수소 연료 전지 자동차의 미래

현대자동차 연료 전지 시스템

수소 저장 기술

수소 생산 방법 리뷰

수소 연료 전지 기술 동향

THEME 01

THEME 02

THEME 03

THEME 04

THEME 05

● 담당위원 : 장영수(국민대학교)

수소 사회에서의 열공학 기술

24 ● 기계저널

차 석 원 서울대학교 기계항공학부 교수 ㅣe-mail: swcha@snu.ac.kr

수소 연료 전지 자동차의 미래01THEM

E

세계 각국은 자동차 산업의 미래를 위해

신기술 개발에 총력을 기울이고 있다. 특히,

자율 주행 자동차 기술과 친환경 자동차 기

술은 대규모 국가적 투자가 이루어지고 있

으며, 국가 경쟁력 확보에 가장 중요한 기술

로 여겨지고 있다.

수소 연료 전지 자동차(FCEV : Fuel

Cell Electric Vehicle)는 하이브리드 자동

차(HEV : Hybrid Electric Vehicle) 및 배

터리 자동차(BEV : Battery Electric

Vehicle)와 함께 친환경 자동차의 주요 기

술로 여겨진다. 이에 맞추어 세계 주요 기관은 기존의

내연 기관 자동차가 매우 빠른 속도로 친환경 자동차

에 의해 대체되는 예측 시나리오를 발표하고 있다. 기

존의 내연 기관 자동차는 하이브리드 자동차, 배터리

자동차 그리고 수소 연료 전지 자동차에 의해 차례대

로 대체되리라 예측하고 있다. 이 글에서는 각 국가별

수소 연료 전지 자동차의 개발 동향과 해결 과제, 그

리고 미래에 대해서 고찰하고자 한다.

2018년 기준으로 전 세계에는 약 12,900여 대의

수소 연료 전지 자동차가 보급된 것으로 알려져 있으

며, 특히 80%의 자동차가 2018년에 보급되어, 매우

빠른 변화가 이루어지고 있음을 알 수 있다. 이 중 약

46%의 자동차가 북미에 보급되어 있고, 23%가 일본

그리고 14%가 중국에서 운행되고 있는데, 대부분의

국가에서는 승용차가 주를 이루고 있으나, 중국에서

는 상용차를 중심으로 매우 빠른 속도로 수소 자동차

의 보급이 이루어지고 있다. 이러한 수소 자동차의 보

급에 있어서는 수소 충전소의 보급이 선행되어야 하

는데, 일본은 100개, 독일은 60개, 미국은 44개의 충

전소를 보유하고 있어, 수소 자동차 기술의 선점에 유

리한 고지를 취하고 있다.

세계 각국은 2030년을 목표로 매우 공격적인 수소

자동차의 보급 계획을 발표하여 추진하고 있다. 미국

의 캘리포니아주와 중국은 100만 대의 수소 자동차

와 1,000개의 수소 충전소 보급 목표를 제시하였고,

일본은 80만 대의 수소 자동차를, 독일은 1,000개의

이 글에서는 각 국가별 수소 연료 전지 자동차의 개발 동향과 해결 과제, 그리고 미래에 대해서 고찰하고자 한다.

그림 1 National Research Council의 친환경 자동차 판매 예측

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 25

THEME 01

수소 충전소 보급 목표를 제시하였다. Hydrogen

Council은 전 세계적으로 1,000만 대 이상의 수소 자

동차의 보급을 예상하고 있으며, 2050년에는 4억 대

의 수소 자동차 보급을 예상하고 있다. 대한민국 또한

매우 공격적으로 2040년에는 620만 대의 수소 자동

차와 1,200개의 수소 충전소 보급을 목표로 하고 있

다.

이러한 수소 자동차의 보급에는 수소 충전소의 보

급과 수소 자동차에 대한 정부 보조금을 중심으로 하

는 국가의 장기적인 지원 계획이 매우 중요한데, 중국

은 중앙 정부와 지방 정부가 합심하여 매우 공격적인

계획을 추진하고 있다. 예를 들어, 수소 연료 전지 승

용차에 대해 20만 위안의 보조금을 중앙 정부가 지급

하고, 상하이시나 우한시의 경우 같은 금액의 보조금

을 지방 정부가 따로 지급한다. 결국 40만 위안(한화

약 6,800만 원)의 매우 공격적인 정부 보조금이 지급

되는데, 대형 버스의 경우에는 이러한 보조금이 100

만 위안까지 증가된다. 캐나다의 Ballard사는 중국 상

하이시에 합작 공장을 건설하여,

작년에 이미 500여 대의 트럭에

수소 연료 전지 시스템을 보급하

였고, 상하이시에는 1,000대 이상

의 연료 전지 버스와 트럭이 운행

되고 있다.

일본은 2020년 동경 올림픽을

통해 수소 자동차 기술의 우위성

을 홍보하고자, 토요타사를 중심

으로 100여 대의 수소 연료 전지

버스의 운행을 계획하고 있고, 다

른 국가에 비해 월등한 수의 수소

충전소를 보유하고 있어, 수소 자

동차의 보급에 매우 유리한 고지

를 선점하고 있다. 앞서 밝힌 대로

2030년에는 80만 대의 수소 자동

차 보급을 목표로 하고 있으나, 이

는 전체 자동차 수의 3% 정도밖에 차지하지 못하므

로, 수소 자동차의 보급이 더욱 확대되어야 함을 알

수 있다.

유럽은 수소 자동차뿐만 아니라, 수소 연료 전지 기

차 및 선박 등의 도입을 통해 수소 사회 진입으로의

원대한 계획을 제시하였는데, 승용차보다는 상용차의

도입을 우선적으로 추진하는 중국과 유사한 전략을

수립하였다. 이는 배터리 자동차와 수소 자동차의 기

술적 혹은 경제적 우위성을 고려한 것으로, 유럽의

FCH 수소 로드맵에 따르면, 수소 연료 전지 트럭은

100km 이상의 운행 거리에서 배터리 전기 트럭에 비

해 우수한 경제성을 지닌다고 알려져 있다. 상용차는

승용차에 비해 운행 시간과 거리가 길기 때문에, 충전

시간과 충전 공간이 매우 중요하다. 상용차는 승용차

에 비해 장시간 운행을 요구하므로, 대용량 충전이 필

요하다. 수소 상용 자동차는 배터리 자동차에 비해 15

배 정도 충전이 빠르고, 또한 충전 시간을 고려하면,

충전소의 회전율이 빠르기 때문에 배터리 자동차의

그림 2 세계 각국의 수소 자동차 보급 계획(International Energy Association)

26 ● 기계저널

충전소보다 10배 가량 작은 공간이 필요하다고 알려

져 있다. 따라서 수소차의 보급은 우선 상용차를 중심

으로 충전소의 보급과 함께 이루어지고, 대규모 승용

차의 보급이 뒤따르는 계획이 추진되고 있다.

수소 자동차의

보급에 있어서, 앞

서 말한 수소 충전

소의 보급 외에도

가격 경쟁력을 확

보하는 것은 타 친

환경 자동차와 비

교하여, 정부 보조

금 없이 자생적인

경쟁력을 확보하

는 데 매우 중요하

다. 수소 자동차가 가격 경쟁력을 확보하는 문제는 생

각보다 어려운 문제로, 수소 자동차의 부품 공급 체계

(supply chain)를 종합적으로 고려하여야 한다. 수소

자동차는 기존의 내연 기관 자동차와 유사한 복잡한

THEME 01 수소 연료 전지 자동차의 미래

그림 3 수소 자동차의 부품 체계도(FCH Europe)

표 1 수소 자동차의 가격 예측 및 부품 가격 요소 분석(IEA, 2015)

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 27

THEME 01공급 체계를 가지고 있어, 배터리 자동차와 같이 단기

간에 공급 체계를 갖추기가 매우 어렵다. 그러나 이러

한 공급 체계가 구축되면, 이는 기술 우위를 확보하

고, 국가 제조업의 경제력 확보에 엄청난 효과를 가져

올 수 있기에, 각 국가가 공격적인 지원 정책을 펼치

는 가장 중요한 이유라 할 수 있다.

수소 자동차에 사용되는 수소 연료 전지 시스템은

엔진에 해당하는 수소 연료 전지 스택과 스택의 수소

공급, 공기 공급, 냉각, 전력 제어 등에 필요한 운전

장치(BOP : Balance of Plant)로 나뉜다. 스택은 막

전극 접합체(MEA : Membrane-Electrode

Assembly), 분리판(bipolar plate), 밀봉체(seal)로

구성되며, MEA는 전해질막(membrane), 촉매

(catalyst), 기체확산층(gas diffusion layer)으로 구

성되고, 이러한 부품의 제작은 활성 탄소 분말, 탄소

섬유, 백금 도금액, 이온 전도 고분자체 등의 원재료

로부터 출발한다. BOP는 기존의 내연 기관 자동차와

유사하게, 압축기, 밸브, 제어기, 수소 압축 용기 등

다양한 기계 부품 소재를 활용하게 되며, 결론적으로

수소 자동차는 소재/재료, 부품, 시스템 및 제어 등에

이르는 매우 다양한 기술이 확보되어야 경제성이 확

보될 수 있다.

수소 자동차의 가격 요소을 분석해 보면, 현재로서

는 수소 연료 전지 시스템 가격이 자동차 가격의 50%

를 차지한다. 향후에 100만 대 이상의 양산을 기준으

로 가격 요소를 예측해 보면, 수소 연료 전지 시스템

의 가격은 1/10로 감소하여, 기존의 내연 기관 자동

차와 비교하여 동등한 가격 경쟁력이 확보될 수 있다.

따라서 수소 자동차의 복잡한 부품 체계를 고려하면,

결국 경제성의 확보는 대량 생산을 통한 가격 절감만

이 유일한 해법이다. 현재의 수소 자동차 기술 수준은

이미 상용화 기술을 충분히 확보하고 있기 때문에, 부

품 및 시스템 양산 기술을 확보하는 것이 가장 급선무

이다. 결국 이는 대량 보급을 통해 이루어질 수밖에

없고, 이 글의 서두에서 소개한 세계 각국이 공격적으

로 추진하는 보급 목표의 당위성을 제공한다. 이러한

세계적인 움직임을 고려할 때, 올해 제시된 대한민국

의 수소 충전소 확보 및 수소차 보급을 위한 공격적인

국가적 지원은 미래 국가 제조업 경쟁력 확보를 위해

필수적이라 할 수 있다. 이와 더불어 수소 자동차 및

수소 충전소의 핵심 부품 소재에 대한 대량 생산 기술

의 지원이 대폭 확대되어, 미래 국가 산업 발전의 초

석이 마련되기를 기원한다.

28 ● 기계저널

02 현대자동차 연료 전지 시스템THEM

E

전 순 일 현대자동차 연료전지설계실 실장 ㅣe-mail: soonill@hyundai.com

수소 사회는 한마디로 “이산화

탄소 배출을 최소화하는 에너지

자립형 사회”로 표현할 수 있으며,

최근 수소 사회 및 연료 전지가 각

광을 받는 이유는 수소 및 연료 전

지가 아래와 같은 네 가지 잠재력

을 가지고 있기 때문이다. 첫째,

에너지 원소재 단계부터 차량에서

최종 사용되는 단계에 이르기까지

전과정 효율(Well-To-Wheel 효

율) 측면에서, 연료 전지는 기존 가솔린 및 디젤 대비

약 두 배의 높은 효율을 가지는 것으로 분석되고 있

다. 이는 수소가 천연가스 개질을 통해 생산되어 일정

량의 이산화탄소 배출이 고려된 효율 이득이며, 지구

온난화와 관련된 이산화탄소 배출 저감 측면에서 기

여함을 의미한다. 둘째, 연료 전지의 정상 작동을 위

해 필요한 부품들이(공기필터, 막가습기, 기체확산

층) 부가적으로 공기 정화 기능을 수행함에 따라 미세

먼지 저감 측면에서 기여할 수 있다. 예를 들면, 승용

수소전기차 한 대는 초미세 먼지를 99% 이상 포집함

으로써, 성인 약 50명의 필요 공기량을 정화할 수 있

다. 셋째, 수소와 연료 전지는 태양광, 풍력 등 특정

시간 및 특정 계절에 따라 변동성이 큰 신재생 에너지

를 보조하는 에너지 캐리어로 기

능할 수 있다. 즉, 신재생 에너지

로부터 생산된 잉여의 전기를 수

소 형태로 저장했다가(기체 수소,

액체 수소, 암모니아 등) 그리드의

전기가 부족할 경우 보상하는 기

능을 수행할 수 있다. 넷째, 수소

와 연료전지는 새로운 일자리 창

출 및 기존 일자리 유지 측면에서

사회에 기여할 수 있다. 즉, 수소

는 생산, 운반, 유통 등 여러 단계를 거치므로 관련된

업체 생태계가 필요하며, 연료 전지는 소형 센서, 액

추에이터, 막 및 촉매 관련 재료 등 부품 수 측면에서

배터리 전기차 대비 약 50% 이상 많기 때문에 중소형

기업 육성 측면에서도 유리하다.

위와 같은 수소 및 연료 전지가 가진 잠재력으로 인해

서, 현대자동차에서는 1998년부터 연료 전지 기술 개발

을 가속화했으며, 그 과정의 성과로 2013년에 세계 최초

로 투싼 수소전기차 양산 개시 및 2018년에는 한 단계

진보된 기술이 집약된 NEXO 양산에 성공하였다.

NEXO에 탑재된 연료 전지 시스템의 평균 효율은

북미 EPA 모드 주행 기준 60%로 세계 최고 수준이며,

이와 같은 고효율 연료 전지 시스템과 고효율 전기 동

이 글에서는 2018년 양산을 개시한 현대자동차 NEXO 수소전기차에 탑재된 연료 전지 시스템의 기술적 특징에

대해 간략히 소개하고자 한다.

현대자동차에서는 가스 공급 및

물 배출이 용이하도록 스택을 강

건하게 설계하고, 스택과 조화를

이루도록 운전 장치 부품도 고효

율 및 컴팩트하게 개발함으로써,

가격, 내구, 연비 모든 면에서 세

계적 경쟁력을 갖춘 연료 전지

시스템을 개발하였다.

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 29

THEME 02

력 시스템(모터, 인버터, 컨버터) 및 공력 등 차량 설

계 최적화를 통해 북미 EPA 인증 연비는 SUV 차량임

에도 불구하고, 61.0 MPGe(Mile Per Gallon

equivalent)을 달성하였다. 더욱 경쟁력이 있는 부분

은 실도로 연비가 인증 수치대비 약 20% 높다는 점이

다. 이를 통해, 주행 거리도 인증 기준 609km로 수소

전기차 및 배터리 전기차를 통틀어 가장 높은 수치로,

부족한 수소 충전 인프라로 인한 불편함을 일부 보상

하도록 개발하였다. 또한 동력 성능 측면에서도 투싼

수소전기차 대비 약 20% 증대된 모터 및 연료 전지와

배터리 파워 배분을 통해, 9초대의 발진 성능을 구현

하였으며, 투싼의 단점으로 지적된 60kph/80kph 추

월 성능도 향상시켰다. 냉시동 성능은 -30℃ 극한 온

도 조건에서 장시간 방치를 가정했을 경우에도 약 30

초 이내에 시동이 완료될 수 있도록, 스택 자체 발열

활용 및 운전 제어 최적화를 통해 구현하였다.

N E X O 연료 전지 시스템의 보증 내구는

160,000km 또는 10년으로, 내구에 민감한 막전극

접합체 설계 강건화 및 스택 분리판 구조 및 유로 설

계, 스택 내부 최적의 수소 분압과 물량을 유지시키는

운전 제어 개발을 통해 달성하였다.

일례로 스택 분리판 구조 설계 측면에서는, 기존 투

싼 수소전기차에 적용된 공기극/수소극 채널 기반 구조

의 한계를 극복하기 위해, 공기극용 3차원 다공체 유로

를 개발하여, 공기극 전체 부피를 최대한 사용해서, 공

기 확산을 원활하게 하고, 생성된 물이 불필요하게 적

체되지 않고 스택 밖으로 배출될 수 있도록 설계하였

다. 이를 통해 공기/수소 과급비가 정상치 이하로 낮아

지는 worst 상황에서도 셀전압 안정성이 개선되었다.

NEXO의 공기 공급 시스템은 크게 공기 압축기, 가

습기, 공기 차단 밸브 및 압력 제어 밸브로 구성되어

있다. 공기 압축기는 에어포일 베어링을 사용해 윤활

유 마찰 손실을 제거함으로써 고효율, 저소음, 컴팩트

설계를 구현하였다. NEXO에는 연료 전지 내구 및 효

율 개선을 위해, 연료 전지 정지-재기동 제어가 적용

되어 있는데, 이는 특정 속도 이상 회전을 해야 부상

하게 되는 에어포일 베어링 입장에서는 부품 내구에

그림 1 NEXO 연료 전지 시스템

그림 2 NEXO 실도로 연비 시험 결과

그림 3 스택 분리판 설계

30 ● 기계저널

악영향을 주는 항목이었으며, 베어링 및 압축기 부품

최적 설계를 통해 가혹한 내구 요구 조건을 만족시켰

다. 가습기는 투싼의 원통형 대비 각형으로 컴팩트하

게 설계하되, 상대습도 요구 조건을 만족시킴으로써

외기 온도 고온 및 고출력 등판 조건에서 연료 전지

출력 제한을 최소화시켰다.

수소 공급 시스템은 고소음 및 저효율의 원인이 되

었던 수소 재순환 펌프를 삭제하고, 압력을 제어하는

밸브와 이젝터 시스템만을 이용해 미니멀하게 설계

하였으며, 저출력 조건 등 전 운전 영역에서 수소 과

급비 요구 사항을 만족시켰다. 이외에 수소 차단 밸브

와 운전 중 적정량의 수소 분압을 유지시키기 위해 조

건 별로 질소 등 불순물을 배출하는 퍼지 밸브 및 응

축수를 배출하는 드레인 밸브를 개발하여 스택 인클

로저에 모듈화되도록 설계하였다.

열 관리 시스템은 스택 냉각 펌프, 4-Way 밸브, 이

온 필터 등으로 구성되며, 4-Way 밸브는 저온 시 사

용되는 냉각수 바이패스 루프, 고온 시 냉각을 위한

라디에이터 루프, 그리고 냉각수의 적정 수준 전기 절

연성을 확보하기 위한 이온필터 루프 등 냉각수 흐름

전환을 위한 밸브이다. 또한 정비소에서 기존 냉각수

및 물과 오사용을 방지하기 위해 파란색의 특화된 스

택 냉각수를 개발해 사용하고 있다.

수소 안전 관련해서는 충돌 및 화재 등 다양한 극한

상황을 고려해서 다중의 안전 부품 및 Fail-Safe 로직

을 개발해 적용하였다. 일례로 수소 탱크는 강성이 높

은 탄소 섬유를 감아 제작하며, 국제 안전 기준에 의

거 파열 압력 기준 안전 계수 2.25를 만족시켰으며,

충돌 시 차량 부품이 탱크를 가격하지 않도록 차체 설

계를 보완하였다. 센서를 통한 충돌 감지 시, 탱크 차

단 밸브가 작동해서 수소 공급이 즉시 차단되고, 119

구급대원 등 구조 시 감전을 막기 위해 스택 등 고전

압 부품에 잔류된 고전압을 빠른 시간 내에 소거하는

제어 로직이 적용되어 있다. 또한 수소 미세 리크가

감지되면 외부 공기를 활용한 수소 희석 제어가 개시

된다. 화재 시에는 열을 감지해 탱크 밸브를 자동으로

개방해 짧은 시간 내에 수소를 밖으로 배출시켜 탱크

폭발을 방지하는 안전 부품들이 적용되어 있다. 위와

같은 수소 안전과 관련된 상황 발생 시, 클러스터에

경고등 및 대응 문구 표시 등을 통해 운전자에게 상황

을 인지시키고, 위급한 상황에서는 갓길 정차를 유도

하는 등 다양한 방식을 사용하고 있다.

연료 전지 양산 개발의 주요한 기술적 목표로는 가

격, 내구, 연비를 거론할 수 있으며, 이 세 가지 중에

한두 가지를 만족시키는 기술을 개발하는 것은 그리

어려운 과제는 아니다. 하지만 세 가지 모두를 세계적

경쟁력을 갖도록 개발하는 것은 매우 어려운 도전 과

제이며, 바로 이런 면이 현대자동차 연료 전지 시스템

의 강점으로 강조할 수 있다. 이와 같은 강점을 지속

유지하고 강화하기 위해 기초 소재부터 시스템 엔지

니어링에 이르기까지 우수한 협력 업체와 함께 끈질

긴 연구를 지속하고 있다.

THEME 02 현대자동차 연료 전지 시스템

그림 4 (a) 공기 공급 시스템, (b) 수소 송급 시스템, (c) 열 관리 시스템

(a) (b) (c)

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 31

THEME 0303 수소 저장 기술TH

EME

김 서 영 하이리움산업(주) 대표 ㅣe-mail: seokim@hylium-industries.com

민 정 기 하이리움산업(주) 이사 ㅣe-mail: minpro@hylium-industries.com

수소 저장의 중요성

에너지 분야 전문가들은 2020년부터 수소의 활용

이 본격화되어 2030년부터는 본격적인 수소 사회가

도래할 것으로 전망하고 있다. 이와 함께 수소의 생

산, 저장, 운송 인프라에 대한 수요가 급격히 증가할

것으로 예상된다. 우리나라에서도 올해 초 수소 경제

활성화 로드맵을 발표하며 국가 경제 활성화를 위해

수소 산업을 주요 에너지 산업으로 추진하려고 하고

있다. 수소 산업은 그림 1에 나타낸 바와 같이 수소를

생산하는 단계에서부터 최종 소비자가 수소를 용이

하게 활용할 수 있도록 대용량의 수소를 저장하여 운

송하는 여러 공급 단계

를 포함한다. 이 글에

서는 이러한 수소 산업

분야 중 대용량 수소의

안전한 저장과 운송을

위한 몇 가지 수소 저

장 기술에 대해서 소개

하려고 한다. 효율적이

고 안전하게 수소를 저

장, 활용하는 것은 미

래의 수소 사회를 여는

가장 중요한 열쇠가 될

것이기 때문이다.

수소의 최종 사용자

가 사용하는 에너지는

그림 1에 나타낸 바와

환경친화적 신에너지인 수소의 효율적 저장은 우리가 추구하는 수소 경제, 수소 사회에서 반드시 필요한 대용량

수소의 안전한 저장, 운송, 활용에 있어서 핵심적인 기술 분야이다. 이 글에서는 수소의 저장 방식과 최신 기술

동향에 대해 소개하고자 한다.

그림 1 수소 생산, 저장, 운송 공급 체계(출처:수소융합얼라이언스)

32 ● 기계저널

같이 공급된 수소를 통해 얻는 전기 에너지

로서, 연소 반응 없이 전기 화학 반응을 이

용하는 연료 전지가 주로 사용되게 된다. 따

라서 실질적으로 연료 전지에 공급되는 수

소 연료는 기체 상태로 저압(1~2기압)이면

충분하지만 최종 사용자까지 수소를 전달

하기 위해서는 고밀도의 수소 저장, 운송 방

법이 필요하다. 그래서 기체 수소를 최대한

압축하여 저장하거나 에너지 저장 밀도가

큰 액체 수소를 저장하여 운송하는 방법 등

이 사용될 수 있다. 특히 수소는 화석 연료

에 비해 중량당은 매우 높은 에너지

(140MJ/kg, 휘발유: 48MJ/kg)를 갖지만 부

피당은 매우 낮은 에너지(8MJ/L, 휘발유:

32MJ/L)를 갖기 때문에 수소를 효율적으로 저장하는

방법이 무엇보다도 중요하다.

수소 저장에는 압력 용기에 고압으로 압축한 수소

기체로 저장하는 방식인 고압기체수소 저장 방식, 수

소를 극저온 액화하여 액체 수소를 저장하는 방식, 수

소를 흡착할 수 있는 고체 물질에 저장하는 방식,

LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier) 및 암모

니아 저장과 같이 화학적 액상 저장 방식 등 다양한

수소 저장 방식이 있다. 정부는 올해 초 밝힌 수소 경

제 활성화 로드맵에서 초기 수소 시장에서는 고압기

체수소 저장 방법을 활용하고 장기적으로는 기술 개

발 지원을 통해서 액체 수소 및 고체 수소 저장 방법

으로 다양화 한다는 계획을 세운 상태이다.

(1) 고압 기체 저장 방식

수소 저장 기술 중 가장 보편적인 방법으로, 수소

기체를 100~800기압 정도의 고압으로 압축하여 압

력 용기에 저장하는 방식으로 용기에 대량의 수소를

저장하기 위해서는 수소 기체를 초고압으로 가압해

야 하고, 저장 용기는 이러한 초고압을 견딜 수 있는

구조여야 한다.

고압의 수소 기체를 저장하기 위한 압력 용기는 사

용 재료와 강화 구조에 따라 네 가지 형태로 구분한다

(그림 2). 타입Ⅰ 압력 용기는 강 또는 알루미늄으로

만들어진 금속제 용기로 복합 재료에 의한 구조적 강

화 없이 금속 재료만으로 압력을 견디도록 만든 용기

이고, 타입Ⅱ 압력 용기는 강 또는 알루미늄으로 만들

어진 금속제 용기 위에 탄소 섬유나 유리 섬유를 원주

방향으로 감아서 만든 용기이며 타입Ⅰ에 비해 고압

을 견딜 수 있다. 타입Ⅲ 압력 용기는 강 또는 알루미

늄으로 만들어진 얇은 금속제 라이너 위에 탄소 섬유

나 유리 섬유를 원주 방향과 길이 방향으로 충분히 감

아서 만든 용기로 금속제 라이너는 내압하중을 극히

일부분만 감당하고 대부분의 내압을 탄소 섬유층이

감당하는 구조이다. 타입Ⅳ 압력 용기는 용기의 경량

화를 목적으로 비금속 재료로 만들어진 라이너 위에

탄소 섬유나 유리 섬유를 원주 방향과 길이 방향으로

감아서 만든 용기로 비금속 재료로 만들어진 라이너

는 하중을 거의 부담하지 않고, 가스가 새지 않도록

하는 역할만 하며, 탄소 섬유층이 내압을 감당한다.

현재 넥쏘, 미라이 등 수소전기차에 사용되는 수소

저장 용기는 경량화를 위해서 주로 타입Ⅲ이나 Ⅳ 압

THEME 03 수소 저장 기술

그림 2 고압 기체 저장 방식 압력 용기의 종류

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 33

THEME 03

력 용기가 사용되고 있으며, 이러한 복합재 압력 용기

는 알루미늄 또는 플라스틱 소재의 라이너에 가볍고

강도와 강성이 뛰어난 탄소 섬유와 에폭시 수지를 경

화시켜 만들어진다. 탄소 섬유 복합재층이 내압하중

의 대부분을 견디며 라이너는 기밀 유지와 복합재층

을 감기 위한 기본 형상을 제공한다. 복합재 압력 용

기는 금속 재질의 압력 용기에 비해 가볍고, 고압에

견딜 수 있으며, 반복 사용 수명이 길고, 부식에 강한

특성이 있다.

(2) 액체 수소 저장 방식

기체 수소를 대기압에서 영하 253℃(20K)로 냉각

하여 액화시키면 액체 수소가 된다. 액체 수소는 기체

수소의 부피를 약 1/800로 감소시킬 수 있어서 기체

수소 대비 높은 저장 밀도를 가지고 있으며 대기압에

서 저장이 가능하여 저장의 안전성 측면에서 큰 장점

을 가지고 있다. 액체 수소 저장은 주어진 부피에서

고압 기체 저장보다 많은 양의 수소를 저장할 수 있는

데, 이는 액체 수소의 밀도가

0.07kg/L이나 기체 수소는

700기압으로 압축하여도

0.039kg/L로 낮기 때문이다.

이러한 이유로 장거리 운송

이 필요한 수소 버스, 수소 트

럭, 수소 기차 및 수소를 사용

하는 에어 택시 등에서는 액

체 수소 저장 용기를 연료 탱

크로 적용하고자 하는 노력

이 진행 중에 있다.(그림 3)

액체 수소 저장 용기의 설

계 및 제작에서 고려하여야

할 가장 중요한 요소로는 다

른 극저온 저장 용기와 마찬

가지로 매우 우수한 단열을

해야 한다는 것이다. 따라서

진공단열이 일반적으로 적용되고 있으나 복사에 의

한 열 유입이 절대 온도의 4제곱에 비례하므로 (Q∝

T4) 상온으로부터 영하 253℃의 액체 수소로 흡수되

는 복사열량이 매우 크다. 따라서 현재 극저온 액체

수소 저장 용기에서는 복사를 차단하기 위하여 진공

단열과 함께 분말단열재, 다층단열재(MLI), 증기 냉

각 복사쉴드(VCRS) 등이 복합적으로 사용되고 있다.

0.1mTorr 이하의 고진공에서는 다층단열재(MLI)의

단열 성능이 가장 우수한 것으로 알려져 있다.

(3) 고체 수소 저장 방식

수소가 특정 고체 물질에 흡착되면 그 부피가 크게

줄어드는 원리를 이용하여 저장하는 방식으로 이렇

게 흡착 저장된 수소는 다시 가열하거나 감압하여 수

소를 추출할 수 있다. 수소를 물리적으로 흡착하는 방

법은 수소 분자가 약하게 흡착되나 화학적으로 반응

이 일어나지 않는 흡착이다. 화학적 흡착은 수소 분자

가 물질의 표면과 반응하여 금속성 공유 결합 또는 이

그림 3 액체 수소 저장 용기

50~3,500L급 액체 수소 탱크 (하이리움산업)

대용량 액체 수소 탱크

(Linde)

선박용 액체 수소 탱크

(MAN Cryo)

수소차용 액체 수소 탱크

(Linde)

34 ● 기계저널

온 결합을 이루고 수소와 수화

물을 이루는 화학적 흡착으로

수소를 저장한다. 그림 4는 현

재 상용화되어 사용되고 있는

수소 저장 합금 고체 수소 저

장 용기의 사례이다.

< 고체 수소 저장의 종류 >

가. 상온 수소 저장 합금:

원자 상태의 수소를 합금 내부

에 흡장하는 원리로 부피당 저

장 밀도가 높고 중량당 저장

밀도는 상대적으로 낮다.

나. 중/고온 금속수소화물:

수 소 를 하 이 드 라 이 드

(hydride)형태로 저장하며 작

동 온도가 100~400℃로 높고

반응열이 상대적으로 크지만

중량당 저장 밀도가 4~11%

로 높다.

다. 다공체 흡착: 비표면적

이 큰 다공성 물질의 표면에

수소 분자를 물리적 흡착하는

원리로 작동 온도는 상온 이하

로 낮으나 반응열이 작은 반면

부피당 저장 밀도는 낮다.

(4) 액상 수소 저장 방식

액상 수소 저장은 화학적 액상수소화물 저장으로

수소 기체를 유기 화합물 및 무기 화합물(LOHC,

NH3, 메탄올 등)을 사용하여 화학적 결합을 통해 상

압, 상온 수준에서 저장하고 추출하는 방식이다. 액상

수 소 저 장 방 식 으 로 가 장 활 발 히 연 구 되 는

LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier) 기술은

약 6wt%의 수소 저장 용량을 가지며 가역성을 확보

할 수 있다. 액상 수소 저장 방식은 기존 화석 연료의

저장, 운송 인프라와 호환이 가능하다는 장점이 있다.

LOHC 저장 기술에서 중요한 요소로는, 액상 물질이

고압 수소 탱크에 버금가는 대용량의 수소를 저장할

수 있어야 하며 수소를 액상에 넣어 장기간 저장하더

라도 액상이 쉽게 변하지 않고 안전성이 높아야 한다.

그림 5는 LOHC의 연구가 활발한 일본의 액상 수소

저장 실증 플랜트의 모습을 보여주고 있다.

맺음말

이 글에서는 가까운 미래의 수소 경제, 수소 사회에

THEME 03 수소 저장 기술

9kg급 고체 수소 저장 시스템(McPhy)

독립 주택용 고체 수소 저장 시스템(GKN)수소

100kg급 고체 수소 저장 시스템(Hydrexia)

충전소용 고체 수소 저장 시스템(JMC)

그림 4 고체 수소 저장 시스템

그림 5 일본 치요다의 LOHC 수소 저장 실증 플랜트

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 35

THEME 03서 대용량의 수소를 안전하게 저장, 운송하는데 있어

서 필수적인 몇 가지 중요한 수소 저장 기술에 대하여

소개하였다. 특히 국내에서 일반화되어 있는 고압 기

체 수소 저장 방식이외에도 미국, 유럽, 일본 등 수소

개발 선진국에서 개발되어 사용되고 있는 액체 수소

저장 방식, 고체 수소 저장 방식, 액상 수소 저장 방식

에 대해서도 알아보았다. 지금은 대용량 수소의 저장

과 운송이 필수적인 미래의 수소 사회를 대비하여서

도 다양한 방식의 수소 저장 기술을 연구 개발을 통해

지속적으로 발전시키는 것이 매우 중요한 시점이라

고 판단된다. 또한 고압 기체 저장 방식에 국한되어

있는 국내의 수소 저장 관련 법규도 서둘러 다양한 수

소 저장 방식에 맞추어 개정되어야 할 것으로 사료된

다.

36 ● 기계저널

수소 생산 방법 리뷰04THEM

E

신 지 영 숙명여자대학교 기계시스템학부 교수 ㅣe-mail: jshin@sookmyung.ac.kr

정부는 올해 1월 17일 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을

발표하였다. 로드맵은 ‘수소차’와 ‘연료 전지’를 축으

로 경제적이고 안정적인 수소 생산 및 공급 시스템을

구축하여 수소 경제를 선도하려는 계획을 담고 있다

(그림 1). 수소 경제를 구현하기 위해서는, 친환경적

이면서 효율적인 수소 생산 시스템의 개발이 필수적

이다. 이러한 측면에서 이 글에서는 수소를 생산하기

위한 기술을 살펴보도록 하겠다.

수소는 산업 응용 프로세스에서 대체 원료로 사용

할 수 있는 가장 중요한 연료 중 하나이고, 기존의 화

석 연료를 대체할 수 있는 청정에너지 연료로 간주된

다. 지구 온난화 정도가 계속 심각해지기 때문에 이론

적으로 지구 온난화 유발 물질을 배출하지 않는 수소

를 에너지원으로 더 많이 사용해야 하며, 이를 위해서

는 지구 온난화를 유발하지 않는 친환경적인 방법으

로 수소를 대규모로 생산할 수 있는 방법을 찾아야 한

다.

환경친화적인 에너지원을 이용해서 수소를 생산하

는 방법에 대해서 많은 연구가 이루어져 왔다. 그렇지

만 아직도 친환경적인 에너지를 이용할 수 있는 방법

으로는 소량만을 생산할 수 있고, 여전히 많은 양이

화석 연료로부터 또는 화석 연료를 이용한 에너지원

을 이용해서 생산되고 있다.

현재 광범위하게 사용하고 있는 가솔린, 암모니아

또는 메탄올과 같이 수소를 함유하고 있는 물질로부

터 수소를 생산하는 기술은 경제성과 효율 측면에서

충분히 성숙한 기술로 평가된다. 예를 들어, 메탄으로

부터 수증기 개질(steam reforming)을 이용해 수소

를 생산하는 기술은 약 70% 정도의 효율을 보이고 있

다. 만일 부분 산화(partial oxidation) 방법을 이용한

다면 그 효율은 약 50%로 보고되고 있다.

위에서 언급한 메탄의 수증기 개질 방법은 오늘날

상업적으로 사용되는 가장 일반적인 수소 생산 방법

이다. 그렇지만 대부분의 탄화수소 연료는 연료 개질

을 위한 촉매 활성을 저하시키는 황을 어느 정도 함유

하고 있는 문제점 때문에 수소 생산의 걸림돌이 되고

있다.

이 글에서는 친환경 에너지로 주목받고 있는 수소를 생산하기 위한 여러 가지 방법을 살펴보기로 한다.

그림 1 수소 공급 계획(수소 경제 로드맵, 2019)

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 37

THEME 04

이 글에서는 수증기 개질(steam reforming)과 같

이 화석 연료로부터 수소를 만드는 기존의 여러 방법

과 물의 수전해(water electrolysis) 등과 같은 수소

생산 기술을 살펴보았다. 광분해나 열화학적 방법을

이용해서 물을 분해하는 방법과 암모니아를 분해하

는 수소 제조 방법을 검토했다. 또한, 플라즈마 개질,

수성 개질 방법 등도 살펴보았다.

따라서 지금부터 서술하는 각 수소 생산 기술뿐

아니라 이 글에서 언급하지 않는 새로운 수소 생산 기

술이 가지고 있는 장단점을 잘 파악해서 최적의 수소

생산 기술을 발전시킬 필요가 있다.

수소 생산 기술

수전해 방법

수전해(water electrolysis)법은 전기 에너지를 많

이 소모하기 때문에 순도가 높은 수소를 소량 필요로

할 때 사용한다. 수전해법은 가장 오래된 수소 제조 방

법으로 실용화된 기술이지만, 경제성이 있어야 한다.

따라서 최근에도 수전해 과정의 효율을 높이기 위한 연

구가 계속되고 있다. 알칼리 전기 분해의 효율이 70%

정도이며, 이보다 효율이 좋은 고분자 전해질 수전해나

고체 산화물 수전해에 대한 연구가 활발히 이루어지고

있다. 수전해 셀의 양극, 음극에서 일어나는 반응은 세

가지 방법이 각각 다르지만, 전체 반응식은 같다.

열분해 및 열화학적 물분해

열분해(thermolysis) 또는 열화학적 물분해

(thermochemical water splitting)법은 열만으로 물

을 수소와 산소로 분해한다. 열분해법은 물을 약

3,000℃ 이상의 고온으로 가열하여 수소와 산소로 직

접 해리하는 방법인데, 고온의 열원을 필요로 하기 때

문에 에너지를 많이 소모한다는 단점이 있다. 촉매를

이용하면 비교적 낮은 온도(1,000℃ 이하)의 화학 반

응에 의해 물을 분해할 수 있는데 이를 열화학적 방법

이라고 하고, 그 효율이 50%에 가까운 것으로 알려져

있다.

열화학적 방법은 다단계의 화학 반응을 조합시켜

반응 물질을 순환 매개 물질로 사용하면서 열적으로

물을 분해하는 방법으로, 보통 950℃ 이하 온도의 화

학 반응들로 구성하여 물을 분해한다. 열원으로는 태

양로, 고온 가스 냉각 원자로, 제철소 용광로 폐열 등

의 이용이 가능하다.

미국, 독일 및 일본을 중심으로 이와 같은 방법에

대한 연구가 지속되었으며, 200가지 이상의 사이클

이 제안되었다. 이들 중에서도 가장 많은 연구가 이루

어졌으며 가장 유망한 것으로 알려진 열화학 물분해

수소 제조법은 황-요오드(SI: Sulfur-Iodine) 열화학

수소 제조 공정이다.

이 과정에서 필요한 열에너지는 태양에너지를 사

용할 수 있고 CO2 발생을 피하거나 또는 줄일 수 있

기 때문에 유리하다. 초고온가스로를 열원으로 이용

하고자 하는 연구도 이루어지고 있다. 초고온가스로

는 열화학적 물 분해 과정에 필요한 매우 높은 온도

(750~950℃)의 열에너지를 공급할 수 있다.

광분해

물을 수소와 산소로 분해하는 반응에 태양광에너지

를 직접 이용하는 광분해(photonic) 방법에는 에너지

를 효율적으로 물의 분해에 사용할 수 있게 하는 광촉

매가 필요하다. 광촉매에 흡수된 에너지는 반도체의

그림 1 수소 공급 계획(수소 경제 로드맵, 2019)

그림 2 수소 생산

38 ● 기계저널

THEME 04 수소 생산 방법 리뷰

가전자대(valence band)에서 정공(hole)을, 전도대

(conduction band)에서 광전자(photonelectron)를

생성한다. 생성된 광전자와 정공은 광촉매의 표면으

로 각각 이동하여 물을 환원/산화하여 수소와 산소를

발생시킨다. 그러나 지금까지 개발된 광촉매는 대부

분이 자외선에 반응하는 것으로 태양광선의 경우 자

외선은 약 4%에 지나지 않으므로 태양광선 중 약

43%를 차지하는 가시광선에 반응하는 고효율 광촉

매의 개발이 중요하다.

바이오매스

생물학적 수소 생산기술로서 대표적인 방법 중의

하나는 광합성 미생물을 이용하는 방법이다. 이 방법

은 태양광을 에너지원으로 하여 물이나 유기물을 분

해시켜 수소를 발생시키는데 미생물 내부에는 자가

증식형의 수소 생산 메커니즘이 내장되어 있어 별도

의 태양광 전환 이용 장치 등이 불필요하다. 이와 같

은 형태의 분해 공정에 투입되는 바이오매스

(biomass) 원료는 도처에 무진장으로 존재하고, 자연

계에서 계속 합성된다. 따라서 광합성 미생물에 의한

수소 생산은 화석 연료의 대체 효과뿐만 아니라 폐기

물과 폐수의 처리, CO2 배출 감소에 따른 지구 온실

효과 방지 등도 가능하여 지구 환경 보호에 크게 기여

할 것으로 전망된다.

탄화수소 개질 방법을 통한 수소 생산

수증기 개질

수증기 개질(steam reforming) 공정은 수소 및 합

성가스 생산의 주 공정으로 사용되고 있다. 탄화수소

를 개질시킴으로써 얻어지는 합성가스는 수소 함량

이 높기 때문에 수소 생산에 유리하다.

탄화수소 연료는 천연가스와 LPG에서 나프타 및

경우에 따라 등유를 포함한 액체 연료까지 다양하다.

수증기 개질 공정 반응은 흡열 반응이며, 작동 온도는

일반적으로 부분 산화나 자열개질 공정보다 낮다.

부분 산화

천연가스의 부분산화(partial oxidation)공정은 약

한 발열 반응이며 외부로부터 열의 공급이 필요 없으

므로 에너지 효율 면에서 유리하다. 일반적으로 부분

산화에 관여되는 반응은 크게 네 가지로, 연소 반응,

수증기 개질 반응, CO2 개질 반응, 그리고 부분 산화

반응을 수반한다.

부분 산화 반응은 천연가스와 산소와의 반응으로

이루어지며, 수소와 일산화탄소가 주요 생성물이다.

반응 온도에 따라 차이는 있으나, 수소와 CO 외에

CO2, C(soot), H2O 등이 소량으로 나온다. 공기를 산

소 공급원으로 사용할 때는 NOx가 배출되는 단점도

있다.

자열개질

자열개질(auto-thermal reforming) 공정은 흡열

반응인 수증기 개질과 발열 반응인 부분 산화 반응의

혼합 공정으로, 수증기와 산소의 양을 적절히 조절하

면서 높은 수소 농도를 얻을 수 있는 개질 공정이다.

이와 같은 자열 개질 공정은 에너지 효율이 높고 기

동·부하 변동에 의한 응답 특성이 빠르며, 반응 조건

을 잘 조절하면 열을 공급하지 않고도 자체적으로 운

전이 가능한 시스템이다.

가스화

가스화(gasification) 공정은 석탄과 같은 유기물에

산소, 수증기, 공기, 이산화탄소와 같은 가스를 공급

하고 고온에서 반응을 일으키는 방법이다. 가스화 공

정을 통해 만들어진 생성물은 H2, H2O, CO2 및 미반

응 CH4와 함께 7~10% 정도의 CO로 이루어져 있다.

이러한 개질 가스의 CO 함량을 낮추는 동시에 수소

함량을 더욱 높이기 위해 개질 가스는 다음 식과 같이

주어지는 발열 가역 반응인 수성 가스 전환 반응

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 39

THEME 04(WGS)을 거치게 되며, 이후 99.99% 이상의 고순도

수소로 정제된다.

플라즈마 기술을 사용한 탄화수소 연료의 개질

플라즈마 개질에서 전체적인 개질 반응은 종래의

개질과 동일하다. 그러나 개질 반응에 필요한 에너지

와 자유 라디칼이 플라즈마에 의해 공급된다. 물 또는

수증기가 연료와 같이 투입되면, H, OH, 전자 등이

형성되고 산화, 환원 반응이 일어날 수 있는 환경이

만들어진다. 플라즈마 개질은 기존의 개질 과정이 가

지고 있는 고비용, 촉매의 수명, 장치의 크기, 느린 반

응 등과 같은 단점을 극복할 수 있는 대안이다. 또한

기존의 개질 과정보다 낮은 온도에서 작동할 수 있다.

그렇지만, 전기에너지를 많이 필요로 하고 높은 압력

에서 전극이 부식되는 단점도 있다.

플라즈마 기술은 에너지 수준을 기반으로 열 플라

즈마와 저온 플라즈마로 분류 할 수 있다. 열 플라즈

마 개질에서는 전자와 나머지 원소들을 높은 온도로

올리기 위해서 많은 에너지가 필요하다. 열 플라즈마

는 일반적으로 고온에서 사용되며 원치 않는 코킹 및

그을음뿐만 아니라 에너지 비용도 증가시킨다. 높은

온도에서 전극 재료가 증발하는 것을 막기 위해 냉각

을 해야 하는 단점도 있다. 반응 온도를 낮추어서 에

너지 소모를 줄이기 위해서 촉매에 대한 많은 연구가

이루어지고 있다. 저온 플라즈마에서는 전자의 온도

만 높게 유지하고 나머지 구성 요소들의 온도는 크게

증가하지 않기 때문에 비교적 에너지의 소모가 적다.

암모니아를 사용하는 수소 생산 방법

플라즈마 기술을 사용해서 암모니아를 분해하는

수소 생산 방법이 연구되고 있다. 이 플라즈마 기술은

표준 온도, 압력 조건에서 촉매를 사용하지 않고

99.999%의 순수한 수소 가스를 생산할 수 있다. 이

기술은 비용이 적게 들고, 환경 오염이 적기 때문에

암모니아 가스를 기반으로 고효율의 수소 생산 설비

를 구현할 수 있다. 암모니아 가스는 플라즈마를 통과

하면서 수소와 질소로 분해된다.

플라즈마에 의해 얻어진 높은 전자에너지를 이용

해서 암모니아로부터 수소를 만드는 방법은 계속 연

구되어야 할 유망한 방법으로 보인다.

40 ● 기계저널

수소 연료 전지 기술 동향05THEM

E

심 준 형 고려대학교 기계공학과 교수 ㅣe-mail: shimm@korea.ac.kr

연료 전지는 연료가 가지고 있는 화학에너지를 전

기 화학 반응을 통해 열과 전기에너지로 변환하는 장

치이다. 연료 전지에서 가장 핵심적인 부품은

MEA(Membrane-Electrode-Assembly)라 불리는

막접합체이다. M E A는 이온전도성 전해질막

(electrolyte membrane) 양면에 각각 다공성 양극

(cathode)막과 음극(anode)막이 결합되어있는 구조

이다. MEA에서 일어나는 전기 화학 반응에서는 반응

물 이외의 물질을 통한 전자의 이동이 수반되어야 한

다. 즉, 이온을 통하는 물질(전해질막)과 전자를 통하

는 물질(전극)이 만나는 이상계면(heterogeneous

interface)이 있어야 전기 화학 반응이 일어날 수 있

다.

수소 연료 전지의 경우 수소는 음극/전해질 계면에

서 수소 이온(H+,proton)과 전자(e-,electron)로 분

해된다(H2 → 2H+ + 2e-). 그리고 수소이온이 전해질

막(electrolyte membrane)을 통과하는 동안 전자는

음극에 연결된 전기 회로를 통해 전해질 반대편 양극

으로 이동하게 된다. 양극/전해질 계면에서 수소 이

온과 전자는 산소와 만나면서 물을 생성하고 반응을

마치게 된다(2H+ + 2e+ + 1/2O2 → H2O). 수소 연료

전지에서 얻을 수 있는 최대 전압은 상압(1기압), 상

온(섭씨 25도) 상태에서 수소-건공기 반응 시 약

1.23V 정도이다. 열역학적인 연료-전기 최대 변환 효

율은 약 83%이며, 병합 발전이나 가압이 있는 경우

최대 변환 효율이 좀 더 상승할 수 있다. 통상적인 연

료 전지 운전 조건(0.7-0.8V)에서 열:전기 생산 비율

은 6:4 정도이다. 연료 전지는 열과 전기를 동시에 생

산한다는 점에서 기계식 발전기와 유사하다. 하지만

기계식 발전기와 달리 소음과 진동이 없고 시스템의

구성이 훨씬 단순하다. 따라서 연료 전지 발전기는 장

소에 구애받지 않고 다양한 출력 스케일로 설치가 가

능하다. 이러한 이유로 연료 전지는 차세대 분산 발전

소 또는 건물용 전원으로 각광받고 있다. 대표적인 건

물 및 발전소용 연료 전지 회사로 미국 Bloom

Energy, 일본 Mitsubishi, Toshiba, Panasonic, 캐

나다 Ballard Power, 영국 Ceres Power 등이 있다.

우리나라의 대표적인 건물 및 발전용 연료 전지 회사

로 두산, STX, 경동, 미코 등이 있다.

연료 전지는 1839년 영국의 William Grove가

“Gas Voltaic Battery”라는 이름으로 제작한 역수전

해 발전기가 시초이다. 이후 1889년 Ludwig Mond

와 Charles Langer가 Grove 시스템을 개선하면서

“연료 전지(fuel cell)”라는 이름을 처음 사용하였다.

1932년에는 영국의 엔지니어 Francis Bacon이

5kW급 알칼라인 연료 전지(AFC: Alkaline Fuel

이 글에서는 수소 연료 전지의 작동 원리와 종류에 대하여 간략하게 논의하고, 핵심 소재와 관련된 기술 동향을

소개하고자 한다.

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 41

THEME 05

Eell) 발전기 개발에 성공하였다. 1950년대부터 연료

전지를 수송용 전원으로 사용하고자 하는 시도가 시

작되었다. 1966년에는 GM에서 최초의 연료 전지 자

동차인 Electrovan을 선보였다. 1962년 미국 NASA

에서는 우주 및 군용 AFC 개발에 착수하여 제미니 계

획에서 아폴로 달 탐사선까지 여러 우주선의 전원으

로 연료 전지를 활용하였다. 전기와 열뿐만 아니라 반

응의 결과물로 식수를 얻을 수 있는 점도 우주선 연료

전지의 큰 장점이었다. 1970년대 전 세계적으로 오일

파동이 일어나면서 수소와 연료 전지에 대한 관심이

크게 증가하였다. 고성능 인산염 연료 전지(PAFC:

Phosphoric Acid Fuel Cell)가 개발된 것도 이 때쯤

이다. 이후 Nafion 등으로 대표되는 고분자 전해질막

의 성능이 획기적으로 개선되면서 다양한 분야에서

연료 전지가 활용되기 시작하였다.

연료 전지는 작동 온도와 사용하는 재료의 종류에

따라 고분자 전해질막 연료 전지(PEMFC: Polymer

Electrolyte Membrane Fuel Cell), PAFC, AFC, 용

융탄산염 연료 전지(MCFC: Molten Carbonate

Fuel Cell), 고체 산화물 연료 전지(SOFC: Solid

Oxide Fuel Cell)로 분류된다. 일반적으로 산업체에

서는 PEMFC, MCFC, SOFC를 상용 기술로 보고 있

으며, 특히 PEMFC와 SOFC가 앞으로 연료 전지 시

장을 주도할 것으로 기대하고 있다. PEMFC는 통상

적으로 섭씨 100도 이하 저온에서 작동하며 자동차,

잠수함과 같은 이동 및 수송 시스템의 주전원 또는 보

조 전원, 건물용 전원 등으로 사용되고 있다. 고온에

서 작동하는 SOFC는 건물용 발전 시스템에서 분산

발전소까지 비교적 출력이 높은 전원으로 활용되고

있다.

PEMFC에서 가장 일반적으로 사용되는 전해질막

은 Nafion이다. 1960년대 후반 DuPont사의 엔지니

어 Walther Grot에 의해 개발되었고 정식 명칭은

sulfonated tetraf luoroethylene-based

fluoropolymer-copolymer(C7HF13O5S-C2F4)이다.

Nafion은 이 화합물에 Chemours사가 붙인 제품 브

랜드명이다. Nafion은 물을 이온 전도 매개체로 사용

하기 때문에 충분히 가습이 된 상태에서만 수소 이온

전도가 가능하다. 따라서 섭씨 90도 이상 건조 상태

에서는 Nafion의 사용이 어렵다. 하지만 양극에서 배

출되는 물을 원활하게 제거하려면 액상보다는 수증

기 상태로 내보내는 것이 유리하다. 이러한 이유로 최

근 섭씨 100도 이상에서도 이온 전도도가 유지되는

새로운 물질 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 예를

들어, polybenzimidazole(PBI)에 인산(phosphoric

acid) 또는 황산(sulfuric acid)을 이온 전도 매개체로

그림 1 미국 Walmart에 설치된 건물용 Bloom Energy 연료

전지(출처: The Baltimore Sun Website)

그림 2 GM에서 개발된 최초의 연료 전지 자동차 Electrovan

(출처: GM Heritage Center Website)

42 ● 기계저널

THEME 05 수소 연료 전지 기술 동향

사용하는 전해질막은 최대 섭씨 220도에서도 구동이

가능하다고 한다. Nafion의 구조체인 Teflon이나

PBI 대신 polyetheretherketone(PEEK)과 같은 방

향족 구조체를 사용하는 경우도 있는데 가격이 저렴

하면서도 고온 환경에서 구동이 가능한 장점이 있다.

하지만 이온 전도도가 Nafion보다 낮아 상용화를 위

해서 많은 개선이 필요하다. PEMFC 상용화의 가장

큰 걸림돌은 고가의 백금 촉매 사용에 따른 높은 가격

이다. 이를 위해 백금을 대체하거나 사용량을 줄일 수

있는 첨가 물질 또는 구조 개발에 많은 노력을 기울이

고 있다. 예를 들어, 일본 Toyota의 연료 전지 자동차

Mirai는 순수 백금 대신 백금-코발트 합금을 촉매로

사용하고 있다. 최근 백금만큼 촉매 활성이 좋은 구리

기반의 합금 촉매가 보고되기도 했다. 미국 에너지부

(DOE: Department of Energy)에서는 연료 전지 자

동차 생산 비용 목표를 $30/kW로 잡고 있으며, 2019

년 현재는 $50/kW 수준으로 보고되고 있다. 이를 위

해 MEA에서 백금 사용량 목표치를 0.088mg/cm2으

로 제시하고 있다.(2019년 현재 0.125mg/cm2)

SOFC는 세라믹 전해질을 사용하는 연료 전지로

통상적인 작동 온도는 섭씨 800~1000도 정도이다.

전해질은 소량의 Y2O3, Sc2O3, Gd2O3 등의 치환물질

(dopant)이 들어간 ZrO2 또는 CeO2 재료를 사용한

다. 음극으로는 전해질과 NiO를 복합체 형태로 혼합

한 물질을 사용하며, 양극으로는 페로브스카이트

(perovskite) 구조의 혼합 전자-이온 전도체(MIEC:

Mixed Electron-ion Conductor)를 사용한다.

SOFC는 전해질막을 지지체로 사용하기도 하고 다공

성 전극을 지지체로 전해질막을 얇게 얹어서 제작하

기도 한다. SOFC는 작동 온도가 높기 때문에 백금과

같은 고가의 금속 촉매를 사용하지 않아도 높은 연료

촉매 반응을 얻을 수 있다. 또한 수소 이외에 메탄이

나 일산화탄소 등도 직접 연료로 사용할 수 있어 도시

가스 등의 탄화수소 연료를 개질(reforming) 없이 사

용할 수 있는 장점이 있다. 반응되지 않고 배기되는

고온 가스로 가스 터빈을 돌리면 고효율 복합 발전이

가능하다. SOFC는 셀의 제작 형태에 따라 평판형

SOFC와 튜브형 SOFC로 나뉜다. 평판형 SOFC는 제

작 및 운영 비용이 비교적 낮고 시스템의 구성이 단순

해지는 반면 밀봉과 가압이 어려워 효율을 높이는데

한계가 있다. 튜브형 SOFC는 밀봉 접합 부위가 최소

화되면서 반응 가스의 가압이 가능하여 고효율 발전

에 유리하다. 하지만 제작 비용이 높아지는 단점이 있

다. 평판형 SOFC는 미국의 Bloom Energy와 영국의

Ceres Power가 주도하고 있으며 연료 변환 효율이

약 53% 이상으로 알려져 있다. Bloom Energy는

200kW급 건물용 전원인 Energy Server를 주력 상

품으로 Google, Ebay, Walmart, Fedex 등 글로벌

기업들을 고객으로 유치하며 시장을 확대하고 있다.

최근에는 일본의 Softbank와 손잡고 Bloom Energy

Japan을 출범시키기도 하였다. 튜브형 SOFC 기술은

일본의 Mitsubishi Hitachi Power System(MHPS)

이 주도하고 있다. MHPS는 Segmented Tube 등의

차별화된 기술을 바탕으로 250kW급 발전기의 1만

시간 실증 운영에 성공하였고, 현재에도 큐슈대학 캠

퍼스, 토요타 자동차 공장 등 5개소 이상의 현장에서

실증 테스트를 진행하고 있다.

연료 전지는 차세대 고효율 전원으로 각광받고 있

그림 3 Bloom Energy Japan 출범식 사진(출처: Wall Street

Journal).

2019. 11., Vol. 59, No. 11 ● 43

THEME 05

다. 특히 수소를 연료로 사용하는 경우 온실 가스 배

출 없는 청정 발전이 가능하다. 연료 전지는 200년 가

까이 되는 긴 역사에도 불구하고 아직 완전한 상용화

기술로 보긴 어렵다. 하지만 전기 자동차와 분산 발

전, 제로 에너지 빌딩 등이 미래 에너지의 새로운 키

워드로 자리 잡으면서 연료 전지의 기대 가치가 매우

높아지고 있다. 연료 전지 중에서 특히 자동차용

PEMFC와 분산 발전 및 건물용 SOFC는 상용화에 가

장 근접하였고 유수의 글로벌 기업들이 관련 사업을

추진하고 있다. Nafion으로 대표되는 PEMFC의 전

해질막은 고온에서도 높은 이온 전도도를 유지할 수

있는 대체 물질에 많은 노력을 기울이고 있다. 또한

연료 전지 자동차 상용화의 가장 큰 걸림돌로 지목되

는 백금의 대체 촉매 개발도 활발하게 진행되고 있다.

SOFC는 이온 전도 세라믹을 평판 또는 튜브형으로

적층하여 제작되며, 발전소나 건물용 전원으로 활용

되고 있다. 섭씨 1000도에 가까운 고온에서 작동하기

때문에 수소뿐만 아니라 메탄과 같은 탄소 기반의 연

료를 직접 사용할 수 있다. 따라서 SOFC는 도시가스

공급망과 같이 이미 구축되어있는 연료 그리드를 활

용할 수 있는 장점이 있다. SOFC 기술은 현재 미국과

일본이 주도하고 있다. 우리나라의 발전용 연료 전지

및 SOFC의 경쟁력을 재고하기 위해 가장 핵심 기술

인 소재 및 MEA 제작법에 대한 많은 관심과 투자가

필요하다.

그림 4 일본 큐슈 대학 캠퍼스에 설치되어 있는 250kW급 SOFC

기반 MHPS 발전기(출처: MHPS Website)