연료전지 종류별 완전 정리｜기술 비교와 산업 응용

 

🔍 서론｜왜 다양한 연료전지가 존재할까?

연료전지는 수소 등의 연료를 산화시켜 전기와 열을 생산하는 발전 장치입니다.
하지만 용도, 작동 환경, 소재 특성 등에 따라 다양한 형태로 발전해왔죠.
이번 포스트에서는 **연료전지의 주요 4종(PAFC, PEMFC, MCFC, SOFC)**을 중심으로 원리, 특성, 용도, 산업 적용을 상세히 비교합니다.

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🔬 연료전지 기본 구조

모든 연료전지는 기본적으로 다음의 구성 요소로 이루어집니다.

• 연료극(Anode): 수소 또는 탄화수소에서 전자를 추출
• 전해질(Electrolyte): 이온만 통과시키는 전도체
• 공기극(Cathode): 산소와 이온이 만나 물을 생성
• 외부회로: 전자의 흐름으로 전기를 생성

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🧪 연료전지 종류별 비교

구분

PAFC / PEMFC / MCFC / SOFC

 

전해질	인산 (H₃PO₄)	고분자막 (Nafion 등)	탄산염 (Li/K carbonates)	고체 산화물 (세라믹)
작동온도	150~220℃	60~90℃	600~700℃	700~1000℃
연료 종류	수소, 천연가스	순수 수소	수소, 천연가스, CO	수소, 탄화수소, CO
효율	~40%	40~60%	45~60%	50~65% (고온시 최대 85%)
시동시간	느림	빠름	느림	매우 느림
응용 분야	중소형 발전	자동차, 이동형	대형 발전	발전소, 마이크로그리드
장점	안정성, 기술 성숙	고출력 밀도, 빠른 반응	연료 다양성, CO 내성	고효율, 열병합 가능
단점	부피 큼, 느린 반응	고순도 수소 필요	고온 → 부식, 내구성 문제	소재 비용, 고온 손상 우려

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🏭 연료전지별 산업 응용 사례

🔹 PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell)

• 활용: 건물용 열병합 발전 (CHP), 병원, 호텔, 통신국
• 장점: 안정적인 운전, 상용화 경험 多 (Doosan PureCell 등)
• 한계: 반응속도와 전력 밀도가 낮아 수송용에는 부적합

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🔹 PEMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)

• 활용: 수소차(현대 넥쏘), 드론, 군수용, 백업 전원
• 장점: 빠른 시동, 높은 전력 밀도, 소형화 용이
• 한계: 순수 수소 요구, 고온 불가, 내구성 보완 필요

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🔹 MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell)

• 활용: 대규모 발전소, 이산화탄소 포집 연계 발전
• 장점: CO, CH₄ 직접 사용 가능, 발전 효율 우수
• 한계: 고온 환경에 의한 부식, 내구성 취약

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🔹 SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)

• 활용: 분산형 발전, 열병합 시스템, 마이크로그리드
• 장점: 열효율 최고, 연료 다양성, 장기 운전 가능
• 한계: 고온 소재 기술이 어려움, 시동 속도 느림

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🔧 선택 기준 및 산업 활용 팁

필요 조건적합한 연료전지

차량용, 빠른 반응	PEMFC
정지 발전, 안정성	PAFC
고효율 대형 발전	MCFC / SOFC
열병합 활용 (CHP)	SOFC / PAFC
다양한 연료 사용	MCFC / SOFC

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📈 기술 동향 및 전망

• PEMFC는 수송용 표준으로 자리잡는 중이며, 대량 생산 기술이 빠르게 발전 중입니다.
• SOFC는 고효율성과 다양한 연료 호환성 덕분에 발전소·건물용 시장에서 각광받고 있습니다.
• MCFC는 CCUS와 연계된 고온 발전소 솔루션으로 각광, 미국/일본/한국에서 실증 확대 중.
• PAFC는 가장 먼저 상용화된 기술로, 안정성은 뛰어나지만 점차 고온형 연료전지에 밀리는 추세입니다.

✅ 마무리

연료전지는 단일 기술이 아니라 다양한 응용 요구에 맞춘 복합적인 기술군입니다.
특정 분야에 적합한 연료전지를 선택하고, 특성에 맞는 인프라를 구축하는 것이
수소 경제 및 분산형 전력 시스템의 핵심이라고 볼 수 있죠.

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