에너지 수요의 급격한 증가와 환경 문제의 심각성이 대두됨에 따라, 청정하고 효율적인 에너지원에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 이 가운데 연료전지는 화석연료 의존도를 줄이면서도 효율적으로 전기와 열을 생산할 수 있는 대안 에너지원으로 주목받고 있다. 연료전지는 연료의 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치로, 고효율, 저오염, 저소음 등의 장점이 있다. 연료전지는 사용되는 전해질의 종류에 따라 여러 종류로 나뉘는데, 그 중 PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell, 인산형 연료전지)는 가장 먼저 상업화된 연료전지 중 하나로서 중·대형 발전 및 열병합발전 시스템에서 중요한 역할을 하고 있다.
PAFC는 인산(H₃PO₄)을 전해질로 사용하는 연료전지로, 약 150~200℃의 온도에서 작동하며, 연료로는 수소와 공기(또는 산소)를 사용한다. 연료전지의 구조는 전극(양극, 음극), 전해질, 분리막 등으로 구성되며, PAFC는 전해질로 인산이 고정된 상태로 유지되기 때문에 내열성과 화학적 안정성이 뛰어나다.
작동 원리
PAFC의 작동 원리는 다음과 같다:
- 양극 반응(Anode):
H₂ → 2H⁺ + 2e⁻ - 음극 반응(Cathode):
½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O - 전체 반응:
H₂ + ½O₂ → H₂O + 전기 + 열
양극에서는 수소가 이온과 전자로 분리되고, 이온은 전해질을 통해 음극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 따라 이동해 전력을 공급한다. 음극에서는 산소와 수소 이온이 결합하여 물을 생성한다.
PAFC의 역사와 발전
PAFC는 1960년대 후반 미국에서 우주항공 분야의 에너지 공급원으로 개발되기 시작했으며, 이후 1980년대에 들어서면서 지상용 발전 시스템으로 본격 상용화되었다. 대표적인 기업으로는 미국의 UTC Power(후에 Doosan Fuel Cell America로 인수), 일본의 Toshiba, Fuji Electric 등이 있으며, 이들은 100kW에서 수 MW 규모의 PAFC 시스템을 개발하여 병원, 호텔, 공공기관 등에 공급해왔다.
PAFC는 세계 최초로 상용화된 연료전지이며, 1990년대 초반에는 미국에서 수백 대의 시스템이 실제 운용되기도 했다. 이후 PEMFC(고분자전해질 연료전지)나 SOFC(고체산화물 연료전지)와 같은 고효율, 저온작동 연료전지의 발전으로 상대적으로 시장 비중은 줄어들었지만, 여전히 신뢰성과 장기 운전성이 요구되는 열병합발전 분야에서 활용되고 있다.
PAFC의 구성 요소
1 .전해질
인산은 고온에서도 안정한 특성을 가지고 있으며, 비휘발성이고 이온전도도가 일정하게 유지된다. 일반적으로 인산은 실리카 또는 테플론 매트릭스에 고정되어 고체 상태로 유지된다.
2 .전극
PAFC 전극은 다공성 탄소 재질로 제작되며, 백금(Pt) 촉매가 사용된다. 백금은 고가의 소재이지만, 촉매 반응 효율이 높고 내식성이 뛰어나 고온 환경에서도 안정적인 작동을 가능케 한다.
3 .분리판 및 셀 구조
분리판은 연료 및 산화제의 흐름을 유도하며, 전자를 전달하고 열을 분산시키는 역할을 한다. 여러 개의 셀을 스택(stack) 형태로 쌓아 연료전지 모듈을 구성하게 된다.
PAFC의 장점
1. 장기 운전 신뢰성
PAFC는 수천 시간 이상의 장기 운전이 가능하며, 상업용 연료전지 중 가장 긴 운전 기록을 가지고 있다. 특히 병원, 호텔과 같은 시설에서는 전기 외에 열을 동시에 사용하는 열병합시스템(CHP)으로 적합하다.
2 .고온 작동으로 인한 열 회수 효율
150~200℃의 작동 온도는 폐열 활용에 적합하며, 시스템 효율을 80% 이상까지 끌어올릴 수 있다(전기 효율 약 40%, 열 효율 약 40%).
3 .CO 허용도
PAFC는 다른 연료전지에 비해 CO(일산화탄소)에 대한 내성이 높아, 수소를 천연가스 개질을 통해 얻는 경우에도 비교적 안정적인 운전이 가능하다.
PAFC의 단점 및 한계
1. 낮은 전류 밀도
PAFC는 전류 밀도가 낮아 같은 전력을 생산하기 위해 더 큰 면적의 셀을 필요로 한다. 이는 장치의 크기와 가격 상승 요인으로 작용한다.
2 .고가의 촉매
백금 촉매의 사용으로 인해 초기 설치 비용이 높으며, 희귀 금속의 공급 문제도 존재한다.
3 .느린 시동 시간
작동 온도가 비교적 높기 때문에 예열 시간이 필요하며, PEMFC처럼 빠른 시동이 어렵다.
응용 분야
1. 열병합발전 시스템(CHP)
PAFC는 전기와 열을 동시에 생산하는 열병합발전 시스템에 가장 널리 활용된다. 병원, 학교, 공공기관 등에서 안정적인 전력 공급원으로 사용되며, 겨울철 난방에도 활용된다.
2 .산업용 및 상업용 전력 공급
100kW에서 수 MW급 시스템으로 구성할 수 있어, 중대형 빌딩이나 산업단지의 전력 및 열 수요를 동시에 충족시킬 수 있다.
3 .마이크로그리드 및 분산형 전원
기존의 중앙집중형 발전 방식에서 벗어나, PAFC는 마이크로그리드 형태로 분산형 전원을 구성할 수 있어 송배전 손실을 줄이고 에너지 자립도를 높이는 데 기여한다.
PAFC 시장 동향 및 전망
1 .글로벌 시장
미국, 일본, 한국을 중심으로 상용화가 이루어졌으며, 최근에는 중국, 유럽에서도 관련 기술 개발이 활발하다. 특히 한국의 두산퓨얼셀은 PAFC 상용화 기술을 기반으로 한 열병합 발전 시스템을 확대하고 있으며, 수출 또한 활발히 진행 중이다.
2 .정책 및 규제
각국의 신재생에너지 확대 정책과 탄소중립 추진에 따라 연료전지 보급이 점차 확대되고 있으며, 이에 따라 PAFC도 다양한 인센티브 및 지원을 통해 설치가 늘어나고 있다.
3 .향후 기술 개발 방향
- 백금 대체 촉매 개발
- 고전류밀도 소재 개발
- 운전 온도 조절을 통한 시동 시간 단축
- 폐열 회수 시스템의 고도화
PAFC는 오랜 기간 동안 안정성과 신뢰성을 입증해온 연료전지 기술로서, 특히 열병합발전(CHP) 시스템에서 강력한 경쟁력을 가지고 있다. 다른 연료전지에 비해 낮은 전류밀도와 고가의 백금 촉매 등 한계점이 있지만, 고온 작동 환경에서의 열 회수 효율, CO 내성, 장기 운전 신뢰성 등의 장점으로 인해 여전히 경쟁력을 가진다. 앞으로는 기술적 개선과 함께 친환경 에너지 전환 흐름 속에서 PAFC의 응용 범위가 확대될 것으로 기대된다.
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