개미산연료전지기술개요및현황 1 개황 최미화 한전전력연구원책임연구원 인류는전지구적에너지및환경문제의해결을위해신규저탄소에너지개발및화석연료사용으로배출되는온실가스저감을위해노력하고있다. 수소를기반으로하는수소경제는화석연료기반의탄소경제를대체할수있는대안으로부상하고있다. 수소경제는다양한신재생에너지원에의한수소제조와더불어수소저장및이송을비롯해이송된수소를연료전지를이용하여전기를생산하는수소이용을포함한다. 수소저장기술로는고압압축및저온액화기술과더불어재료기반의수소흡착기술및화학적수소저장기술등이있는데, 화학적수소저장물질후보들중다양한자원에서생산이가능하다. 특히그동안낮은독성을가지는개미산이대용량에너지저장등의응용에전도유망한매개체로서많은관심을받아왔다. 이에따 September 19
➊ Special Issues 그림 1 다양한경로의 CO 2 재활용방법 (Source : Carbon Dioxide Utilization, DNV Report 2011) 라최근에는온실가스인 CO 2 를개미산으로전환하여재활용하는기술이개발되고있다. 개미산은초기에는개미 (ant) 를증류하여얻었고, 개미산 (Formic acid) 의명칭은개미의라틴어인 formica에서유래한다. 개미산의화학식은 HCO 2 H이고, 분자량은 46g/L로써간단한분자구조와적은분자량을갖는다. 개미산은액체이며상온에서 53g/L의우수한부피대비수소저장밀도를가지는데, 이는기존 350 기압의압축수소가스가함유하고있는 14.7g/L의수소저장밀도보다월등한수소저장용량이다. 이러한부피대비고밀도에너지저장소재인액상개미산을직접개미산연료전지 (Direct Formic Acid Fuel Cell, DFAFC) 혹은고분자전해질연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC) 의연료로사용할경우, 원하는지역까지이송이편리할뿐만아니라가스배관등의설비구축이용이하지 않은소규모도서지역의전원장치로활용이가능하다. 따라서한국전력에서는남부발전 ( 주 ) 의지원으로한국과학기술연구원 (KIST), 충남대와공동으로수행하는연구과제 개미산을이용한연료전지기술의개발 에착수하였다. 그림 2 에너지저장기술에대한에너지밀도 (Source : Carbon Dioxide Utilization, DNV Report 2011) 20 Journal of the Electric World
그림 3 직접개미산연료전지의작동원리및개념도 (Source : 한국기업평가 Issue Report 2011) 2 현황 가. 기술의개요직접개미산연료전지의단위전지는크게산화극, 전해질, 환원극으로구성되며, 직접주입된개미산연료가연료극 ( 산화극 ) 의촉매에의해수소이온과전자로분해된다. 생성된수소이온과전자는각각전해질막과도선을따라서이동하여, 공기극 ( 환원극 ) 에주입되는산소와반응하여물을생성시키게된다. 한편, 연료극에서생성된전자는외부회로를통해이동하면서화학반응을통해얻어진자유에너지의변화량을전기에너지로전환시키게된다. 전체반응식은아래식 (1) 과같이개미산과산소가반응하여물과이산화탄소를생성하며, 반응결과 1.45V 의전위차를발생시키게된다. 이와같이직접개미산연료전지의평형전위는직접메탄올연료전지의 1.18V 에비해높다. Anode ( 연료극 ) : HCOOH CO 2 + H 2 Cathode ( 공기극 ) : ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O (1) 전체반응 : HCOOH + ½O 2 CO 2 + H 2 O 나. 국내 외기술현황직접개미산연료전지에관한국내연구는비교적최근에시작되어많은연구결과가발표되지는않았으며, 한국과학기술연구원 (KIST) 에서노트북컴퓨터충전용 30W급직접개미산연료전지시스템을 2005년과 2007 년에시연발표하였다. 이는현재까지세계최고수준이다. 이외에도포항공대, 광주과학기술원등에서작은규모의직접개미산연료전지용연료극촉매개발을위하여활성및내구성을높이는연구결과를발표한바있다. 개미산으로부터의수소생산에관한연구개발은연구개발초기에있어발표된결과는많지않으나한국과학기술연구원 (KIST) 이 Pd/C 3 N 4 및 Au- Pd/C 촉매를이용하여개미산을분해하여수소를생산하는데성공한바있다. 현재, 한전전력연구원에서는개미산연료전지의상용화를위한원천핵심기술개발을위하여개미산산화촉매및막-전극접합체 (MEA) 제조최적화그리고개미산수소화촉매및반응기를개발하고있으며, 2106년 2월에 200W급개미산이용연료전지시스템 September 21
➊ Special Issues 을실증할계획이다. 한편, 남부발전및 ( 재 ) 한국이산화탄소포집및처리연구개발센터에서이산화탄소의전기화학적환원에의한개미산제조에관한연구개발을진행중이다. 국외의경우, 1996년미국의 Case Western Reserve University에서 PBI(phosphoric acid doped polybenzimidazole) 전해질막과 Pt 촉매를사용하여직접개미산연료전지를제작하여발표하였다. 이후미국국방부산하 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency) 프로젝트의일환으로일리노이대학교에서본격적으로개발이시작되었으며, Nafion 전해질및나노 Pt 위에 Pd을전기화학적으로침작시킨 Pt/Pd 촉매를사용한직접개미산연료전지가상온에서약 119mW/cm 2, 60 에서 320mW/cm 2 의우수한성능을보였다고발표하였다. 일리노이대학의결과를바탕으로 Tekion이라는벤처회사를창업하여본격적으로휴대용직접개미산연료전지및개미산으로부터수소화기술을개발하고있다. 특히, Formira Power Pack으로알려진모바일제품에적합한 personal power source 를개발하고있으며, 이를위하여 2005년미국의 Motorola Ventures사에서는 Tekion에전략적으로투자하였다. 2006년, 독일의세계최대개미산생산기업인 BASF 에서는개미산을연료로사용하는개미산연료전지개 발을위해 Tekion과협력을체결하였다. 2012년 8월 Tekion은 CO 2 로부터개미산을전환생산하는벤처기업인 Canada의 Mantra Venture Group Ltd의자회사, Mantra Energy Alternatives Ltd와협력하여 ERC (Electro reduction of Carbon Dioxide) process에대한최종전극물질선정및전극성능향상에대한기술을개발하기로하였다. 개미산수소화촉매의경우, 일본 (AIST) 및미국 (BNL) 연구팀은이리듐촉매를이용한수소방출을보고한바있으며 (Nature Chemistry, 2012, 4, 383-388), 영국의연구팀은은-팔라듐기반불균일계촉매를이용한수소방출을연구하였다 (Nature Nanotechnology, 2011, 6, 302). 이밖에미국브라운대학연구팀은 AgPd alloy 촉매를이용해상온개미산의분해반응이가능함을보고한바있다 (Angew. Chem. Int. Ed. 2013). 상기예이외에최근다수의연구논문이발표되었으나, 개미산의수소화개질기술은아직기초연구수준에머무르고있다. 3 향후계획 현재남부발전에서는화력발전소에서발생되는 CO 2 로부터개미산 ( 포름산 ) 을생산하는기술을활발히진행함으로써, 2013년말 0.5 kg/ 일의개미산전환기술 그림 3 CO 2 포집 - CO 2 전환 - 전기생산 /ESS 이기술가치고리의완성 22 Journal of the Electric World
개발을성공적으로완료하였다. 이어 10kg/ 일개미산전환및농축기술을개발하는 2단계연구과제에착수하였고, 2단계과제가완료되면 0.5톤 / 일의상용화급개미산전환설비를구축할계획에있다. 지금까지개미산은주로가축사료의방부제와항생제및제혁산업에사용되고있으며수요가한정적 ( 연간 72만톤 ) 이어서 CO 2 전환에의해개미산이대량으로생산될경우가격이하락하는구조적인문제점을안고있다. 그런데, 개미산은분해와합성등이용이하여전기화학반응또는화학반응을통해프로톤 (H+) 또는수소 (H2) 로전환되기쉽기때문에연료전지의연료로사용하는기술이개발될경우, 대량생산된개미산의수요처가확보될것으로예상된다. 이에따라, 한전전력연구원은개미산연료전지의상용화를위한원천핵심기술개발을위한개미산산화촉매및막-전극접합체 (MEA) 제조최적화그리고개미산수소화촉매및반응기를공동개발하고있으며, 더나아가 1 kw급개미산연료전지시스템개발을계획하고있다. 이를통해 CO 2 로부터생산된친환경개미산을적용하는직접개미산연료전지및수소화기술을개발함으로써이산화탄소포집 - 이산화탄소전환 ( 개미산 ) - 전기생산 / 에너지저장 (ESS) 의기술가치고리를완성할예정이다. 이에따른이산화탄소포집 (CCS), 이산화탄소재활용 (CCR), 에너지저장 (ESS) 의관련기술사업에시너지효과가창출될전망이다. September 23