고온 PEMFC 기술 현황 및 전망
조 장 호†
LS 산전 중앙연구소 Smart Renewables 연구팀
Status and Perspective of High Temperature PEMFC Technology
Jang-Ho Jo†
Smart Renewables Team, R&D Center, LS Industrial Systems
Abstract: 최근 시장 진입기에 들어선 연료전지는 가격과 신뢰성 문제로 도전받고 있다. 이러한 상황에 대한 해결책으 로 주목 받기 시작한 기술이 바로 고온 PEMFC이다. 이 기술은 전해질 막의 프로톤 전도 메커니즘이 물에 의존하지 않아 가습기가 필요 없고, 높은 운전 온도로 인해 CO에 대한 내성이 강해 단순한 시스템 구성이 가능하여, 연료전지 의 가격과 신뢰도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있다. 본 고에서는 이러한 고온 PEMFC의 기술적 특징을 자세히 살펴보고, 국내외 기술 현황 및 그 전망에 대해 살펴보고자 한다.
Keywords: fuel cell, high temperature, PEMFC, PBI, phosphoric acid
1. 서 론
1)
최근 연료전지가 시장 진입기에 들어선 것으로 보는 견해가 많다. 이러한 연료전지 시장 진입기 의 선두에 선 기술은 아무래도 저온 PEMFC (Po- lymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)라고 할 수 있으며, 두 연료전지는 각각 가정용 연료전지와 발전용 연 료전지 분야에서 두각을 나타내고 있다. 비록, 두 기술을 이용한 제품은 모두 국내의 경우 정부의 지원 하에 판매가 이루어지고 있긴 하나, 국내 최 초로 일반인이 사용하는 전기를 연료전지가 공급 하기 시작했다는 점에서 그 의의가 대단히 크다고 할 수 있겠다.
시장 진입기에는 대개 연구개발 단계에서는 파 악할 수 없었던 여러 가지 문제점 및 제품에 대한 개선점 등이 드러나기 마련인데, 연료전지의 경우 도 예외가 아니다. 연료전지가 시장에 진입하면서 드러나기 시작한 심각한 문제점은 크게 두 가지로
† 주저자 (E-mail: [email protected])
요약될 수 있는데, 첫 번째는 고가인 연료전지의 가격이며, 둘째는 연료전지의 신뢰성이다. 사실, 이 두 문제는 연구개발 단계에서도 어느 정도 이 슈화되어 알려져 있었지만, 시장에 진입하면서부 터 그 문제의 심각성이 두드러졌다고 할 수 있다.
가정용과 건물용 연료전지의 기술로 주로 적용 되어온 저온 PEMFC도 위에서 언급한 가격과 신 뢰성 문제가 시장 진입과 더불어 그 심각성이 대 두되기 시작하여, 이의 해결을 위한 여러 가지 노 력들이 진행되고 있다. 그러나, 저온 PEMFC가 가 진 기술적 한계로 인해 그 결과에 대해서는 다소 회의적으로 예상하는 견해가 있는 것이 사실이며, 이러한 상황에서 문제에 대한 해결책으로 관심을 끌기 시작한 것이 바로 고온 PEMFC 기술이다.
이 기술은 전해질 막의 이온전도 메커니즘이 물 에 의존하지 않으므로 가습기가 필요 없고, 높은 운전 온도로 인해 CO에 대한 내성이 강해 단순한 시스템 구성이 가능하여, 연료전지의 가격과 신뢰 도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대되고 있 다[1]. 본 고에서는 이러한 고온 PEMFC의 기술적 특징을 자세히 살펴보고, 국내외 기술 현황 및 그
항목 고온 PEMFC 기술 저온 PEMFC 기술 전해질 막 소재
운전 온도 주 운전 방식 스택 내 Flooding 현상가습기
응축수 처리 장치 CO 내성 CO 제거 장치
배열 온도 Coolant
PBI(polybenzimidazole)계 120∼180도
연속운전불필요 미발생불필요 1% 이하
불필요 100도 이하 불소계 또는 오일계
PFSA(perfluoro-sulfonic acid) 계 60∼80도
시동/정지 가능 필요발생 필요 10 ppm 이하
필요 60도 이하
초순수 Table 1. 고온 PEMFC와 저온 PEMFC기술의 비교
전망에 대해 살펴보고자 한다.
2. 고온 PEMFC 기술의 특징
고온 PEMFC와 저온 PEMFC와 가장 큰 차이점 은 바로 운전온도와 전해질 막이다. 저온 PEMFC 에 사용되는 전해질막은 주로 Nafion과 같은 PFSA (perfluoro-sulfonic acid) 계인데 반해, 고온 PEMFC 에 주로 사용되는 전해질 막은 인산이 첨가된 PBI (polybenzimidazole)계이다. PFSA계 전해질 막에 서는 프로톤 전도 메카니즘이 물에 의존적이기 때 문에 운전온도가 물의 끓는점에 가까울수록 전해 질막 내 수분 함유율이 감소하여 이온전도도가 급 격히 강하하면서 연료전지의 운전이 불가능해진 다. 반면, 인산이 첨가된 PBI계 전해질 막에서는 프로톤 전도 메커니즘이 물에 의존하지 않으므로 물의 끓는 점 이상에서도 전해질 막의 이온전도도 가 높게 유지되며, 따라서 100도 이상의 온도에서 도 운전이 가능하다. 또한, 프로톤 전도 메커니즘 이 물에 의존하지 않는 이유로 하여, 기존 저온 PEMFC에서는 반드시 필요했던 가습기가 고온 PEMFC에서는 필요 없게 되었다. 이뿐만 아니라, 저온 PEMFC에서는 flooding 현상과 같은 응축수 로 인한 여러 가지 문제가 스택 및 공정에서 발생 하는데 반해, 고온 PEMFC는 높은 운전온도로 인 해 이와 같은 문제가 발생하지 않아 스택의 설계 가 수월해지고, 시스템에서는 water trap과 같은 응축수 처리 장치가 필요없게 되었다.
높은 운전온도로 인해 고온 PEMFC가 갖는 장
점은 여기에 그치지 않는다. 잘 알려진 바와 같이 연료전지의 전기화학 반응은 온도가 높을수록 향 상되는 경향이 있어, 기존의 저온 PEMFC 대비 활 성화 과전압이 줄어드는 장점이 있으며, 온도가 높을수록 물질전달 저항도 줄어들어 농도분극 또 한 감소한다.
기존의 저온 PEMFC에서는 개질가스 내 CO로 인한 MEA의 피독 및 이로 인한 성능저하를 방지 하고자 개질기 후단에 CO 농도를 10 ppm 이하로 감소시킬 수 있는 CO 제거 장치가 반드시 필요했 다. 그러나, 고온 PEMFC에서는 운전온도인 160
∼180도 정도에서 CO의 피독으로 인한 MEA의 성능저하 현상이 급격히 줄어들어, 경우에 따라서 는 CO 농도 3% 정도까지도 내성을 보이며 CO 제 거 장치가 필요 없게 되었다. 뿐만 아니라, H2S와 같은 연료 내 황화합물에 대해서도 10 ppm까지 내성을 보여[2], 기존 저온 PEMFC에서는 반드시 요구되었던 까다로운 연료의 순도가 많이 완화되 었다.
고온 PEFMC의 또 다른 장점은 배열 온도가 높 다는 것이다. 기존 저온 PEMFC의 배열 온도는 약 60도 부근으로, 온수로는 활용이 가능하였으나, 건조나 냉방용으로는 온도가 낮아 활용이 불가능 했다. 반면, 고온 PEMFC는 약 100도에 달하는 높 은 배열 온도가 가능해, 건조 및 냉방에도 활용 가 능하여, 연료전지에서 발생한 열의 활용이 극대화 될 수 있다는 장점이 있다[1].
결국, 고온 PEMFC에서는 가습기와 CO 제거 장치가 필요 없게 되어, 기존 저온 PEMFC보다 싸
고 단순하여 신뢰성이 높은 시스템 구성이 가능해 지며, 높은 배열 온도로 열의 활용도를 높일 수 있 다는 점이 이 기술의 장점이라고 할 수 있다. 앞서 언급한, 저온 PEMFC 기술에 대한 고온 PEMFC 기술의 차이점을 정리하면 Table 1에 나타낸 바와 같다.
3. 국외 현황
고온 PEMFC 제품을 판매하고 있는 미국의 Plug Power 사는 1999 년도부터 고온 PEMFC 시 스템 연구를 시작하여 Table 2에 나타낸 바와 같 이 약 10여 년에 걸친 연구개발 끝에 GenSys Blue 라는 고온 PEMFC 기술을 적용한 5 kW급 연료전 지 제품을 개발하였다. 이 제품은 미국 내 23개소 에서 실증시험을 진행하고 있는데, 시스템 전기효 율 30%, 총 효율 80%에 자열개질 방식의 개질기 가 채용되어 있는 것으로 알려져 있다. Figure 1은 GenSys Blue의 외관이다.
6여 년 전 고온 PEMFC 시스템 개발을 시작한 것으로 알려진 미국의 ClearEdge Power사는 2010 년 CE5라는 5 kW급 고온 PEFMC 제품을 출시했 다. 이 시스템은 전기효율 37%, 총 효율 85%의 성능에 수증기 개질 방식의 개질기가 채용되어 있 는 것으로 알려져 있다. Figure 2는 CE5의 외관 이다.
덴마크의 SerEnergy사는 고온 PEMFC 기술이 적용된 공랭 방식의 스택 모듈을 개발하였는데(상 품명 Serenus), 1 kW급과 3 kW급 두 종류를 제품 화하여 판매하고 있다[3] (Figure 3). 이 제품은 50
∼70 mbar의 압력으로 공급되는 99.9% 이상의 수 소 또는 CO 농도 5% 이하의 reformate를 연료로 사용할 수 있으며, 1 kW는 65셀, 3 kW급은 89셀 로 구성되어 있다. 이 스택 모듈의 parasite power 는 약 137 W일 것으로 추정되며, 시스템 효율은 최대 57%라고 한다.
고온 PEMFC용 MEA는 현재 전세계적으로 BASF와 Advent Technologies 두 회사에서만 판 매를 하고 있다. 먼저, BASF에서 시판 중인
모델 개발 내용
1999년 Alpha 시스템 개발 - PBI 고분자막의 기능적 시험
2002년 Beta 시스템 개발 - 부품 시험
- 고온 스택 재료 시험
2004년 Gamma 시스템 개발 - 모듈 시험
-고온 시스템을 위한 최적화된 연료처리장치 개발
2006년 Delta 개발 - Gamma 시스템의 최적화 - 고객맞춤의 전력, 공기와 연료
모듈
- 스택 수명 5,000 h 이상
2008년 EOS개발
- 가정용 CHP를 위한 Delta의 최 적화 모델
- 선택적으로 보조 보일러 장착 - 전기효율 30%, 총 효율 80%
Table 2. Plug Power사 고온 PEMFC 시스템 개발 이력
Figure 1. Plug Power 사의 5 kW급 고온 PEMFC GenSys Blue.
Figure 2. ClearEdge Power 사의 5 kW급 고온 PEMFC 제품.
Figure 3. SerEnergy 사의 1 kW급 / 3 kW급 고온 PEMFC 스택 모듈.
Celtec-P 1000 MEA는 120∼180도에서 운전 가능 하며, Figure 4에서 보는 바와 같이, reformate로 운전 시, 0.2 A/sq.cm 전류밀도에서 약 0.65 V 정 도의 성능을 보여준다. 내구성은 20,000 h 동안 약 6 µV/hr 정도의 셀전압 강하율을 보인다고 한다 [4]. BASF는 자신의 MEA에 대해 시동/정지 내구 성도 시험했는데, 12 h 운전, 12 h 정지를 반복하 여 총 6,000 h 동안 240회 시동/정지하여 열화율 을 측정하였으며, 이 시험결과에 따르면, 시동/정 지 회수당 약 0.2 mV 가량의 열화속도를 보인 것 으로 보고되었다[5]. 최근 동사에서 P 1000보다 개선된 MEA의 개발이 이루어지고 있는데, 비공 개 자료에 의하면 I-V 성능은 기존 P 1000과 거의 유사하나, 시동/정지에 의한 카본부식이 두 배 가 량 저감되었으며, 정전류 내구시험에서도 기존 대
Figure 4. BASF사 Celtec-P 1000의 I-V 데이터.
Figure 5. Advent Technologies사 MEA의 I-V 데이터(Test 조건: Temperature 180 ℃, Ambient pressure, Feed H2/Air, Anode Stoic. 1.2, Cathode Stoic. 2.0).
비 셀전압 강하율이 약 2.4배 낮아진 것으로 알려 져 있다.
그리스 회사인 Advent Technologies사 역시 고 온 PEMFC용 MEA를 판매하고 있는데, polybenzi- midazole base인 BASF사의 MEA와는 달리, 이 회사의 MEA는 pyridine base aromatic polyether 에 인산이 도핑된 것으로 알려져 있으며, 성능은 Figure 5에서 보는 바와 같이 BASF사의 P 1000과 유사하다. 연속운전에 대한 내구성은 4,000 h 동 안 약 9 µV/hr 정도의 셀전압 강하율을 보인다고
Figure 6. Advent Technologies사 MEA의 thermal cycle 데 이터(Test 조건: Applied Voltage: 0.5 V, Ambient pressure, Feed H2/Air, Anode Stoic. 1.2, Cathode Stoic. 2.0).
하며, thermal cycle에 대한 내구성은 Figure 6에서 보는 바와 같이 130회 동안 눈에 띄는 성능 열화 가 없을 정도라고 한다[6].
유럽은 일찌감치 고온 PEMFC 기술에 대해 관 심을 가졌었고, 그 일환으로 유럽공동체(EU)를 주 축으로 CARISMA (Coordination Action for Re- search on Intermediate and high temperature Specialized Membrane Electrode Assemblies)라는 연구 프로젝트를 기획하여 수행하고 있는데, 이는 중-고온 MEA 연구를 위한 것으로 산도핑계 PBI 막 등 고온 PEMFC 소재를 집중적으로 개발하고 있다. EU는 여기에서 한걸음 더 나아가, 미국 DOE 와 유럽연합간 최초 협동 프로그램인 Next Gen Cell 프로젝트를 수행하고 있는데, 이 프로젝트는 마이크로 CHP (Combined Heat and Power) 응용 을 위한 고온 PEMFC 기술의 공동 개발을 목적으 로 하고 있다.
덴마크의 IRD Fuel Cell은 2006년에 1 kW급 고온 PEMFC 스택을 개발하였는데(Figure 7), 여 기에는 Danish Power Systems사의 PBI계 MEA를 채용하였으며, 4개의 셀마다 냉각판을 두어 전체 스택 온도를 제어하고, 스택 냉각제로는 오일을 채택한 것으로 알려져 있다. 분리판 재료로는 흑 연 복합재료를 사용하였다고 한다.
독일 Juelich Research Center에서도 2007년에
Figure 7. IRD의 1 kW급 40셀 스택.
Figure 8. Juelich Research Center의 1 kW급 스택.
고온 PEMFC 스택을 개발하였는데, 이 스택은 효 율이 32%이고, Fumatech에서 제공한 PBI계 MEA 를 적용한 것으로 알려져 있다. Figure 8은 Juelich Research Center에서 개발한 1 kW급 고온 PEMFC 스택의 모습이다.
미국 Maryland 대학의 Jackson과 Young은 액 체연료를 사용하고 스팀 개질방식의 개질기가 적 용된 5 kW급 고온 PEMFC 시스템 시작품을 발표 했다[7]. Figures 9와 10은 각각 시스템 구성도와 실제 제작된 모습인데, Jackson과 Young은 이 시 스템의 효율을 5 kW 출력에서 약 32%가 될 것으 로 예측했다. 스택에 사용된 MEA는 Advent Technologies사의 것을 사용하였다고 한다.
Figure 9. Maryland 대학의 5 kW급 고온 PEMFC 시스템 구성도.
Figure 10. Maryland 대학의 5 kW급 고온 PEMFC 시스템 실제 모습.
4. 국내 현황
국내에서 고온 PEMFC 연구를 가장 오래 해온 기관은 삼성종합기술원이다. 이미 2000년대 초반 부터 고온 PEMFC 기술에 대한 가능성을 미리 알 아보고 연구개발을 시작했으며, 2006년도에는 국 내 최초로 1 kW급 고온 PEMFC 시스템(Figure 11) 및 스택(Figure 12)을 개발한 바 있다.
정부도 고온 PEMFC 기술의 활용도 및 전망을 높게 평가하고, 빠른 시간 내 고온 PEMFC 기술에 대한 세계적 우위를 점하고 상용화에 앞장서고자,
두 개의 국책과제를 기획하고 사업화하여 이를 지 Figure 11. 삼성종합기술원 1 kW급 고온 PEMFC 시스템.
Figure 12. 삼성종합기술원 1 kW급 고온 PEMFC 스택.
원하고 있다. 그 중 첫 번째는 고온 PEMFC의 핵 심기술 중 하나인 MEA에 대한 지원으로 삼성종 합기술원에서 주관하는 ‘고온 고분자연료전지용 막-전극접합체 국산화 및 양산기술’이라는 과제가 그것이다. 이 과제는 삼성전자, 한화, 삼성 SDI, KIST, KIER 등이 참여하여 2009년부터 2014년까 지 총 5개년 간 수행되며, 이온전도도 0.07 S/cm 인 전해질 막과 0.7 V에서 출력밀도가 0.2 W/cm2 인 MEA에 대한 양산화 제조 기술을 개발하는 것 을 목표로 하고 있다[8].
두 번째는 고온 PEMFC용 스택, 개질기 등 핵심 부품 기술에 대한 지원으로 ‘고온 PEMFC 핵심부 품 기술 개발’ 과제가 그것이다. 이 과제 역시 삼 성종합기술원 주관으로 한국가스공사, LS산전, GS Fuel Cell, KIER, KIST 등이 참여하여 2010년 부터 2015년까지 총 5개년 간 수행되며, 효율 57%, 성능 감소율 20 µV/hr 이하의 고온 PEMFC 스택과 열효율 89% 이상인 개질기의 개발을 그 목표로 하고 있다.
5. 맺음말
지금까지 고온 PEMFC 기술의 특징과 장점 및 국내외 기술 현황을 살펴보았다. 고온 PEMFC는
저온 PEMFC 대비 상당히 장점이 많아 기대되고 있는 기술이긴 하나, 저온 PEMFC 비해 본격적인 상용화에 이르기까지는 해결해야 할 기술적인 문 제들이 몇 가지 있는 것이 사실이다. 이 중 가장 큰 문제점으로 지적되고 있는 것이 MEA의 내구 성과 성능인데, 현재 저온 PEMFC의 경우, 그 내 구성을 약 40,000 h 정도로 보는 견해가 많은 데 반해, 고온 PEMFC에 있어서 시스템 수준에서 검 증된 내구성은 아직 수천시간 대에 불과하다. 또 한, 운전온도가 높음에도 불구하고 MEA 성능도 아직까지는 저온 PEMFC용 MEA에 비해 낮아서, 같은 효율/출력의 스택을 제작하기 위해서는 약 2 배의 스택용량 증대가 필요한 실정이다.
그러나, 지금까지의 저온 PEMFC용 MEA의 발 전 이력이 보여 주듯이, 고온 PEMFC용 MEA의 성능은 MEA 수요 증대와 고온 PEMFC용 MEA 업체 수의 증대에 따라서 수년 내 획기적인 성능 향상이 이루질 수 있을 것으로 기대되는데, 이러 한 기대가 가능한 것은 앞서 고온 PEMFC 기술의 특징에서 살펴 본 바와 같이, 기본적으로 운전온 도가 저온 PEFMC 대비 100도 가량 높아 반응론 적으로 상당한 가능성을 이미 보유하고 있기 때문 이다. 단지, 내구성 부분은 저온 PEMFC 대비 높 은 운전온도로 인해 불리할 가능성이 있어, 인산 유출을 억제하고, 고온 조건에서 재료 안정성을 유지할 수 있는 MEA 소재의 개발 및 개선과 내구 성 향상을 위한 운전기술의 개발이 필요하다. 그 러나, 이 역시 BASF나 삼성과 같은 대기업 및 관 련 연구소들의 지속적인 연구개발 노력에 의해 빠 른 시일 내에 극복될 수 있을 것으로 기대된다.
위에서 언급한 현재의 단점에도 불구하고, 연료 전지 상용화에 상당한 걸림돌이 되고 있는 비싼 가격과 신뢰성 문제 해결을 위해 고온 PEMFC 기 술을 적용한 제품이 이미 두 개나 출시되어 있고, 이러한 추세는 제품이 출시된 5 kW 분야 뿐만 아 니라, 5 kW보다 낮거나 높은 용량의 분야로도 빠 르게 확장될 것으로 예상된다. 특히, 고온 PEFMC 의 높은 배열 quality로 인해 가까운 시일 내에 20 kW 이하 저온 PEMFC 분야를 완전히 대체할 것
Figure 13. 고정형 연료전지 기술 전망.
으로 예상되며, Figure 13에 나타낸 바와 같이, 향 후 열이용이 높은 곳은 고온 PEMFC가, 열이용이 낮은 곳은 SOFC가 적용되는 형태로 20 kW 이하 시장을 SOFC와 함께 양분할 것으로 기대된다.
감사의 글
본 고의 작성에 자료 제공 및 조언을 주신 한국 가스공사 박달령 박사님, KIER 양태현 박사님, 삼 성종합기술원 최경환 박사님께 진심으로 감사의 말씀을 전합니다.
참 고 문 헌
1. 5 kW 급 고온 PEMFC용 핵심부품 및 시스템 개발 상세기획 보고서, 한국에너지기술평가원 (2010).
2. V. P. McConnell, High-Temperature PEM Fuel Cell: Hotter, Simpler, Cheaper, Fuel Cell Bulletin, Dec., 12 (2009).
3. SerEnergy 社 홈페이지 www.serenergy.com.
4. Celtec MEAs Product Catalog, BASF (2010).
5. T. J. Schmidt and J. B. Baurmeister, Properties of High-Temperature PEFC Celtec®-P 1000 MEAs in
Start-Stop Operation Mode, J. Power Sources, 176, 428 (2008).
6. Advent Technologies 社 홈페이지 www.adven- tech.gr.
7. G. Jackson, I. Yang, P. Hearn, C. Tesluk, B. Habi- bzadeh, M. Lyubovsky, A. Bhargav, L. Long, and D. Mase, Influence of System Architecture in Achieving Low Cost and Efficient PEM Fuel Cell Systems, Fuel Cell Seminar 2010 (2010).
8. 장혁, 고온 고분자연료전지용 막-전극접합체 국산 화 및 양산기술개발, 연료전지 심포지움 2010 논문 집, 연료전지 기술 Vol. 16, No. 1, 한국전기화학회, 319 (2010).
조 장 호
1993 한양대 화학공학과 학사 1995 한양대 화학공학과 석사 2000 한양대 화학공학과 박사 2000∼2001 한국과학기술연구원
인턴연구원 2001∼2002 (주)세티 과장 2003∼2009 현대자동차 선임연구원 2009∼현재 LS산전 수석연구원
![[기획특집: 건물용 연료전지 발전] 가정용 연료전지 현황 및 전망](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAICRAEAOw==)