내구성 향상 및 누설 방지효과가 있는 연료전지 관련 기술 개발
연료전지의 폭넓은 상용화 기대
연료전지시스템의 소형화, 경량화, 저렴화 연구 계속

에너지 패러다임이 변화하고 있다.
즉 화학연료 에너지의 고갈 및 환경오염 문제가 대두됨에 따라 신재생 에너지 산업의 활성화가 계속되고 있다.
지난 2014년 4월에는 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급촉진법 제13조(신·재생에너지설비의 인증 등), 동법 시행규칙 제7조(설비인증 심사기준 및 사후관리) 지식경제부 고시 제2012-51호 신·재생에너지설비 인증에 관한 규정도 발표됐다.
특히 연소과정이 없어 발정효율이 높으며 배출되는 유해가스량이 적은 연료전지의 안정적인 시장 보급이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.
또한 이의 상용화를 위한 가격 안정성 확보 관련 연구가 진행중인 것으로 조사되고 있다.
이러한 요구에 따라 각 국에서는 가전제품 탑재가 가능한 Portable과 가정용, 건물용, 대형발전소 등에서 활용하는 MCFC(용융탄산염 연료전지) 기반 Staionary를 중심으로 연료전지 기술이 연구개발되고 있다.
특히 상대적으로 가격이 낮고 휴대용으로 적합한 PEMFC(고분자전해질연료전지)와 기술 개발이 꾸준히 추진된 SOFC(고체산화물연료전지)의 연료전지 기술이 시장을 선도할 것으로 예상된다.
한편 국내 발전용 연료전지 설치용량은 지난 2013년 109MW에서 3MW 대비 폭발적으로 급증하였으며, 지난 2012년 RPS(신재생엔너지의무할당제) 시행 이후 지난 2013년 1조 7천억에서 오는 2023년에는 38조 6천억원의 시장규모를 형성할 것이라는 전망이다.
또 지난 2014년 12월 19일에는 산업통산자원부와 환경부가 전기차 보급정책의 추진상황을 점검하고 향후 전기차 상용화시대의 기반 조성을 위한 종합대책을 관계부처 합동으로 마련했다.
이에 따라 전기자동차 상용화를 위해 국고보조금 지원물량을 전년 대비 3배 늘리고, 세제감경을 연장하여 전기차 구매 부담완화, 공공기관의 전기차 구매 의무화 시행하고, 배터리 임대사업과 민간충전사업을 추진하여 충전망을 대폭 확충하여 충전 불편함을 해소한다고 밝혔다.
또 오는 2020년까지 전기차 20만대(누적), 공공급속충전시설 1천400기, 1회 충전 주행거리 300㎞로 확대한다는 방침이다.

이번 전기차 상용화 종합대책은 2015년도에 전기차 보급물량은 3천대로 확대하고, 최대 420만 원의 세제지원을 오는 2017년까지 연장하기로 했다.
또한 보급차종도 승용차 위주에서 전기택시(140대), 전기버스(64대), 화물 전기차(30대) 등으로 다변화하고 공공기관의 전기차 구매 의무화(신규 구입량의 25%)도 새로 시행된다.
이에 따라 연료전지 관련 기술의 획기적인 대안이 요구되는 바이다.
본지에서는 제한된 공간에 많은 연료전지의 설치가 가능하며, 보다 견고하게 체결됨으로써 내구성 향상 및 누설 방지 효과가 있는「연료전지의 내·외부 결합수단」기술을 비롯, 「미반응 물질 제거기능을 가지는 밀폐형 연료전지 시스템」,「개방형 연료전지 시스템」등의 연료전지 관련 기술들을 소개함으로서 기술 트렌드 분석에 도움이 되고자 한다.

◆연료전지의 내/외부 결합수단 기술

이 기술은 특허등록번호 10-1109409이며, 발명의 명칭「연료전지의 내·외부 결합수단」2012년 1월 18일에 등록된 기술이다.
이 기술은 연료전지를 구성하는 구성품들을 적층된 상태로 결합하고 이와 동시에 연료 또는 냉각수 공급 기능을 수행하는 연료전지의 내·외부 결합수단에 관한 것이다.
이 기술에 의한 연료전지의 내·외부 결합수단은, 연료전지의 다수 부품을 관통하고, 연료전지 내부 방향으로 압력을 가하여 일정 형상을 유지하도록 하는 내부결합수단과, 연료전지의 외관 일부를 형성하는 앤드플레이트 일측에 결합되어 다수 부품의 이격 방향 움직임을 제한하는 외부결합수단을 포함하여 구성되며 내부결합수단과 외부결합수단은 서로 평행하게 위치하고, 내부결합수단과 외부결합수단은 서로 교차하는 방향의 체결력에 의해 연료전지에 체결되는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 본 발명에 의하면 부피가 현저히 작아지게 되므로 제한된 공간에 많은 연료전지의 설치가 가능하며, 보다 견고하게 체결됨으로써 내구성 향상 및 누설 방지가 기대된다.
연료전지는 연료(LNG, LPG, 수소, 메탄올 등)와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하고, 동시에 부산물로서 물과 열을 발생시키는 시스템으로서 발전효율이 높고 환경 유해요소가 제거된 발전장치이다.
그리고 사용되는 전해질의 종류에 따라 폴리머 전해질막 연료전지(PEMFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등이 있다.
이러한 연료전지의 종류 중에서 PEMFC, PAFC, DMFC는 작동온도가 각각 80℃∼120℃, 190℃∼200℃, 25℃∼90℃ 정도로 낮으며, 자동차 등의 수송용이나, 가정용 및 휴대용 전력원으로서 활용 가능성이 높다.
따라서 이들 연료전지의 상용화를 앞당기고 확대하기 위해 전체 연료전지 시스템의 소형화, 경량화, 저렴화 등에 연구 관심이 집중되고 있다.
<그림 1>에서와 같이 상기 연료전지는 내부에 다수 막전극접합체(10,MEA: Membrane Electrode Assembly)가 구비되며, 상기 막전극접합체는 직립된 상태로 좌/우 방향으로 적층되어 배치된다. 또한 상기 막전극접합체는 멤브레인을 중앙으로 하여 양측에 애노드전극과 캐소드전극이 배치된다.
즉 상기 막전극접합체는 멤브레인, 애노드전극 및 캐소드전극을 포함하여 구성된다.
상기 애노드전극과 캐소드전극에는 연료전지의 연료가 되는 수소, 메탄올 등이 유동할 수 있도록 유로가 형성되며, 상기 다수 막전극접합체가 서로 적층되면 이러한 유로는 서로 연통된다.
상기 연료전지 좌/우 측면에는 앤드플레이트가 구비된다. 상기 앤드플레이트는 연료전지의 외관을 형성함과 동시에 상기다수 막전극접합체가 분리되지 않도록 결합력을 제공하는 역할을 수행한다.
이를 위해 상기 앤드플레이트는 막전극접합체보다 큰 면적을 가지도록 형성되며, 상기 앤드플레이트의 상/하단부는 막전극접합체의 상/하단부보다 상/하측으로 돌출된다.