효율적인 수소 연료 전지 시스템 설계하기
이미지 출처: Waewsiri/stock.adobe.com, AI로 생성
작성자: 트레이시 브라운(Traci Browne), 마우저 일렉트로닉스
게시일: 2025년 5월 9일
우주에서 가장 풍부한 원소인 수소는 사실상 무한한 에너지원이다. 지속 가능성에 대한 관심이 다양한 분야의 에너지 기술 혁신을 주도하면서 수소 연료 전지는 직접 배출이 없는 유망한 발전 장치로 부상하고 있다.
이 전기화학 시스템은 이미 수소 연료전지 전기차(FCEV)에 전력을 공급하고 데이터센터와 병원에 백업 전력을 제공하고 있다.[1],[2],[3] 이는 향후 해운 및 항공 부문의 탈탄소화, 전력망 안정화를 위한 재생 에너지 시스템과의 통합 등 다양한 분야에 적용될 수 있다.[4],[5]
전기 설계 엔지니어들에게 수소 발전 시스템은 기존 동력원과는 다른 고유한 과제를 제공한다. 이 글에서는 수소의 에너지 사이클, 추출 방법 및 지속 가능성 측면을 살펴본다. 또한 양성자 교환막 연료 전지의 원리를 살펴보고, 전기 출력을 다양한 애플리케이션에 사용할 수 있는 전력으로 변환하는 데 필요한 특수 전력 전자 장치에 초점을 맞춰 살펴본다.
최신 수소 생산 기술
우리 주변을 둘러싼 수소는 어떻게 포집되고 연료로 전환되는 것일까? 오늘날에는 이미 검증된 방법부터 보다 혁신적인 방법까지 다양한 방법이 사용되고 있다. 다음은 수소를 생산하는 네 가지 주요 방법이다:
- 증기 메탄 개질(SMR): 천연가스를 고온의 증기와 니켈 촉매와 혼합하여 수소와 CO₂를 생산한다. 이 프로세스는 효율적이고 비용이 저렴하지만 화석 연료에 의존하고 상당한 양의 CO₂를 배출한다.
- 전기분해: 전류가 물을 수소와 산소로 분해한다. 재생 에너지로 구동되는 이 공정은 직접 배출이 전혀 없는 고순도 수소를 생산한다. 하지만 현재 이 공정은 비용이 많이 든다.
- 광전기 화학 물분해: 특수 반도체가 햇빛을 흡수하여 물을 분해한다. 이 방법은 연구 및 시범 단계에 있다.
- 생물학적 생산: 미생물이 생물학적 과정을 통해 수소를 생산한다. 이 과정은 폐기물 처리와 통합할 수 있지만, 통제된 환경이 필요하고 아직 대규모 생산이 불가능하다.
이와 같은 수소 생산 방식들은 모두 유망한 가능성을 보여주지만 전기공학자들에게는 전기분해가 특히 중요한데, 이는 친환경 에너지 전환을 직접 가능하게 하는 기술이 전기 공학들의 전문이기 때문이다. 전력 시스템과 재생 에너지의 통합, 전해조 설계 최적화, 첨단 멤브레인 기술 및 전기 촉매 개발은 수소를 청정에너지 미래의 초석으로 만드는 데 필수적인 기술이다.
수소 생성을 위한 첨단 전기분해 시스템
전기분해는 수세기 동안 존재해 온 믿을 수 없을 정도로 단순한 과정이다. 하지만 오늘날의 시스템은 이 기본 개념을 정교한 기술로 발전시켰다.
최신 전기 분해 시스템에는 세 가지 주요 방법으로 나뉘며, 각각 아래와 같은 장단점이 따른다.
- 알카라인 시스템은 대규모 프로젝트에 비용 효율적이지만, 효율성이 낮고 전력 변동에 대응하는 속도가 느리다.
- 양성자 교환막(PEM) 시스템은 효율이 높고 전력 변동에 빠르게 대응할 수 있어 재생 에너지 통합에 이상적이다. 하지만 귀금속 촉매를 사용하기 때문에 비용이 더 높다.
- 고체 산화물 전기분해는 제시된 방법 중 가장 높은 효율성과 연료 유연성을 갖추고 있으며 합성 연료 생산 가능성을 지니지만, 아직 개발 단계에 있다.
현재 단계에서는 PEM 시스템이 가장 유망한 기술로 평가받고 있으며, 비용 절감과 효율성 향상을 위한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다. 수소위원회(Hydrogen Council)에 따르면 전해조 비용은 2010년부터 2020년까지 약 60% 하락했으며, 2030년까지 꾸준히 하락할 것으로 예상된다.[6]
지금까지 전기분해를 통해 물을 분해하여 수소를 생산하는 PEM 기술에 대해 살펴보았으며, 이제 동일한 기본 원리가 PEM 연료 전지 내에서 역으로 작동하여 전기를 생성하는 방법에 대해 살펴볼 것이다.
PEM 연료 전지 작동 원리
PEM 연료 전지는 전기화학, 재료과학, 전기공학의 독특한 융합체이다. 이러한 전기화학 장치는 수소와 산소를 전기, 열, 물로 변환한다. PEM 연료 전지는 양극, 음극, 양성자 교환막, 촉매 층의 네 가지 주요 구성 요소로 이루어져 있다.[7]
엔지니어들은 종종 이 구조를 샌드위치로 설명한다. 그림 1은 기본 배열을 보여준다.
그림 1: PEM 연료 전지. (출처: Gregory/stock.adobe.com)
작동 원리는 다음과 같다:
- 압축된 수소 가스는 양극 쪽의 연료 전지로 들어가 백금 촉매와 접촉한다.
- 수소 분자는 양성자와 전자로 분리된다.
- 양성자는 막을 통과하고 전자는 외부 회로를 통해 이동하여 전류를 생성한다.
- 음극의 산소 분자는 외부 회로를 통해 이동한 전자를 획득하여 환원 반응을 일으킨다.
- 이 산소 원자는 양성자 및 전자와 결합하여 물을 형성한다.
이상적으로 이 과정은 셀 스택에서 이루어지며, 제조업체는 연료, 물, 공기 관리 및 냉각수 제어 하드웨어와 소프트웨어를 갖춘 완전한 시스템에 통합한다.
전력 시스템을 다루는 전기 엔지니어들에게는 백업 전력 솔루션, 마이크로그리드, 청정 에너지 시스템과 같은 애플리케이션을 설계할 때 이러한 원리를 이해하는 것이 필수적이다. 주요 과제에는 효율성 최적화, 물 생산 관리, 백금 촉매와 관련된 비용 절감 등이 포함된다.
PEM 연료 전지의 전기 화학적 원리를 이해하는 것은 필수 사항이지만, 실제 구현을 위해서는 전지의 전기 출력을 사용 가능한 전력으로 변환하는 정교한 전력 전자 장치가 필요하다.
연료 전지 애플리케이션의 핵심 전자 장치
전력 전자 장치는 저전압, 고전류 출력을 사용 가능한 전력으로 변환하는 동시에 과도 응답 역학 및 단방향 전류 흐름과 같은 문제를 해결한다.
DC-DC 부스트 컨버터는 셀 출력 전압을 자동차 시스템 및 주거용 전력과 같은 애플리케이션에 적합한 수준으로 높이는 데 필수적이다. 이러한 컨버터는 인터리브 설계를 비롯한 고급 구성을 사용하여 효율성을 높이고 높은 전류 수준을 관리한다. 이러한 컨버터는 실리콘 카바이드(SiC) 및 질화 갈륨(GaN)과 같은 와이드 밴드갭 반도체 소재를 활용하여 높은 스위칭 주파수와 향상된 열 성능을 활용하며, 이는 동작 온도 프로파일 관리 및 전력 밀도 향상에 있어 매우 중요한 역할을 한다.
모터 드라이브 또는 그리드 연결과 같이 AC 출력이 필요한 시나리오에서 엔지니어들은 일반적으로 초기 부스트 컨버터 단계와 강력한 인버터로 구성된 2단계 변환 프로세스를 사용한다. 그리드 연결 시스템의 설계에는 상호 연결 표준을 준수하고 그리드 장애에 대한 안정성을 보장하기 위해 정교한 동기화 제어 기술이 필요하다.
배터리나 슈퍼커패시터와 같은 부품을 활용한 에너지 저장 통합은 부하 변동을 관리하고 전반적인 시스템 복원력을 향상시키는 데 매우 중요하다. 연료 전지, 저장 장치, 부하 수요 간의 상호 작용을 최적화하고 시스템 효율성과 부품 수명을 극대화하려면 적응형 제어 및 예측 모델링과 같은 고급 에너지 관리 알고리즘이 필요하다.
연료 시스템이 원활하게 작동하려면 부품 수준에서 초 단위의 응답과 전체 시스템의 조정이 모두 필요하기 때문에 계층적 제어 시스템을 도입하는 것이 필요하다. 하위 레벨 컨트롤러는 전력 변환에 대한 신속한 결정을 내리고 개별 구성 요소가 원활하게 작동하도록 유지한다. 한편, 상위 레벨 컨트롤러는 시스템 전체의 열 관리를 담당하여 문제가 심각해지기 전에 이를 탐지하고 모든 부품이 효율적으로 작동하도록 만들어준다.
연료 전지 시스템용 전력 전자 장치를 설계할 때 엔지니어는 효율성, 열 관리, 역전류 및 전자기 간섭(EMI)과 같은 문제에 대한 보호와 같은 핵심 성능 지표의 우선순위를 정해야 한다. 이러한 고급 설계 고려 사항을 통해 연료 전지는 휴대용 전자기기부터 자동차 및 전력망에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 효과적으로 기여할 수 있다.
최적화된 전력 전자장치는 필수적인 부품이지만 통합을 위한 퍼즐의 한 조각에 불과하다. 완전한 연료 전지 시스템은 여러 하위 시스템 간의 조화된 상호 작용이 필요하다.
시스템 통합 과제
수소 연료 전지 시스템을 설계할 때의 진정한 엔지니어링 과제는 열, 유체, 기계 및 전기 하위 시스템이 조화롭게 작동하는 시스템을 구축하는 것이다. 온도는 50–80°C의 좁은 범위 내에서 유지되어야 하며, 동적 부하 조건에 지능적으로 반응하는 냉각 시스템이 필요하다.[8]
수소는 정확한 압력, 유량, 순도 수준에서 공급되어야 한다. 자동차 시스템은 일반적으로 수소를 700bar로 저장하기 때문에 좁은 공간에 더 많은 연료를 저장할 수 있다. 그러나 효율적인 작동과 과도한 압력으로 인한 손상을 방지하기 위해 스택에서 이 압력을 1~2bar로 낮춰야 한다.[9] 100만 분의 1 수준의 오염 물질도 촉매를 저하시킬 수 있기 때문에 순도 수준은 중요하다.
또 다른 과제는 전체 시스템 비용의 상당 부분을 차지하는 플랜트 균형(Balance of Plant, BOP) 부품으로, 종종 50%를 초과하기도 한다.[10] BOP 부품은 연료전지 스택이 제대로 작동하는 데 필요한 연료전지 스택 이외의 모든 보조 시스템을 일컫는다. 여기에는 공기 압축기, 가습기, 물 관리 시스템, 센서 및 컨트롤러와 같은 필수 장비가 포함된다. 부수적 손실을 최소화하고 효율적인 작동을 보장하려면 이러한 부품의 크기를 적절히 조정하는 것이 중요하다.
마지막으로, 이와 같은 최신 연료 전지 시스템은 고급 진단 기술과 머신 러닝 알고리즘을 사용하여 유지보수 필요성을 예측하고 성능을 최적화한다. 멤브레인 탈수부터 촉매 중독에 이르기까지 고장 모드를 예측할 수 있다.
향후 개발 전망과 기회
수소 연료 전지 분야는 재료 및 제조 기술의 발전으로 현재의 한계를 극복하기 위한 혁신이 빠르게 진행되고 있다. 연구원들은 귀금속 함량을 줄이기 위한 대안을 개발하고 있으며, 디지털 기술은 첨단 제어 시스템과 데이터 분석을 통해 시스템 성능을 향상시키고 있다.
규모의 경제, 재료 개선 및 설계 최적화는 비용 절감으로 이어지며, 수소 연료의 사용 범위를 데이터 센터, 통신 및 해상 추진과 같은 분야로 확대할 것이다.[11],[12],[13]
전기 공학자들은 효율적인 전력 전자 장치를 개발하고 시스템 통합을 최적화하며 재료 과학 및 디지털 제어 분야의 혁신을 주도함으로써 이 기술을 발전시키는 데 중추적인 역할을 수행하고 있다. 연료 전지가 새로운 응용 분야로 확장됨에 따라 엔지니어들은 진정으로 지속 가능한 에너지 미래를 설계할 수 있는 엄청난 기회를 맞게 된 것이다.
출처
[1]https://www.toyota.com/mirai/
[2]https://www.datacenterfrontier.com/design/article/11427183/rethinking-the-data-center-hydrogen-backup-is-latest-microsoft-moonshot
[3]https://www.power-eng.com/hydrogen/kohler-and-toyota-partner-on-hydrogen-fuel-cell-for-us-hospital/
[4]https://www.airbus.com/en/innovation/energy-transition/hydrogen
[5]https://www.energy.gov/eere/fuelcells/articles/h2iq-hour-integrating-hydrogen-tech-and-grid-enable-efficient-and-stable
[6]https://hydrogencouncil.com/wp-content/uploads/2020/01/Path-to-Hydrogen-Competitiveness_Full-Study-1.pdf
[7]https://www.fuelcellbuses.eu/wiki/fuel-cells-hydrogen-and-fuel-cells/4-components-pem-fuel-cell
[8]https://www.energy.gov/eere/fuelcells/types-fuel-cells
[9]https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-storage
[10]https://www.nrel.gov/docs/fy24osti/87625.pdf
[11]https://www.plugpower.com/blog/hydrogen-fuel-cells-in-data-centers-a-clean-energy-revolution/
[12]https://fuelcellsworks.com/2025/01/22/clean-energy/fallback-friday-story-powercell-group-and-partners-deploy-hydrogen-fuel-cell-backup-power-at-telia-mobile-base-station
[13]https://energy.sandia.gov/programs/sustainable-transportation/hydrogen/fuel-cells/maritime-applications/
저자 소개
트레이시 브라운(Traci Browne)은 제조 및 산업 애플리케이션을 전문으로 하는 저명하고 존경받는 저널리스트이자 작가로, 신기술, 엔지니어링, 로보틱스, IIoT에 중점을 두고 있다. 그녀는 Business Review, NextBot Magazine, Compoundings Magazine, Plumbing & Mechanical Engineer, Intel IQ, Professional Mariner, Municipal Sewer and Water Magazine 등에 기고했다. 또한 주요 클라우드 플랫폼 및 서비스 제공업체, 로봇 제조업체, 다국적 교통 인프라, 엔지니어링, 토목 및 건물 건설업체, 글로벌 기술 기업을 위한 글을 기고해왔다.