수소 연료전지의 장단점과 한계 알아보기

 수소 연료전지(fuel cell)는 연료(반응물)의 화학 에너지를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지로 변환시켜주는 장치입니다. 화학전지(battery)의 관점으로는 '3차 전지'라고도 불리지요. 참고로 1차 전지는 한번 쓰고 나면 충전이 불가능한 건전지 같은 전지를 의미하고, 2차 전지는 재충전이 가능한 전지를 일컫습니다. 연료전지는 메탄올, 화석 연료, 바이오매스 등 여러 연료를 통해 발생하는 수소(hydrogen)를 활용하고 재충전이 가능한 장치입니다.

 

수소 연료전지의 장점은?

∇ 시스템 크기에 대비해 운전효율이 높습니다. 수소를 활용한 연료전지는 무려 40~60%의 효율을 보이는데요. 연료전지에서는 화학 에너지가 바로 전기 에너지와 열(heat)로 직접 변환되기 때문에 열기관(heat engine) 같은 시스템에 비해 효율이 높습니다.

∇ 소규모 분산발전이 가능합니다. 적은 토지만 있어도 발전소 건설이 가능하기 때문에 발전소 입지 선정에 유리하고, 따라서 도심 내에 소규모로 발전소를 지을 수 있습니다. 기존의 대형 발전소의 경우, 전기 생산지(외곽)와 소비지(도심)가 멀리 떨어져 있기 때문에 송전 손실이 많이 발생하게 되는데요. 2015년 기준으로 송변전 과정의 전력 손실 비용은 약 6,732억 원(추정치)에 달하기도 했습니다.

 소규모 분산발전은 안보상으로도 유리합니다. 원자력 발전소나 화력 발전소 같은 대형 발전소들은 국가 중요시설로 지정될 만큼 중요한 시설로, 하나하나의 커버리지(coverage)가 너무 큰데 반해 연료전지 발전소는 그렇지 않지요.

∇ 쉽게 다양한 형태로 설계가 가능합니다. 모듈화 및 설비 용량의 증감이 가능하기 때문입니다.

∇ 화석연료에 비해 친환경적입니다. 기존의 발전 시스템에 비해 온실가스의 배출이 매우 적기 때문인데요. NDSL에 등록된 보고서에 따르면, 석탄 화력 발전에 비해 질소산화물은 1/38, 이산화탄소는 1/3 수준으로 배출합니다.

∇ 구동 부품이 없거나 거의 없어 소음이 적고 진동이 거의 없습니다. 따라서 도심 내에 발전소 설치도 가능한 것입니다. 소음 진동이 적기 때문에 발전 시스템의 신뢰성(reliability)도 높습니다. 구동부가 적기 때문에 마모도 적죠.

∇ 연료의 종류가 다양합니다. 천연가스, 바이오매스, 메탄올 등을 이용해 수소 생산이 가능한데요. 물론, 각 연료마다 발전 시 단점이 있긴 합니다.

∇ 배터리에 비해 충전 속도가 빠릅니다. 최근에는 2차 전지도 급속 충전 기술이 발전해 충전 속도가 매우 빨라지고 있기는 합니다만, 고압 수소를 활용하는 연료전지보다는 충전 속도가 느리죠. 한 예로, 전기자동차의 충전 시간은 상당히 긴데 반해, 수소자동차의 충전 속도는 3~5분에 불과하다고 합니다.

 

수소 연료전지의 단점과 한계는?

∇ 비용이 높습니다. 비용이 높은 것은 여러 원인에 기인하는데요. 대표적인 연료전지인 PEMFC(고분자 전해질 연료전지)의 경우에는 고가의 백금(platinum)을 촉매제(catalyst)로 사용하기 때문에 비용이 많이 나갑니다. 그리고 연료인 수소 생산 비용과 저장 및 운송 기술의 부족이 비용을 상승시키죠. 물론, 아직 수소 시장이 활성화되지 않아 비용이 높은 측면도 있습니다.

∇ 소음과 진동이 적어 마모가 없는 대신 부식이 있습니다. 화학적 에너지를 변환시키는 장치이기 때문에 부식 문제가 필연적으로 따라오게 되며, 순수한 수소를 사용하지 않으면 촉매와 전해질의 피독으로 연료전지의 성능이 감소하게 됩니다.

∇ 친환경적인 방법으로 수소를 대량 생산하는 것이 쉽지 않습니다. 연료전지 자체는 친환경적이지만, 연료전지에 들어가는 연료(수소)를 생산할 때 온실가스가 많이 배출된다면, 친환경이라는 의미가 퇴색되겠죠?

∇ 수소를 얻을 수 있는 방법은 여러 가지가 있습니다. 전기 분해, 화석 연료의 증기 개질(reforming), 바이오매스 등 방법은 다양합니다. 그중에서도 화석 연료(탄화수소)를 이용한 공정이 현재 많이 사용되고 있는데요. 2016 신재생에너지 백서에 따르면, 국내에 유통되는 수소의 생산공정별 비율은 나프타 분해 54.1%, 소금물 전기분해 22.6%, 천연가스 개질 17.2% 순이었죠. (아래 표 참조) 문제는 화석 연료로부터 수소를 생산하면 오염물질과 이산화탄소가 발생한다는 점입니다. 따라서 얼마나 친환경적인 방법으로 수소를 대량 생산해낼 수 있느냐가 관건이 되겠습니다.

∇ 연료전지의 핵심인 수소에 대한 저장 및 운송 기술이 아직 부족하며, 인프라를 갖추는 단계에 있습니다. 수소 생태계는 수소의 생산과 운송, 보관, 사용의 사이클(cycle)이 연결되어야 하는데, 아직 인프라는 걸음마 단계에 불과하지요. 고압의 수소를 이용해야 하고, 이용자가 많아진다면 그만큼 수소 저장 시설도 크고 안전하게 지어져야 하지만 아직까진 미흡합니다. 더군다나 인프라 건설에는 국가적인 지원뿐만 아니라, 고압 수소에 대한 일반인들의 불안감도 해소해야 하는 문제가 남아있기도 합니다.

 

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