수소연료 이용률 100% 밀폐형 연료전지 개발
재료연, 밀폐형 연료전지 핵심 부품 스택과 주변장치 시스템 개발


‘밀폐형 연료전지 시스템으로 24시간 그린 에너지 만든다!’

재료연구소(소장 조경목) 융합공정연구본부 양철남 선임연구원은 수소연료 이용률이 100%인 1kW급 밀폐형 연료전지 스택과 시스템을 개발했다.

이번에 개발된 밀폐형 연료전지는 수소를 완전히 소모하는 시스템으로 미반응 수소가스를 처리하는 기술을 선점할 수 있을 것으로 기대된다.

△ 밀폐형 연료전지
양 선임연구원은 상단 제어장치, 중간 연료전지 모듈(스택 포함), 하단 열관리모듈로 구성된 밀폐형 연료전지 시스템을 개발했으며 핵심 부품인 스택과 이를 운영할 수 있는 주변장치까지 모두 통합·운용하는 데 성공했다.

밀폐형 연료전지 시스템은 물 순환이 가능하도록 설계됐다.
그 과정을 살펴보면 먼저 태양전지에서 발생된 전기에너지를 이용해 수전해장치에서 물을 분해하여 수소, 산소를 연료전지 시스템으로 공급한다. 이후 밀폐형 연료전지 시스템에서는 수소, 산소를 전기화학 반응시켜 전기와 열 에너지를 발생시키고 물을 얻는다.

여기서 발생한 물을 다시 수전해장치로 보냄으로써 물이 순환되는 구조로 설계됐다.

시스템의 초기 기동은 외부의 전원 공급장치 없이 자체 내장된 축전지에서 시스템을 구동시킴으로써 독립 시동이 가능하다. 이후에는 연료전지 스택에서 발생된 전기를 이용하여 자체 보조전력변환장치(일반 자동차의 제너레이터 역할)를 이용하여 축전지 충전 및 연료전지시스템 자체의 기생전력을 공급하고 동시에 외부로 1kW의 전기를 공급할 수 있도록 했다.

또 연료전지 시스템에서 발생하는 열도 외부의 열교환기와 열 교환을 실시, 난방 보조의 기능을 갖도록 함으로써 전기와 열을 동시에 사용할 수 있다.

△수소연료 이용률 100% 달성

기존의 연료전지 시스템은 수소가 완전하게 이용되지 못하고 적은 양이지만 미반응 수소가스가 방출되면서 그만큼 에너지효율이 떨어졌다.

양 선임연구원은 수소를 연료전지 시스템 내부에서 완전하게 소모하여 미반응가스를 외부로 배출시키지 않는 밀폐형 연료전지 시스템을 개발, 연료이용률을 높였다.

개발된 밀폐형 연료전지 시스템은 일반 연료전지 시스템이 환기가 잘 되지 않는 곳에서 사용할 경우 시스템 외부로 미반응 수소가스를 미량 배출시켜 안전성 문제를 유발할 수 있는 단점도 극복했다.

밀폐형 연료전지 시스템은 지하 주차장 등 환기가 열악한 공간 및 특수목적 분야인 무인 잠수정이나 연료전지추진 잠수함 등에 적용할 수 있다.

재료연구소 양철남 선임연구원은 “일반 연료전지 시스템의 경우 미반응가스인 수소가 1∼2% 정도 외부로 배출되기 때문에 환기가 열약한 공간이나, 밀폐된 공간에서 사용하기 위해서는 시스템 내부에서 미반응가스를 처리할 수 있는 기술이 요구된다”며 “일반 자동차의 배기가스에 대한 규제가 환경문제로 인해 점차 강화된 것처럼 향후 수소 연료전지를 사용하는 데 있어서도 수소 안정성 문제로 배출되는 미반응가스에 대한 규제나 기준치가 마련될 것으로 예측, 관련 기술 개발에 몰두하고 있다”고 말했다.

양 선임연구원은 밀폐형 연료전지 시스템을 개발하기 위해 스택 구성에 필요한 분리판의 설계 및 가공, 막전극접합체의 제조, 체결 과정 등을 시험 평가해 수소/산소 이용 밀폐형 1kW 연료전지 시스템에 적합한 스택을 제조했다.

특히 스택의 효율을 높이기 위해 막전극접합체 제조기술 및 균일한 셀 성능을 얻을 수 있는 셀 스택 조립 기술을 확립했다.

△태양광 에너지와 결합해 소규모 주택단지 전원 공급에 활용 가능

양 선임연구원은 “밀폐형 연료전지 시스템은 공급되는 반응가스인 수소, 산소의 연료이용률이 100%인 고효율 장치”라며 “향후 가정용 개별 주택단위의 전원공급을 넘어 집합단위로 전원을 공급할 수 있는 5kW, 10kW, 20kW급 이상의 스택 및 시스템 제조 기술로 확대하면 무한 에너지인 태양광을 이용한 태양전지의 전원과 수전해장치와 결합해 소규모의 그린빌리지 전원을 안정적으로 공급할 수 있는 독립된 전원공급 시스템 기술로 응용할 수 있다”고 말했다.

양 선임연구원은 이번 기술과 관련하여 2건의 국내 특허등록 및 PCT를 출원했으며 추가로 1건의 특허를 출원한 상황이다.

이번 연구는 지식경제부 지역산업기술개발사업의 자금 지원으로 수행됐다.