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연료전지의 꿈은 이루어진다

연료전지의 꿈은 이루어진다
연료전지의 꿈은 완료형에 가까운 진행형

배터리 걱정 없이 마음껏 ‘그것’들을 사용할 수 있는 세상. 전기가 있어야 제 구실을 하는 수 없이 많은 다양한 휴대용 디지털 기기들을 만드는 기업도, 그것을 사서 사용하는 고객들도 모두가 그날을 기다리고 있다. 그 꿈은 이루기 위한 보이지 않는 전쟁은 밤낮을 가리지 않고 현재 진행형이다.

단위 무게와 부피당 에너지 밀도를 높일 수 있는 다양한 기술이 개발되고 있고, 이를 적용한 차세대 배터리들이 속속 세상 속으로 보습을 드러내고 있다. 그 중에 가장 대표적인 것이 바로 연료전지다.

현재 연구가 진행 중인 연료전지는 여러 가지가 있다. 그중에서도 고분자 전해질 연료전지(PEMFC;Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 직접 메탄올 연료전지(DMFC;Direct Methanol Fuel Cell)가 요즘 자주 등장하는 대표적인 연료전지 기술이다.

두 가지 모두 기본적인 원리와 구조는 비슷하지만 사용하는 연료가 다른 점이 가장 큰 차이점이다. 고분자 전해질 연료전지는 수소, 직접 메탄올 연료전지는 메탄올을 연료로 사용한다. 이들 연료전지는 연료 물질을 촉매를 이용해 산화시키고 이 과정에서 발생하는 전기를 에너지원으로 사용한다.

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삼성SDI가 2006년 2월 공개한 PMP용 연료전지. 20cc 용량의 메탄올을 연료로 사용해 PMP를 최대 4시간 동안 연속으로 사용할 수 있다.(사진:삼성SDI)

이중에서도 고분자 전해질 연료전지에 비해 소형화할 수 있고 연료 공급이 간편하다는 장점 때문에 직접 메탄올 연료전지가 휴대용 디지털 기기를 위한 새로운 배터리 기술로 주목을 받고 있다. 현재 많이 사용되고 있는 리튬이온 충전지처럼 폭발 위험성이 없고, 유해한 물질을 배출하지 않는다는 것도 큰 장점이다.

또한 충전할 필요가 없다는 점도 직접 메탄올 연료전지의 장점이다. 충전하는 데 적지 않은 시간이 소요되는 니켈 수소, 리튬 이온, 리튬 폴리머와 같은 2차 전지와는 달리 연료전지는 자동차에 휘발유를 넣듯이 연료 물질만 채워주면 바로 사용이 가능하기 때문이다.

직접 메탄올 연료전지는 이온을 통과 시킬 수 있는 고분자 전해질 막을 사이에 두고 양쪽에는 전극이 놓여 있는 구조로 되어있다. 한쪽 전극에서 촉매를 이용해 물과 메탄올을 반응시키면 전자와 수소 이온이 생겨난다. 이렇게 생긴 수소 이온은 전해질 막을 통해 다른 쪽 전극으로 이동하고, 여기서는 수소 이온과 산소, 전하가 결합해 물이 만들어 진다.

이 과정에서 생기는 전자의 흐름이 바로 휴대용 디지털 기기에서 사용할 수 있는 전기다. 이렇게 생산된 전기로는 충분한 양의 전기를 얻을 수 없기 때문에 여러 개의 연료전지 셀을 겹쳐 필요한 전류와 전압을 얻게 된다. 예를 들면 여러 개의 건전지를 병렬 또는 직렬로 연결해서 사용하는 것과 비슷한 원리다.

구조와 원리는 간단하지만 실제로 이를 상품화하는 것은 쉽지 않은 일이다. 어떤 촉매와 전극을 사용하고, 전해질로 사용하는 물질이나 이를 어떻게 구성하느냐에 따라 전지로서의 성능이 달라지기 때문이다. 이 때문에 연료전지 개발에 뛰어들고 있는 전 세계 기업들은 저 마다 독자적인 방법으로 상품성과 경제성을 갖춘 연료전지를 개발하기 위해 치열한 경쟁을 벌이고 있다.

직접 메탄올 연료전지 개발 경쟁을 벌이고 있는 업체로는 맨하탄 사이언티픽(Manhattan Scientific), 폴리퓨일(PolyFuel), MTI 마이크로(MTI Micro Fuel Cells) 등의 미국 업체와 NEC, 도시바, 소니 등의 일본 업체들이 있다.

물론 이들 국가와 기업들뿐만 아니라 유럽을 비롯한 전 세계 기업들이 무궁무진한 잠재력을 가진 연료전지 시장을 선점하기 위해 격돌을 벌이고 있다. 이들 업체 중에는 이미 상용화가 가능한 수준의 직접 메탄올 연료전지를 개발을 발표하고 시제품까지 출시한 기업들도 적지 않다.

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삼성전자가 삼성SDI, 삼성종합기술원과 공동으로 개발한 센스 Q35 노트북용 대용량 연료전지인 QR35. 1리터 용량의 메탄올을 사용해 최대 20W 출력을 낼 수 있다.(사진:삼성전자)

국내에서도 삼성종합기술원과 삼성SDI, 엘지화학, 한국과학기술연구원, 에너지기술연구원, 각 대학의 연구소 등에서 관련 기술이나 소재를 개발하기 위한 연구가 한창이다. 특히 올해에는 삼성SDI와 삼성종합기술원이 휴대용 디지털 기기에서 사용할 수 있는 연료전지를 개발 소식을 속속 전하면서 이에 대한 관심이 어느 때 보다 높아지고 있다.

2006년 2월에는 삼성SDI가 PMP와 PDA에서 사용할 수 있는 소형 연료전지를 발표해 소형 디지털 기기에서의 연료전지 상용화 가능성을 국내에서도 현실화했다. 또한 2006년 12월에는 삼성전자가 삼성SDI와 종합기술원이 개발한 노트북용 대용량 연료전지를 개발했다고 발표했다.

20cc의 메탄올을 연료로 사용하는 PMP용 연료전지는 전력 소모량이 5W인 PMP를 연속해서 4시간, PDA용 연료전지는 9cc의 연료를 사용해 정격 출력이 1.3W인 PDA를 최대 8시간 동안 사용할 수 있다고 밝혔었다. 상용화 시기는 2007년이나 2008년으로 예정되어 있다.

노트북용 대용량 연료전지인 QR35는 약 1리터에 달하는 연료 카트리지를 사용해 최대 20W 출력을 낼 수 있다. 이번에 개발한 노트북용 연료전지는 직접 메탄올 연료전지 방식으로 연료 1리터 당 650Wh의 에너지 밀도를 낼 수 있는 고효율 제품이라는 것이 특징이다.

삼성전자에 따르면 자사의 센스 Q35 노트북에 장착해 하루에 8시간씩 일주일에 5일을 사용할 경우 연료전지만으로 최대 한달 정도를 사용할 수 있다고 한다. 아울러 이 보다 작은 100cc의 메탄올을 사용해 최대 15시간까지 사용할 수 있는 연료전지도 공개됐다.

하지만 휴대성이 생명인 노트북의 특성을 감안하면 이번에 개발된 연료전지는 노트북의 휴대성을 만족시키면 사용하기에는 크기가 다소 부담스럽다. 상용화 시기는 2007년 말로 예정되어 있다. 1년 정도 시간이 남은 만큼 크기를 줄이고, 노트북과 좀 더 잘 어울리는 형태로 디자인을 개선하는 작업이 필요할 듯 하다.

최근 들어 국내외에서 들려오는 연료전지 개발이나 시연회 소식을 보면 1~2년 안에 연료전지를 직접 구입해서 사용하는 것이 가능할 것으로 보인다. 편의점이나 슈퍼에서 메탄올 건전지를 사듯이, 메탄올 카트리지를 구입하는 것이 더 이상 꿈이 아니라 현실이 될 날이 그 만큼 가까워지고 있는 셈이다.

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