재생형 연료전지 시스템 탑재 무인항공기.

연료전지는 물의 전기분해 반응의 역(逆)반응으로 연료(수소)와 산화제(산소)의 화학적 반응을 통해 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시켜 주는 에너지 변환장치로서 내연기관 운전 시 발생하는 이산화탄소, 질소산화물, 미세먼지, 소음, 진동 등이 없는 친환경 에너지다. 연료전지 발전장치는 몇 개의 부품으로 구성되기 때문에 내연기관에 비해 설치가 간편하며 증설이 쉽고, 다양한 용량으로 제작할 수 있다.

　연료전지가 국방분야에서 관심을 받는 이유는 높은 에너지 밀도를 가질 뿐만 아니라 작동 운전온도가 낮고 소음이 없어 소리나 적외선 센서에 의한 피탐지율이 낮다는 점, 그리고 외부에서 연료가 공급되는 한 지속적으로 전기에너지를 생산해 이용할 수 있기 때문이다. 이는 비축된 에너지를 1회만 사용할 수 있는 1차전지나, 화학 에너지와 전기 에너지 간의 상호 변환으로 충전과 방전을 반복해 장기간 연속 사용하는 2차전지와는 다른 점이다.

　선진국에서는 군용 차량용 연료전지를 개발하기 위해 민수 분야에서 축적된 기술을 바탕으로 연료전지 스택의 내구성과 출력 증대를 위한 많은 연구가 수행되고 있다. 미 육군에서는 디젤 발전기보다 피탐지성을 줄일 수 있는 연료개질형 보조 동력 전원(APU, Auxiliary Power Unit)을 개발해 양산할 예정으로 알려져 있다. 항공분야에서도 내연기관을 사용하는 글로벌호크와 같은 고고도 무인 정찰기를 대체하기 위해 연료전지, 태양전지 및 전기분해 장치로 구성돼 추가적인 에너지 공급 없이 장기간 전력 생산이 가능한 재생형 연료전지 시스템이 탑재된 무인항공기 개발 연구가 활발히 수행되고 있다.

　미래 병사체계용 전원으로는 현재 기술적으로 접근이 보다 용이한 직접 메탄올형 연료전지와 고분자 전해질형 연료전지를 우선적으로 개발해 적용하고, 향후 고체 산화물형 연료전지를 적용하는 방향으로 연구 개발이 진행되고 있다.

　최근에는 막사나 야전지휘소용 전원 공급을 위해 내연기관 발전기 대신 고분자형 연료전지와 고체산화물형 연료전지가 활용될 것으로 예상된다. 고체산화물형 연료전지는 기존의 가솔린, 디젤, JP-8 연료를 이용해 내연기관보다 높은 효율성을 갖추고 있어 전력 생산 및 온수 공급이 가능하다는 장점이 있다. 조기경보기 같은 대형 군용 항공기 내부에는 레이더, 센서와 같이 고전력이 요구되는 전자기기의 보조전원용으로 뿐만 아니라 함정의 발전용 보조전원으로 개발하기 위한 다양한 연구가 진행될 것으로 예상된다.

　연료전지의 성능 및 내구성은 운용 온도조건에 따른 상대습도 변화에 크게 영향을 받는다. 이 때문에 외부 조건에 따른 상대습도를 일정하게 유지하기 위해 연료 및 공기 공급 장치의 모듈화와 자가 진단 시스템 기술을 지속적으로 연구 개발하고 있다. 특히 군용 연료전지는 스택의 고출력 밀도, 고기동성 및 주위 환경 변화에 대한 강인성을 확보하기 위해 외부 공기 대신 산소 탱크로부터 순수 산소를 이용해 운전할 수 있도록 개발되고 있다. 또한 운용환경의 특성상 외부 공기량이 극히 적은 잠수함, 잠수정 및 무인기는 산소 탱크의 저장량이 운용시간과 직접적으로 비례하기 때문에 액체산소 보관용 경량 저온용기 개발이 수행되고 있다.

　민수 분야에서는 가격을 낮추고 생산성을 높이기 위해 저가로 이용할 수 있는 백금을 대체할 수 있는 촉매와 금속분리판 개발에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 군수 분야에서는 고출력 스택 운전을 위한 고성능 촉매 개발과 내구성, 내충격 및 내진동 특성을 향상시키기 위해 귀금속이 코팅된 금속분리판 개발 연구에 집중하고 있다.

　고분자 전해질형 연료전지는 내연기관을 대신해 전투차량, 잠수함, 잠수정, 미래 병사, 무인항공기 등의 주요 전원으로 활용할 수 있을 것으로 예상되며, 이미 잠수함 추진원으로는 개발돼 적용하고 있다. 이를 위해서는 민수 분야의 기술을 활용함으로써 다양한 전장 환경에서 유용하게 작동할 수 있는 가볍고 단위 무게당 출력이 적어도 400W/㎏ 이상인 연료전지 스택 개발이 필수적이다. 또한 연료전지 시스템의 내구성 향상, 비정상 상태 회피, 자가 진단 등의 연구가 더욱 강화돼야 한다.

　현재 고분자 전해질형 연료전지의 경우 촉매 성능 저하, 일산화탄소에 의한 촉매 피독, 전해질 퇴화, 분리판 산화 등의 문제로 실제 운전 시간이 4000시간을 넘기 어려운 실정이다. 앞으로 나노 기술을 이용한 촉매 분산, 분리판의 내산화 코팅, 새로운 전해질 개발 등을 통해 성능 및 내구성이 비약적으로 향상돼 국방 분야에 연료전지가 널리 활용될 것으로 전망된다.

　고체 산화물형 연료전지는 고출력 대면적 셀모듈 설계 및 제조 기술, 스택의 내구성 향상 및 장기 운전 신뢰성 향상 등에 대한 연구 개발이 집중적으로 이뤄지면 다른 연료전지에 비해 상대적으로 운전 효율이 높기 때문에 분산형 발전, 야전 전원, 함정 보조 추진용 전원 등으로 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

　향후 녹색 병영 및 저탄소 미래 에너지를 기반으로 연료전지를 국방 무기체계에 활용하기 위해서는 민수 분야에서 축적된 관련 기술을 기반으로 다양한 군용 운용 조건을 고려해 경량화, 내구성 및 출력 증대, 내충격·내진동 특성 등 적용 무기체계에 특화된 연구 개발이 반드시 수행돼야만 한다.