료전지는 작동온도까지 온도를 올리기 위해 시동 시간이 오래 걸려 자동차등의 수송용 전원보다는 대형건물이나 발전소에 적합하다. 반면, 고분자전해질 연료전지는 다른 연료전지에 비해 출력 밀도가 높고, 작동 온도가 낮다. 따라서 연료전지 자동차나 휴대기기용 전원, 또는 가정이나 건물의 발전에 널리 사용될 것으로 기대되고 Mobile이나 Portable용으로 상업화 단계에 다가서고 있다. 

◆고분자 전해질 연료전지의 장점
다른 형태의 연료전지에 비하여 작동온도가 낮은 고분자전해질 연료전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 전해질 손실이 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체 재료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성 이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해 차량의 동력원, 현지 설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. 

◆고분자 전해질 연료전지, 아직 완벽한 해결책은 아니다.
위에서 살펴본 바와 같이 무수한 장점을 가지고 있는 고분자 전해질 연료전지에도 허점은 존재한다.

첫 번째, 효율성의 문제이다. 수소는 자연에 독립적으로 존재하지 않고 다른 원소와 화합물 형태로만 존재하고 있기 때문에 수소를 생산하기 위해서는 추가로 에너지를 투입하여야 한다. 따라서 제조방법에 따라서는 생산된 수소에너지 가치보다 투입된 에너지의 가치가 더 커서 효율성이 떨어지는 문제가 있다.

두 번째, 현재 수소는 대부분 화석연료로부터 생산되고 있다는 점이다. 친환경적인 연료전지를 만들기 위해서는 화석연료가 필요하다는 점으로 비춰져 화석연료의 또 다른 형태일 뿐 이라는 지적 또한 간과할 수 없다. 세 번째, 촉매와 전해질 막과 같은 내구성 문제이다. 많은 학자들이 촉매의 높은 제조단가를 고분자 전해질 연료전지가 상용화 되는 것의 걸림돌로 지적하고 있다. 산소가 환원하는 과정에서 반응속도를 빠르게 하기위해 활성이 좋은 백금을 주로 사용하는데 이로 인해 고분자 전해질 연료전지의 구성요소 중 촉매의 가격이 전체 가격의 46%를 차지한다. 촉매로 사용되는 백금의 가격이 비싼 만큼 연료전지의 가격 또한 오를 수 밖에 없고 이는 높은 제조단가로 이어져 상용화 되기 힘든 주요 원인이다. 

또한, 고분자 전해질 막에서는 수분이 적으면 수소이온 전도도가 떨어지고, 수분이 많으면 전극에 flooding 현상이 일어나 전극반응속도가 저하되는 현상이 일어난다. 따라서 적절한 수분을 함유하도록 하는 물관리가 매우 중요한데 이는 전체 시스템을 복잡하게 할 뿐만 아니라 화학적 안정성 문제의 원인이 되기도 한다. 다행스럽게도 이러한 단점들을 개선할 수 있는 방안은 존재한다.

첫 번째의 에너지 효율 저하의 문제 같은 경우 알칼리 전기분해를 통해 문제를 해결할 수 있다. 물을 분해하여 수소를 생산하는 경우 많은 에너지가 필요하다는 단점이 있지만, 알칼리 전기분해는 물에 첨가제를 이용하여 전기분해 하는 방법으로 값싼 전극과 낮은 에너지로도 물을 전기분해 할 수 있는 장점이 있다. 태양광, 풍력, 바이오 등과 같이 재생 가능한 무공해 대체에너지원을 사용하여 물로부터 수소를 추출하는 방법이 이상적이기는 하지만, 아직까지는 효율이 낮고 경제성이 없기 때문에 크게 활용되지 못하고 있는 실정이다.

따라서 현재는 수소를 얻기 위한 비용과 기술적 가능성을 고려하면, 석유, 천연가스, 석탄 등과 같이 화석연료로부터 수소를 생산하는 방법이 가장 경제적이고 현실적인 방법이라고 할 수 있다. 비용을 고려하면 연료로 사용되는 수소는 당분간은 기존의 탄화수소 물질로 이루어진 화석연료로부터 얻을 것으로 보이나, 긴 미래 기술로 보면 수소는 전기분해방법이나, 메탄올이나 에탄올 등의 바이오매스와 같은 신·재생에너지로부터 얻을 것으로 예상된다. 물을 전기 분해해서 수소를 얻는 경우에는 CO 는 더 이상 발생하지 않기 때문에 환경에 문제가 되지는 않는다는 큰 장점도 있다. 내구성의 문제로 지적된 촉매 먼저 살펴보자 고분자 전해질 연료전지가 산업시장에서 가격경쟁력을 갖기 위해서는 촉매에 사용되는 귀금속(백금)의 양을 줄이는 것이 최우선이다. 크게 두 가지 방법을 이용해 백금의 양을 줄일 수 있다.

백금을 사용하지만 나노입자로 만들어 단위면적당 백금을 최소화하는 방법, (혹은 다른 금속과 합금을 만들어 표면적을 늘리면서 백금의 양을 줄이는 방법도 있다. 또 다른 방법으로는 백금 촉매를 대체할 비귀금속을 이용한 촉매를 개발하는 방안이 있다. 또한, 현재 수분이 없어도 높은 수소이온 전도성을 갖는 고분자 전해질 막 개발이 활발히 진행되고 있어 문제점들은 기술의 개발로 곧 해결될 수 있으리라 보인다.

◆미래가 더욱 기대되는 고분자 전해질 연료전지
자동차, 휴대기기용 전원, 가정 건물의 발전 등 넓은 응용분야에 적용될 것으로 보이며, 화석연료의 고갈과 가격급등으로 수소연료전지 자동차의 개발이 활성화 되고 있는 실정이다. 이는 앞으로 더욱 활성화 될 것으로 보인다. 저공해 자동차를 일정비율이상 생산하도록 하는 세계 각국의 환경보호정책 덕분에 고분자 전해질 연료전지 분야 시장은 더욱 개발될 것이다.
2013년 토요타와 현대자동차에서 PEMCF 자동차를 시중에 내놓았다. 이는 대중들이 연료전지에 한 발 더 다가가는 계기가 되었으며, 다양한 분야에서 연료전지의 상용화를 앞당기는 계기가 될 것으로 보인다.

또한, 국내산업시장은 2020년에 수소연료전지 자동차의 양산화를 목표로 하고 있다. 이 뿐 아니라 신재생 에너지 의무 할당제(RPS)로 연료전지의 수요가 증가하고 있는 추세이고 국내 선박제조 기술 및 담수화 설비기술과 융합하여 시장의 확대, 산업의 동반 성장 또한 우리가 더욱 고분자 전해질 연료전지의 상용화를 위해 개발을 해나가야 하는 이유 중 하나이다.

<연세대학교 김재원, 이민아, 이상경>