수소를 연료로 활용하는 전지는 여러가지 있는데 이전에 소개한 PEMFC & SOFC 외에 2가지를 더 소개해보고자 한다.
1. 수소연료전지는 어떻게 구분할까? (저온형과 고온형의 차이)
이전 글에서는, 수소차에 들어가는 PEMFC(고분자전해질형)나 데이터센터와 발전소에 쓰이는 SOFC(고체산화물형)에 대해 소개했었는데 수소연료전지의 세계에는 이 두 가지만 존재하는 것이 아닙니다.
수소연료전지는 수소와 산소가 반응하여 전기를 만들어내는 기본 원리는 모두 같습니다.
그러나 내부에서 이온을 이동시켜 주는 '전해질(Electrolyte)'의 종류와 '작동 온도'에 따라 여러 가지 분류로 나뉩니다.
마치 자동차 엔진이 작동 방식이나 연료에 따라 가솔린, 디젤, 하이브리드로 나뉘는 것과 비슷합니다.
연료전지를 이해하는 가장 쉬운 방법은 '작동 온도'를 기준으로 저온형과 고온형으로 나누는 것!!
- 저온형 연료전지 (상온 ~ 200℃ 이하): 작동 온도가 낮아 시동이 빠르고 출력을 금방 높일 수 있습니다. 자동차, 트럭, 버스처럼 움직이는 수송 수단(모빌리티)이나 소형 건물에 적합합니다. 대표적으로 PEMFC와 PAFC가 이에 해당합니다.
- 고온형 연료전지 (500℃ ~ 1,000℃ 이상): 아주 뜨거운 온도에서 작동하기 때문에 전기를 만들어내는 화학 반응이 매우 활발하게 일어납니다. 전기뿐만 아니라 발생하는 뜨거운 열까지 재활용할 수 있어 에너지 효율이 매우 높지만, 시동을 켜고 끄는 데 시간이 오래 걸립니다. 따라서 24시간 계속 전기를 생산해야 하는 대형 발전소나 공장, 데이터센터에 적합합니다. 대표적으로 MCFC와 SOFC가 있습니다.
그렇다면 최근 각광받는 PEMFC와 SOFC 외에, 오랫동안 대형 건물과 산업 현장을 지켜온 PAFC와 MCFC는 과연 어떤 특징을 가지고 있을까요?
2. PAFC와 MCFC: 대형 건물과 산업 발전소를 이끌어온 핵심 연료전지
PEMFC와 SOFC가 최신 기술로 조명받기 이전부터, 상용화되어 실생활과 산업 현장에서 전기를 안정적으로 공급해 온 '베테랑' 연료전지들이 있습니다. 바로 PAFC(인산형 연료전지)와 MCFC(용융탄산염형 연료전지)입니다.
① PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell, 인산형 연료전지)
PAFC는 액체 '인산'을 전해질로 사용하는 연료전지로, 연료전지 역사에서 가장 먼저 상용화에 성공한 1세대 기술입니다.
- 작동 온도: 약 150~200℃ (중저온형)
- 주요 특징: PAFC는 200℃ 안팎의 적절한 온도에서 작동하기 때문에 장치의 내구성과 신뢰성이 매우 뛰어납니다.
- 전기를 생산하면서 나오는 약 100℃ 이상의 온수와 스팀을 난방이나 온수로 바로 활용할 수 있다는 강점이 있습니다. 또한, 수소 가스 안에 약간의 불순물이 섞여 있어도 비교적 안정적으로 작동하는 편입니다.
- 주요 쓰임새: 병원, 대형 호텔, 상업용 빌딩, 아파트 단지의 중앙 집중식 발전 시스템으로 널리 사용됩니다. 전기와 따뜻한 물을 동시에 고효율로 공급할 수 있어 도심형 건물용 발전기로 큰 사랑을 받아왔습니다.
② MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell, 용융탄산염형 연료전지)
MCFC는 '탄산염(소금과 유사한 염류)'을 고온에서 녹여 액체 상태 전해질로 사용하는 대형 산업용 2세대 연료전지입니다.
- 작동 온도: 약 600~650℃ (고온형)
- 주요 특징: 600℃가 넘는 고온에서 가동되기 때문에 값비싼 백금 촉매를 사용하지 않아도 전기를 잘 생산합니다. 또한, 전기를 만드는 반응 과정에서 '이산화탄소'가 전해질을 타고 이동하는 독특한 성질을 가지고 있습니다. 이를 활용하면 공장 매연에서 이산화탄소를 포집하는 기능과 전력을 생산하는 기능을 동시에 수행할 수 있습니다.
- 주요 쓰임새: 수십 메가와트(MW) 급의 대규모 도심 발전소, 대형 공장, 제철소 등 산업용 발전 설비에 주로 채택되어 안정적인 기저 전력을 공급해 왔습니다.
3. 한눈에 보는 연료전지 4대장 총정리와 미래 전망
산업 현장에서 활약하는 대표적인 수소연료전지 4가지 종류(PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC)를 한눈에 정리하보면 아래와 같다
| 구분 | PEMFC (고분자전해질형) | PAFC (인산형) | MCFC (용융탄산염형) | SOFC (고체산화물형) |
| 전해질 | 고분자 분리막 | 액체 인산 | 녹은 탄산염(염류) | 고체 세라믹 (산화물) |
| 작동 온도 | 저온 (약 80℃) | 중저온 (150~200℃) | 고온 (600~650℃) | 초고온 (600~1,000℃) |
| 백금 촉매 | 필요함 (비쌈) | 필요함 (소량) | 불필요 (저렴) | 불필요 (저렴) |
| 발전 효율 | 40 ~ 50% | 40 ~ 45% | 45 ~ 50% | 50 ~ 60% (최고) |
| 주요 용도 | 수소차, 버스, 트럭, 드론 | 대형 건물, 병원, 온수 겸용 | 대형 발전소, 산업용 | AI 데이터센터, 대형 빌딩 |
💡 수소연료전지 시장의 미래 전망
과거에는 1·2세대 기술인 PAFC와 MCFC가 상용화 시장을 주도하며 도심 속 건물과 발전소의 전력을 책임져 왔습니다.
그러나 최근 수소 모빌리티(승용차·트럭·선박)의 폭발적인 성장으로 시동이 빠른 PEMFC의 기술 개발이 비약적으로 이루어졌고 , 발전용 시장에서는 종합 에너지 효율이 가장 뛰어난 SOFC가 AI 데이터센터와 빅테크 기업들의 선택을 받으며 가파르게 성장하고 있습니다.
결론적으로, 수소연료전지는 한 가지 기술이 다른 기술을 완전히 대체하는 것이 아니라고 볼 수 있습니다.
- 도로 위를 빠르게 달려야 할 때는 PEMFC
- 건물에서 전기와 따뜻한 물이 동시에 필요할 때는 PAFC
- 24시간 동안 막대한 양의 전기를 최고 효율로 공급해야 할 때는 SOFC !
**물론 아직 수소연료전지가 더 흥해지려면...이전에 얘기했엇던 수소 저장이나, 개질기 없는 시스템 등 여러 부분들에 연구가 발전되야할것들이 엄청 엄청..많다는것 ㅎㅎ