78…NICE, 제21권 제1호, 2003
NRL
National Research Laboratory (국가지정연구실)연구실 소개
한국에너지기술연구원 연 료전지연구센터는 1980년대 중반 국내 최초로 연료전지 관련연구를 시작하여 인산형 연료전지(PAFC) 스택 개발, 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 및 직접메탄올 연료전지 (DMFC)에 관한 연구를 활발히 수행하며 연료전 지 연구의 선두주자로서 국내의 관련 연구개발을 이끌고 있다.
2000년도에는 과학기술부 및 언론사에서 선정 한 ‘한국의 100대 기술’에 본 연구센터의 ‘고분자 연료전지 시스템’ 분야의 연구가 선정되었으며, 1999년부터는 연료전지 분야의 국가지정 연구실 로 지정되어 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 분야에 대한 기술 개발을 중심으로 활발한 연구 활동을 수행하고 있다.
연료전지(fuel cell)는 통상의 전지(battery)와 는 그 개념을 달리하는 기술로, 수소와 산소의 화 학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발 전장치(generator)를 일컫는다. 무소음, 무공해 및 고효율의 발전 특성이 바로 연료전지를 미래에너 지로 주목받게 하는 이유이다. 연료전지는 이를
구성하는 전해질의 종류에 따라 알칼리형(AFC), 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산 화물형(SOFC), 고분자전해질형(PEMFC) 및 직접메탄올형(DMFC) 연료전지로 구분되어지며, 국내에서는 알칼리형 연료전지(AFC)를 제외한 5가지 종류의 연료전지에 대한 연구개발이 수행 되고 있다.
알칼리형 연료전지는 순수 수소와 산소를 연료 로 사용하는 시스템으로 Apollo 우주선에 적용되는 등 특수 목적으로 사용되며, 인산형 연료전지는 이 미 상용화 단계의 기술이 확보되었다고 평가되며 분산전원이 적용 대상이다. 융용탄산염과 고체산화 물 연료전지의 경우는 두 기술 모두 개발단계에 있 으며, 복합발전과 열병합발전 등 대규모 발전소 대 체를 연구의 방향으로 잡고 있다. 고분자막을 전해 질로 사용하는 고분자전해질 연료전지와 직접메탄 올 연료전지는 기술 수준이 개발 및 실증 단계에 있으며, 소형 전원, 자동차 및 주택용 전원 등을 응 용 대상으로 하고 있어, 현재 상업적인 측면에서 가 장 많은 관심을 받고 있는 분야로 볼 수 있다.
연구과제 및 내용
당 연구센터의 주요 연구실적 및 수행 중인 연 구과제 중 고분자전해질 연료전지에 관한 구체적
( )
김 창 수
한국에너지기술연구원 연료전지연구센터, cskim@kier.re.kr
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 1, 2003…79
N·R·L·소·개
인 연구내용은 다음과 같다.
1. 소형 이동전원용 고분자연료전지
소형 이동전원용 고분자연료전지 분야는 한국 에너지기술연구원이 국가지정연구실 사업으로 수 행하는 과제의 주제로, 이동, 휴대 및 비상용 전원 으로 적용 가능한 전력원을 개발하는 것이 목적이 다. 이 분야의 기술은 주택용이나 자동차용 등에 비하여 시스템이 간략하고, 다양한 응용분야를 가 지고 있어, 보다 빠른 실용화시기를 예측할 수 있 는 분야이다. 적용 가능한 응용분야와 이 때에 필 요한 전력량과의 관계는 다음과 같이 정리될 수 있다. 먼저, 5W급 이하로 휴대전화, PDA, 보청 기, 시계, 소형 디지털 카메라 등, 5~50W급은 노 트북 컴퓨터, 캠코더, 휴대용 공구 등, 그리고 100~300W급은 군사용 전원, 원격지의 기상모니 터링, 전문가용 카메라 및 전광판 등에 적용 가능 하다.
그림은 당 센터에서 개발된 80W급 연료전지 스택들 중 한 예를 보여주고 있는데, 별도의 부가 장치를 최소화하고 전체 시스템을 소형화하기 위 해서는 고성능 전극/전해질막 접합체(MEA, membrane electrode assembly), 자기가습형 전 극/전해질 접합체, 공기호흡형 전극 등에 대한 개 발이 핵심기술이다.
2. 자동차용 고분자연료전지
환경문제 및 연료의 효율문제와 연계해서 현재 의 내연기관과 전기자동차의 문제점을 해결할 수 있는 유망한 기술로 관심을 받고 있는 기술이 연료 전지를 이용한 자동차이며, GM, Ford, Daimler- Chrysler, Honda 등을 포함한 세계 유수의 자동차 제조회사들이 2010년경 실용화를 목표로 많은 투 자 및 연구를 수행 중이다.
국내에서는 당 연료전지연구센터와 대우자동차, 한국과학기술연구원과 현대자동차가 공동 개발을
공기호흡형 80W급 고분자연료전지 스택 연료전지-배터리 하이브리드 차량
시작하였으며, 2000년 9월에는 당 센터와 대우자 동차 및 고등기술 연구원의 공동 연구로 10kW급 고분자연료전지와 납축전지 복합사용 전기자동차 를 개발하여 실제 차량인 대우승용차(레조)에 탑 제하여 성능시험을 마친 경험이 있다.
실제 연료전지 자동차를 제작 및 운전하기 위해 서는 전력생산 부분인 연료전지 스택의 제작뿐만 아니라, 자동차의 구동부가 요구하는 형태로 전력 을 공급하는 전력을 변환시키는 전력변환부, 자동 차용 제어장치와 연료전지 시스템의 제어장치를 통합하는 통합제어기술 등 전체 시스템 측면에서 의 접근이 필요했으며, 본 과제의 성공적인 수행 을 통해서 다양한 기반기술을 당 센터에서는 축적 할 수 있었다.
3. 주택용 고분자연료전지
전력시장의 자유화, 환경문제의 대두 및 소형전 력생산 기술의 진보 등으로 분산전원에 대한 관심 이 높아지고 있으며, 이에 대한 기술적인 대안으 로 주목을 받는 것이 고분자전해질 연료전지이다.
주택용 연료전지는 가정의 전원 및 온수를 동시
에 공급하는 시스템으로, 환경친화적이며, 고효율 의 특징을 가지고 있어, 세계적으로 1~7kW 범위 정도의 용량을 가지는 시스템 개발에 대한 연구에 초첨을 맞추고 있다. 이 기술은 2005년경 실용화 및 2010년 이후 양산화를 전망하고 있다.
본 연구센터에서는 1998년 국내 최초로 메탄올 을 연료로 하는 5kW급 고분자연료전지 시스템을 개발하였으며, 2001년에는 가정에서 쉽게 얻을 수 있는 원료인 도시가스를 연료로 사용하는 5kW급 고분자연료전지 시스템을 개발하였다. 본 연구에 서는 10Nm3/hr급의 도시가스 개질장치의 개발과 연료전지 시스템의 소형화 및 장기운전을 통한 시 스템의 안정성 확보 등에 대한 기술을 축적하였으 며, 향후 소형화, 고효율화, 단가저감, 높은 안정성 확보 등을 목표로 지속적인 연구개발을 수행하고 있다.
4. 기반기술 개발
연료전지 시스템의 성능향상, 신뢰성확보 및 핵 심 기술의 국산화 등을 위한 기초 및 기반기술에 대한 연구 개발을 지속적으로 수행 중이다.
전극촉매는 성능향상과 더불어 성능저하에 대 한 내구성 향상을 주요 목표로 개발하고 있으며, 외국계 상용촉매를 대체할 수 있는 기술 수준을 이미 확보하고 있는 상태이다.
전해질막 관련해서는 불소계열 및 탄화수소계 열 원료를 이용한 막의 개발과 동시에 고온 또는 저가습 운전조건에 적합한 막에 대한 연구를 수행 하고 있다.
전극 및 MEA의 제조공정에서는 시스템의 운 전조건에 적합한 MEA 제작 공정을 개발하고 있 으며, 마찬가지로 성능향상 및 내구성 측면을 함 께 고려하고 있다.
연료전지 스택 제작 기술에서는 현재까지 2~10kW급 스택 수십기를 제작한 경험을 통하 80…NICE, 제21권 제1호, 2003
N·R·L·소·개
5kW급 주택용 고분자연료전지 시스템
여, 실제 시스템 운전조건에 적합한 최적의 분리 판 유로설계 및 가스밀봉 기술 등을 포함한 효율 적인 스택 제작기술을 지속적으로 발전시켜 나가 고 있다.
또한 다양한 전기화학적인 분석법 및 성능시험 장치를 확보하고 있는 본 연료전지연구센터에서 는 연료전지 관련 소재 및 부품 자체에 대한 분석 및 평가뿐만 아니라, 전극, MEA, 스택 등 고분자 전해질 연료전지 전반에 대한 신뢰성 있는 시험, 평가를 수행할 수 있다.
주요 보유장치
·촉매 제조 반응기, 건조/소성 장치
·Glove box
·연료전지 전극 제조 장치
·항온항습기
·Potentiostat/Galvanostat
·모의 개질가스 제조 장치
·단위전지 성능시험 장치
·대면적 단위전지/Short stack 성능시험평가장치
·kW급 고분자 연료전지 운전, 시험평가 시스템
홈페이지
http://nfcrc.kier.re.kr/
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 21, No. 1, 2003…81
