기술소개

Technology Introduction

Zinc-Air(공기아연)전지란?

▶ 연료 전지

1. 역사적 배경 중세까지 에너지는 인간의 힘이나 가축의 힘에서 얻어지는 동력을 일컫는 말이었다. 프랑스의 과학자 사디 카르노(Sadi Carnot, 1796-1832)가 1824년에 내연기관의 열효율을 에너지와 연관시켜 해석한 이후에 에너지는 물리적, 화학적 의미를 가지게 되었다. 인류가 사용한 최초의 에너지원은 목재의 연소, 수력, 그리고 풍력 등이었다. 석탄은 1660년 영국에서 대량 채굴되기 시작한 후 난방과 취사 등에 사용되다가 1712년 최초의 증기기관이 개발되었고, 1765년 제임스 와트(James Watt)가 이를 개량하여 직진 운동을 회전 운동으로 변화시키는 것을 가능하게 한 후 산업 동력의 주축을 이루게 되었다. 19세기 초반 석탄으로부터 기체 혹은 액체 상태의 연료를 추출하는 공정이 개발되었고 이후 원유의 정제 공정과 내연 기관이 개발되면서 인류는 화석 연료의 시대를 맞게 된다.

일반적으로 최초의 연료 전지는 1839년 윌리엄 로버트 그로브경(Sir William Robert Grove)의 개발한 것으로 알려져 있다. 일련의 저온 구동 연료 전지 개발이 시도된 후 W.W. Jacques는 용융 수산화칼륨을 전해질로 사용한 고온 구동 연료 전지를 사용하여 선박을 움직일 계획을 세웠다. 비록 이 방식의 연료 전지는 부식 문제와 탄산 계열의 부산물 발생으로 실패하였으나 최초로 시도된 대용량 연료 전지였다.

저온 구동 연료 전지의 개발 초기부터 기체가 활발히 접촉할 수 있는 소수성(hydrophobic) 전극이 필요하다는 것이 주지되었으나 이를 개발하는 데 많은 어려움이 있었다. 초창기에는 Jungner 등이 파라핀 등으로 표면의 소수성을 만드는 시도를 하였고 연료 전지 시스템에서 기체 측의 압력을 높이는 등으로 소수성을 확보하려 하였으나 실제로 원활하게 작동하는 소수성 전극은 1940년대 말 듀폰(DuPont)사에서 뛰어난 발수성을 지닌 PTFE(polytetraperfluoroethylene)계열의 고분자 물질인 통칭 Teflon을 개발할 때 까지는 성공하지 못했다.

이후 연료 전지는 비교적 대용량, 대출력, 거치형을 목표로 하는 고온 구동 연료 전지와 상대적으로 소용량, 소출력, 이동형을 목표로 하는 저온 구동 연료 전지 두 방향으로 활발히 개발되고 있다.

2. 이론적 배경 연료 전지는 양전자 이온이 이동할 수 있는 전해질을 중심으로 한쪽에 수소를 공급하고 반대쪽에 산소를 공급하면 이동한 양전자가 산소와 반응하여 물을 만들고 그 과정에서 발생하는 유리 전자를 사용하여 전력을 일으키는 장치를 말한다. 이 공정을 간략히 묘사하면 다음 그림과 같다.

연료 전지는 원칙적으로 양극에 산소, 음극에 수소가 반응하는 것이지만 메탄올 등의 탄화 수소가 촉매에 의해 직접 음극의 표면에서 해리되어 수소를 발생시키는 방식, 음극 연료로 금속을 사용하는 방식 등 다른 방식도 있다. 연료 전지가 미래의 동력원으로 주목을 받는 이유는 통상적인 내연 기관에 비해 월등히 높은 에너지 효율 때문이다. 내연 기관의 이론적인 에너지 효율은 60% 정도인데 실제 작동 조건에서 이 효율은 급격히 감소한다. 예를 들어 가솔린 엔진의 에너지 효율은 최대 25% 정도이고 디젤 엔진의 경우에도 30에서 35% 정도이다. 반면, 연료 전지는 보통 40에서 60% 정도의 에너지 효율을 보인다. 또한, 연료 전지는 내연 기관이 작동 상태에서 많은 오염 물질을 발생시키는 데 반해, 유일한 생성 물질은 물만 있을 뿐 완전히 깨끗한 동력원이다. 아울러, 현대 화석 연료의 주종을 이루는 원유가 고갈될 것이 예측되고 있으므로 차세대 동력원으로 부각되고 있다.

(1) 금속 연료 전지(공기 금속 전지) 가장 널리 사용되는 금속 연료 전지는 공기 금속 전지이다. 이 방식의 연료 전지는 양극으로 공기 중의 산소를 사용하고, 음극으로 아연, 알루미늄, 마그네슘 등의 금속을 사용한다. 전해질은 산, 또는 염기 계열의 용액을 사용하는데 최근에는 전력을 부가해서 충전이 가능하도록 이차 전지화 하는 연구와 금속을 재충전하여 사용하는 연구 등이 진행되고 있다. 상용화된 공기 금속 전지 중 가장 널리 사용되는 것은 공기-아연 전지로 주로 내이형 보청기 등 소전력에 대응하는 제품에 사용되는 동전형 전지가 있다.

(2) 알칼리 전해질 연료 전지(Alkaline Fuel Cell, AFC) 알칼리 전해질 연료 전지는 저온 구동 연료 전지 중 가장 역사가 오래된 연료 전지이다. 전해질은 수산화칼륨이나 수산화나트륨 등의 염기 수용액을 사용하고 음극은 수소, 양극은 산소 혹은 공기 중의 산소를 사용한다. 알칼리 전해질 연료 전지는 미국과 소련의 우주선에 사용되어 유명해 졌으며 유럽과 미국을 중심으로 자동차용/소형 분산 발전용 전원으로 활발히 사용되었다. 근래 고분자 전해질 연료 전지에 비해 연구가 위축되는 경향도 있었으나 최근 개발되는 신소재에 의해 저렴한 가격에 높은 성능을 보여 다시 활발히 연구되고 있다.

(3) 고분자 전해질막 연료 전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 고분자 전해질 연료 전지는 알칼리 전해질 연료 전지의 문제점인 부식성과 경량화에 대한 해결책으로 개발된 것으로 전해질은 양전자를 전달할 수 있는 고분자 재질의 막을 사용한다. 이 방식의 연료 전지는 전해질을 순환 시키거나 건조 하는 등 부가적인 설비를 필요로 하지 않기 때문에 경량화 및 시스템의 간략화에 유리하여 많은 각광을 받고 있다.

(4) 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 직접 메탄올 연료 전지는 촉매를 이용하여 음극의 표면에서 메탄올을 해리시켜 양전자를 만들고 이 과정에서 발생하는 유리 전자를 이용하여 에너지를 인출하는 연료 전지를 말한다. 직접 메탄올 연료 전지는 전해질로 특수하게 처리한 고분자 막을 사용하는데 현재까지 양극으로 메탄올이 투과되는 현상을 완벽하게 차단하는 기술이 개발되지 않아서 실용화가 미루어지고 있다. 메탄올은 수소에 비해 에너지 밀도가 더 높고, 보관과 운송이 용이하여 차세대 연료로 주목 받고 있다.

(5) 무기 전해질막연료전지(Inorganic Electrolyte Membrane Fuel Cell, IEMFC) 무기 전해질막 연료 전지는 기존의 고분자 전해질막이 온도나 화학 물질에 불안정한 점을 해결하기 위해 고안된 것으로 다공성 무기막에 양전자 이송 능력을 부가하여 연료 전지의 전해질로 사용하는 것이다. 이 방식의 연료 전지는 작동 온도 범위와 압력이 기존의 고분자 전해질막 연료 전지에 비해 매우 넓고 내구성이 높다.

3. EMW에너지 연료 전지 기술 (1) 복합 소재 공기 양극 EMW에너지 공기 양극은 촉매막, 분리막, 집전체가 일체화 된 제품으로 독창적인 기술을 통해 상용 제품 중 세계 최고 수준의 발수성과 전류 밀도를 가지고 있다. 자동화된 생산 설비에서 다양한 규격 및 용도에 대응하여 생산되고 있으며 ZAFC, AFC, PEMFC에서 DMFC까지 널리 사용될 수 있다.

(2) 활성 음극 금속 연료 다양한 음극 금속 연료가 개발되어 있으며, 뛰어난 저장 안정성, 충, 방전 특성 및 안정성을 보유한 제품으로 공기-아연 전지, 공기-알루미늄 전지, 공기-마그네슘 전지 등에 사용된다.

(3) 사출 성형 막 전극 복합체 (Injection Mold MEA Fabrication, IMMF) 기술 EMW에너지의 고유 기술 중 하나인 IMMF 기술은 복합 소재 공기 양극을 원하는 형태로 성형 및 가공하여 제품으로 구현하는 기술로 이를 통해 기존의 기술로 제작이 불가능하다고 알려진 원통형 공기 아연 전지를 제작할 수 있다. 또한, AFC나 PEMFC 등의 제작에도 생산성이 나쁘고 가격이 높은 흑연 소재의 bipolar plate를 저렴하고 생산이 용이한 플라스틱 재질로 제작할 수 있어 연료 전지 스택의 소형, 경량화에 필수적인 기술이다.