[특별기획(Ⅰ) 휴대 전자기기용 마이크로 연료전지 개발 동향

최근 휴대폰, PDA, 디지털 카메라, note PC 등 휴대 가능한 전자소형기기가 고성능화 되어가면서 소비 전 력에 대한 요구량이 폭발적으로 높아지고 있다. 이에 비해 3.6V에서 약 1.5Ah, 140Wh/kg의 최고 용량을 보이고 있는 현재의 리튬 이온 배터리(Li-ion battery) 는 이러한 요구를 만족시켜 줄 만큼 성능이 향상되지 못하고 있으며, 출력 에너지 밀도가 이론적인 한계치에 도달해 감에 따라 소형 정보 기기의 휴대성과 편의성 을 저해하고 있다. 배터리 성능 향상의 정체는 배터리 기술 자체뿐만 아니라 새로운 기술과 서비스의 보급마 저 어렵게 만들고 있다. 특히, DMB(digital multimedia broadcasting) 서비스가 시작되면서 휴대폰을 통해 이 를 제공하려는 공급자(service provider) 뿐만 아니라 서비스를 이용하려는 사용자(customer)들 모두가 현 재의 배터리 성능 부족을 절실히 느끼고 있으며, 전원 장치의 성능에 대한 불만족이 DMB 서비스의 보편화 를 가로막는 장애가 되고 있다. 이에 보다 장시간 사용 가능하고 높은 출력을 낼 수 있는 새로운 전원에 대한 요구(needs)가 확산되고 있다.

마이크로 연료전지는 리튬 이온 배터리에 비해 이 론 체적 에너지 밀도가 10배 이상으로 예측되면서 새 로운 전원에 대한 이러한 요구를 만족시켜 줄 수 있는 차세대 전원 장치로 전 세계적으로 관심이 고조되고 있는 신기술이다. 더욱이 마이크로 연료전지는 액체 연료인 메탄올이나 수소를 공급해주면 연속적으로 전 기를 생산하는 발전 장치이므로 유비쿼터스 (ubiquitous) 시대의 독립 전원으로도 기대된다.

해외의 선진 업체들은 연료전지 시스템을 구현하기 위해서 연료극(anode)에 메탄올을 직접 공급하는 직접 메탄올(direct methanol) 방식과, 메탄올로부터 연료인

수소를 추출하여 연료극에 주입하는 개질 수소 (reformed hydrogen 혹은 reformed methanol) 방식의 두 가지를 활발히 연구되어 왔으며, 최근에는 수소화붕 소나트륨 등의 chemical hydride나 물로부터 수소를 추 출하여 연료전지를 운전하는 연구가 진행되고 있다.

직접 메탄올 방식은 구조가 간단하고 작동 온도가 낮기 때문에 국내 대학, 연구소, 업체 등에서 활발히 연구되었으며, LG 화학, 삼성 SDI, 삼성 종합기술원 에서 시제품을 제작하여 보였다. 반면 CASIO, Ultracell 등 해외의 몇몇 선진 업체들이 메탄올 개질 기(reformer)를 탑재한 개질 수소 방식(RHFC 혹은 RMFC)의 연료전지를 개발, 시제품(prototype)을 선 보였으며, 이는 직접 메탄올 방식에 비해 구조는 복잡 하나, 촉매에 백금의 사용량이 현저히 적어 가격이 싸 고, 출력밀도가 높은 장점을 가진다. 최근 Medis Technologies사 등은 수소화붕소나트륨 등과 같은 chemical hydride로부터 수소를 추출하여 연료전지를 운전하는 기술을 개발하였으며, 이를 이용하여 휴대 전자기기용 충전기 시제품을 선 보였다. 또한 Hitachi Maxell, NTT DoCoMo-Aqua Fairy 등의 업체들은 정 창 렬

삼성전기(주) 중앙연구소 changryul.jung@samsung.com

그림 1. 마이크로 연료전지 작동 원리.

물로부터 화학적인 방법을 이용하여 수소를 추출 하는 기술을 개발하여 휴대폰, MP3 player, note PC 등의 휴대기기에 적용하여 시제품을 선보였다.

이 방식은 기존 메탄올 개질 방식에 비하여 시스템 구성이 간단하고, 상온에서 수소를 추출할 수 있으 며, 연료로 사용되는 물이 메탄올에 비해 훨씬 환 경 친화적인 장점이 있다.

마이크로 연료전지 작동 원리

휴대 전자기기용 마이크로 연료전지에 적용하기 위하여 개발 중인 직접 메탄올 연료전지나 고분자 전해질 연료전지는 사용하는 연료의 차이가 있을 뿐 연료전지는 동일한 원리로 작동된다. [그림 1]

에서 보는 바와 같이 연료극에 공급되는 연료는 산 화반응을 거쳐 proton과 전자를 생성하며, 생성된 proton은 전해질 멤브레인을 통과하여 공기극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 통하여 공기극으로 전달되며, 이 때 전기가 발생하게 된다. 이동된 proton과 전자는 공기극의 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다.

직접 메탄올 연료전지의 경우, 연료극에서 메탄 올과 물이 반응하여 6개의 proton과 전자가 생성되 고, 수소를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전 지의 경우, 수소가 2개의 proton과 전자를 생성한 다. 메탄올 연료의 경우, 수소에 비해 전기화학반응 속도가 느리고, 반응 후 이산화탄소를 발생하여 전지 의 발전 성능이 낮아지는 단점을 가지고 있지만, 메탄 올 자체가 액체이기 때문에 취급과 보관이 용이하고, 부피당 에너지 밀도가 크며, 종합 에너지 효율이 약 25%로 상용 전원과 거의 유사한 장점을 가지고 있다.

마이크로 연료전지 연구 현황

현재 마이크로 연료전지 개발을 위한 연구 경향을 [그림 2]에 도시하였으며, 휴대용 마이크로 연료전지 연구 동향 및 업체 현황을 [표 1]에 정리하였다. 휴대 전자기기용으로 마이크로 연료전지를 개발하기 시작

한 것은 2000년대 초반부터이며, 미국의 MTI나 일본 의 note PC 업체인 Toshiba 등이 비교적 구조가 간 단하고 상온에서 작동이 가능한 직접 메탄올 연료전 지를 적용한 마이크로 연료전지 시스템을 개발하기 위한 연구가 활발하게 진행되었다. 국내에서도 삼성 전기와 삼성 SDI 그리고 LG 화학을 주축으로 2004년 부터 연구가 진행되었으며, note PC에 적용된 시제품 이 선보이기도 하였다.

한편 직접 메탄올 연료전지가 고가의 귀금속인 백 금 사용량이 많음에도 불구하고 출력밀도가 낮고, 고 농도 메탄올을 연료로 이용할 경우 발생하는 메탄올

Chemical hydride 예) NaBH

, 상온개질

촉매반응 Millenium, SII NH

BH

등

액화

수소 압축 Angstrom, Canon

PEMFC 수소저장물질

삼성전기,

물 상온개질 NTT DoCoMo,

(Aqua fairy) Hitachi Maxell

메탄올 저온개질

Ultracell, CASIO (~300℃)

LG화학, 삼성 SDI, 삼성전기, MTI, SFC,

DMFC 메탄올

연료로 Toshiba, Sanyo, 직접 이용 Hitachi, NEC, Antig,

Fujitsu, Matsushita 등

DLFC 액체연료

Tekion 예) 개미산, DME 등

표 1. 방식에 따른 마이크로 연료전지 개발업체 현황

연료전지 시작 연료 개질 방식 개발업체

크로스오버(methanol crossover)에 의한 성능 저하 문제를 해결하지 못함에 따라, 수소를 연료로 이용한 고분자 전해질 연료전지를 마이크로 연료전지에 적용 하여 개발하려는 시도가 진행되었다.

일본의 CASIO나 미국의 Ultracell은 메탄올을 개 질하여 수소를 생성하여 연료로 이용하는 방식을 개 발되었으며, 이 후 Hitachi Macell이나 Aqua Fairy 등은 물과 금속의 화학반응을 이용하여 수소를 발생 하는 방식을 개발하였다.

[표 1]에는 여러 방식을 이용하여 휴대 전자기기용 마이크로 연료전지를 개발하고자 하는 개발업체를 적 용 방식에 따라 정리하였다. 이런 기존 방식 이외에도 개미산이나 DME(Di Methyl Ether)를 직접 연료로 이용하는 방식도 현재 연구가 진행되고 있다. 개미산 을 연료로 사용하는 연료전지는 직접 메탄올 연료전 지와 거의 유사한 성능을 보고 있으나, DME를 연료 로 사용하는 연료전지는 성능이 매우 낮아 휴대기기 전원으로 적용하기 어려운 실정이다.

업체 개발 동향

Toshiba는 지난 몇 년 동안 CES(Consumer Electronic Show)에서 휴대전화용 연료전지 시제품을 전시 및 시 연하고 있으며, 직접 메탄올 연료전지 기술을 지속적 으로 발전시켜 오고 있다. [그림 3]에는 Toshiba에서 2008년에 개발한 휴대전화용 연료전지 시제품의 사진 이며, 이는 Mobile World Congress 2008에서 전시 및 시연하였다. 시제품의 전체 두께는 17.5mm이며, 이 중

연료전지는 7.6mm이다. 2차 전지와 hybrid 형태로 제 작되었으며, 연료전지는 2차 전지 충전용으로 개발되 었다. 연료가 충전되었을 때 무게는 대략 150g 정도이 며, 연료는 99.5%의 메탄올을 사용하고, 연료 1회 충전 으로 구동 시간이 2배 증가하는 것으로 보고하였다.

SONY도 Toshiba와 마찬가지로 직접 메탄올 연료 전지를 휴대기기 전원용으로 개발하고 있으며, 최근 발표한 시제품은 [그림 4]와 같다. SONY의 시제품 은 DMFC 연료전지, 연료 regulator, 제어 회로와 Li 이온 전지로 구성되어 있으며, Small Fuel Cell 2008 에 전시하였다. 이 시제품의 순간 최대 출력은 3W로 휴대기기의 peak power를 낼 수 있으며, 메탄올 10cc 로 1-seg TV(일본 휴대 전화 TV 기술)를 14시간 작 동할 수 있는 것으로 보고하였다.

직접 메탄올 연료전지 기술을 개발하고 있는 미국 의 MTI도 Small Fuel Cell 2008에 연료전지 내장형 GPS 시제품을 전시하였으며, Fuel Cell Expo 2008에 는 휴대전화 내장형 연료전지와 휴대기기 외부 충전 용 연료전지 시제품을 전시하였다. GPS 내장형 연료 전지 시제품은 DMFC 연료전지와 Li 이온 2차 전지 가 내장되어 있으며, 이는 USB 단자를 이용하여 휴 대전화나 디지털 카메라 등의 휴대기기를 충전할 수 있도록 되어 있다.

이외에도 직접 메탄올 연료전지 기술을 개발하고 있는 개발업체는 Sharp, Hitachi, 구리타 공업 등이

그림 3. 휴대전화용 직접메탄올 연료전지 시제품(Toshiba). 그림 4. SONY의 직접 메탄올 연료전지 개발 시제품.

있으며, 주로 소형 휴대 기기용 전원이나 충전용 전원 으로 연구되고 있다. 최근 Sharp는 MEMS 기술을 이용한 직접 메탄올 연료전지 스택의 구조를 발표하 였으며, 휴대 기기 외에 방송 기기용 전원으로 적용하 려는 연구도 시도되고 있다.

직접 메탄올 연료전지와 달리 고분자 전해질 연료 전지를 휴대기기용 전원으로 적용하기 위한 연구도 진행되어 왔으며, 그 중 미국의 Ultracell이나 일본의 CASIO는 메탄올을 개질하여 수소를 연료로 공급하 는 기술을 개발하였다. CASIO는 MEMS 기술을 이 용하여 초소형 메탄올 개질기, 일산화탄소 제거부 그 리고 연소기가 포함된 메탄올 개질기를 개발하였으며, 이를 적용하여 디지털 카메라를 구동하는 연료전지 시작품을 Fuel Cell Seminar 2006에 전시하였고, [그 림 5]에 CASIO가 개발한 개질기 시제품과 모식도를 보였다. CASIO가 개발한 메탄올 개질기형 연료전지 시스템의 경우, 개질기와 연료전지 스택은 소형으로 개발 제작되었으나, 시스템을 구성하기 위한 BOP가 소형 연료전지용으로 개발된 제품이 아니어서 디지털 카메라를 구동하기 위한 연료전지 전체 시스템은 부 피가 아주 큰 편이다.

미국의 Ultracell은 메탄올 개질형 연료전지뿐만 아 니라 직접 메탄올 연료전지 기술도 개발하고 있으며,

note PC 등과 같은 휴대용 전원이나 군사용 휴대전원 으로 개발하여 시제품을 선보이고 있다.

메탄올을 개질하는 방법 이외에 수소화붕소나트륨 등과 같은 chemical hydride로부터 수소를 발생하는 방식을 Medis나 SEIKO Instruments에서 개발하였 으며, 이를 연료전지에 적용하여 휴대기기 충전용으 로 시제품을 개발하였다. [그림 6]에는 Medis에서 개 발된 휴대기기 충전용 연료전지 시제품이다.

Medis에서 개발한 휴대기기 충전용 연료전지 시제 품은 정격 출력이 1W이며, 연료전지측 케이블 연결 부분에 Li 이온 2차 전지가 내장되어 있으며, 1W 출 력시 DC-DC converter의 효율은 83%인 것으로 보 고하였다.

연료를 개질하여 수소를 발생하는 기술 이외에도 metal hydride와 같은 수소저장 물질에 수소를 직접 저장하여 공급하는 방법이 있으며, 이 방식은 NTT, Canon과 Angstrom이 연구 개발 중이다.

[그림 7]은 NTT가 AB5 타입의 수소저장물질을 이용하여 개발한 휴대전화 전원용 연료전지 시제품의 사진이며, NTT R&D Forum 2008에 전시되었다. 개 발된 시제품은 최대 4W의 출력을 보이며, 수소저장 탱크는 70g으로 7L의 수소를 저장하는 것으로 보고 하였다.

Angstrom은 metal hydride 수소저장물질을 이용 하여 초기에는 휴대 전자기기용 외장형 충전기를 개 발하였으며, 차후 휴대전화기를 직접 구동할 수 있는 형태로 개발하였고, 개발된 시제품의 경우 기존 전지 그림 5. CASIO가 개발한 메탄올 개질기 시제품 및 모식도.

그림 6. Medis가 개발한 휴대기기 충전용 연료전지 시제품.

에 비해 2배의 구동 시간을 보이며, 수소 충전 시간은 10분 이내로 보고하였다[그림 8].

수소를 발생하는 다른 방법으로 물과 금속의 화학 반응을 이용하는 방식이 있으며, 이를 적용하여 Hitachi Maxell과 Aqua Fairy(NTT DoCoMo)가 휴 대기기 전원용으로 개발하였다. [그림 9]에는 Hitachi Maxell에서 개발된 note PC 용 연료전지 시제품 (A) 과 물과 알루미늄 금속을 이용하여 수소를 발생하는 모식도(B)를 도시하였다.

Hitachi Maxell에서 개발한 연료전지 시제품은 2개 의 연료 카트리지(물과 알루미늄)와 연료전지 스택, 제어 회로, Li 이온 2차 전지로 구성되어 있으며, 물과 알루미늄의 화학반응을 통하여 생성되는 수소의 양은 이론치의 약 95%로 20g의 알루미늄과 40cc의 물로 note PC를 약 4~5시간 구동할 수 있는 것으로 보고 하였다.

[그림 10]에는 Hitachi Maxell과 동일한 방식으로

Aqua Fairy가 개발한 휴대전화기용 연료전지 시제품 의 사진이며, 연료전지 시제품의 내부 공간에 수소를 발생할 수 있는 연료 카트리지가 있고, 외부의 4면에 연료전지가 구성되어 있다. 개발된 시제품은 출력이 2W이며, 연료의 총 부피는 10cc이고, 전체 무게는 45g으로 보고하였다.

물과 금속을 연료로 화학반응으로 수소를 발생하는 Hitachi Maxell이나 Aqua Fairy와 달리 삼성전기는 물과 금속 전극을 이용하여 전기화학 방법으로 수소 를 발생하는 기술을 개발하였으며, 이를 적용한 휴대 전화기기용 연료전지 시스템을 개발하였다. [그림 11]

에는 삼성전기에서 개발한 휴대 전자기기용 연료전지 시스템의 모식도를 도시하였다. 삼성전기가 개발한 전기화학방법으로 수소를 생산하는 방식은 저가 연료 인 물과 금속 전극만을 이용하며, 물로부터 일산화탄 소나 이산화탄소와 같은 다른 불순물 없이 수소만 생 성하는 친환경적인 방법이다. 또한 상온에서도 수소 발생이 가능하고, 수소 발생 속도는 회로를 이용하여 제어가 가능한 기술로서 펌프나 밸브 등의 BOP가 전

(A) (B)

그림 9. Hitachi Maxell이 개발한 연료전지 시제품(A) 및 수소 발생 모식도(B).

그림 10. Aqua Fairy가 개발한 연료전지 시제품.

그림 7. NTT가 수소저장물질을 적용하여 개발한 연료전지 시제품.

그림 8. Angstrom이 개발한 휴대 전화기용 연료전지 시

제품.

혀 필요하지 않은 방식이다. 그리고 연료전지 시스템 도 밸브나, 펌프 등의 BOP를 사용하지 않게 하기 위 하여 연료전지 스택의 공기극을 passive한 planar type으로 개발하였다. 이 방식으로 개발된 연료전지 시스템은 BOP의 사용이 없기 때문에 구조가 단순하 며, 특히 소음이 없어 휴대 전자기기에 사용하기에 매 우 적합한 시스템이다.

삼성전기는 물을 연료로 사용하는 방식 이외에도 한국에너지기술연구원과 공동으로 직접 메탄올 연료 전지 기술을 개발하였으며, 이를 이용하여 휴대전화 기에 적용하였다. 삼성전기는 두 가지 방식으로 개발 한 연료전지 시제품을 Nano Korea 2008과 Electornica 2008에 전시하였으며, [그림 12]는 삼성 전기가 개발한 직접 메탄올 연료전지 기술 (A)와 물 과 금속을 이용한 수소 발생 기술 (B)를 적용하여 휴 대전화기에 integration한 마이크로 연료전지 시제품

의 사진이다. 직접 메탄올 연료전지 기술을 이용하여 제작된 시제품의 경우, 정력 출력이 5W이며, 물과 금 속 전극을 이용한 수소 발생 기술을 이용한 연료전지 시제품은 정격 출력이 3W이며, 휴대기기를 직접 구 동하는 방식과 2차 전지와 hybrid 형태로 2차 전지를 충전하는 방식이 모두 가능한 형태이다. 삼성전기는 휴대 전자기기용 연료전지 상용화를 위하여 연료전지 스택 기술과 연료 생성 및 공급 기술 및 시스템을 제 어할 수 있는 회로 기술을 확보하기 위한 노력을 계속 하고 있다.

맺음말

후지 경제에 따르면, 일본 내의 업무/산업용, 가정 용, 자동차용, 휴대용 연료전지 시스템의 시장규모는 2020년에 1조 2000억 엔이 될 것으로 예측하였으며, 이는 2007년에 비해 300배 확대되는 것이다. 이 중에 서 100mW에서 수십W급의 출력을 가지는 휴대용 연료전지가 가장 큰 성장이 기대되는 분야로 손꼽히 고 있다. 현재 일본 내에서 휴대기기용 전원으로 개발 중인 연료전지에는 고분자 전해질 연료전지와 직접 메탄올 연료전지가 있으나, 소형화에 유리한 직접 메 탄올 연료전지가 주류를 이루면서 개발이 진행되고 있다.

연료전지는 환경 친화적이며, 연료의 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 때문에 발전 효율이 높 아 차세대 에너지원으로 기대되고 있으며, 이런 특성 을 이용하여 휴대 전자기기의 전원으로 개발하려는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이런 개발 열기에도 불구하고 여전히 휴대용 연료전지의 상용화에는 걸림 돌이 있다. 고분자 전해질 연료전지나 직접 메탄올 연 료전지나 핵심부품으로 알려진 연료전지 스택이나, 전극촉매 등은 많은 개발이 진행되었으며, 현재에도 더 높은 성능을 위하여 계속적인 개발이 진행되고 있 지만, 연료전지 시스템을 구성하기 위하여 필요한 부 품들에 대한 연구가 많이 소홀한 편이다. 즉 액체 연 료인 메탄올을 공급하기 위하여 필요한 액체 펌프나, 그림 11. 삼성전기가 개발한 물을 연료로 이용한 연료전지

시스템 모식도.

(A) (B)

그림 12. 삼성전기가 개발한 휴대 전자기기용 연료전지

시제품.

건물용 연료전지 열병합발전 시스템은 가정용과 상 업용 연료전지 열병합발전 시스템을 총칭하는 것으로, 연료로서 도시가스(LNG) 또는 석유가스(LPG)를 사용하여 전기 및 열 에너지를 직접 생산해내는 발전 장치이다. 이 시스템의 전체(전기 및 열) 효율은 80~90%(LHV)이며, 온실현상의 주범인 이산화탄 소의 배출량은 기존 발전 시스템에 비해 40~50% 절 감되는 친환경적인 기술이다. 열병합발전 시스템은 각 건물에 전기뿐 아니라 연료전지 시스템의 운전 시 발생되는 폐열을 회수하여 급탕 및 난방용 온수를 공 급할 수 있는 특징이 있다. 건물용 연료전지 시스템은 일반 소비자가 손쉽게 사용할 수 있도록 운전 및 보수 가 쉽고 안전성에 문제가 없도록 제작되고 있다. 본고 에서는 국내외 건물용 연료전지 열병합 발전 시스템 개발 현황과 산업화를 위한 제언을 요약하여 소개하 고자 한다.

건물용 연료전지의 핵심 부품

건물용 연료전지는 도시가스에서 수소를 발생 시키는 연료변환장치, 수소와 산소로부터 직류전 기와 열을 발생시키는 연료전지 스택, 발생된 직 류전기를 수요처에서 사용하는 교류전력으로 전 환시키는 전력변환장치, 회수된 폐열을 수요처에 공급하는 열저장장치 및 보조기기(펌프, 블로워, 센서 등의 BOP)와 같은 부품으로 구성된다.

(1) 연료전지 시스템 : 연료전지 시스템을 안정적으 로 운영하게 하고 시스템에 문제가 발생하였을 때 비상정지를 하게 하는 시스템 제어와 시스템 의 주요부품인 연료전지 스택, 연료변환장치, 전 력변환기 및 보조기기를 구성하는 시스템 설계 그리고 시스템 설계를 바탕으로 시스템을 제작하 는 제작기술로 구성된다[그림 1].

(2) 연료전지 스택 : 전극촉매와 고분자 전해질 막, GDL(gas diffusion layer), 전극과 전해질 막의 조합인 MEA(membrane electrode assembly), 기체의 유로를 이루는 분리판, 밀봉재(gasket) 등 으로 구성된다. 연료전지 스택 기술은 각 부품에 대한 부품소재기술 뿐 아니라 스택의 효율 및 내 구성을 증진시키는 스택설계와 제작 기술 등이 포 함된다[그림 2].

공기를 공급하기 위하여 필요한 공기 펌프 등은 여전 히 소형화가 이루어지지 않고 있으며, 연구도 미미한 실정이다. 휴대용 연료전지의 제품화를 위해서는 연

료전지 스택과 같은 주요 부품의 성능향상도 중요하 지만, 전체 연료전지 시스템을 구성하는 부품들에 대 한 개발도 병행되어야만 한다.

황 정 태

GS퓨얼셀(주) hwangjt@gsfuelcell.com

그림 1. 건물용 연료전지 시스템의 핵심 부품.