전기를 저장할 것인가, 만들어낼 것인가: 배터리 vs 연료전지

전기를 저장할 것인가, 만들어낼 것인가: 배터리 vs 연료전지

대학생신재생에너지기자단 29기 조해나

전기 중심 에너지 시대, 두 기술이 주목받는 이유

전기 중심의 에너지 시스템이 확대되면서 배터리와 연료전지는 미래 에너지 기술의 핵심으로 주목받고 있다. 배터리는 전기를 저장해 필요할 때 사용하는 기술로 전기차와 에너지저장장치(ESS) 산업에서 빠르게 성장하고 있다. 반면 연료전지는 연료의 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 기술로 발전 분야와 분산형 전원 시스템에서 활용 가능성이 높다.

두 기술은 모두 전기를 활용한다는 공통점이 있지만 작동 방식과 활용 분야에서 차이를 보인다. 배터리는 이미 생산된 전기를 저장하는 기술이며, 연료전지는 연료의 반응을 통해 전기를 만들어내는 기술이다. 이러한 차이는 미래 에너지 시스템에서 각 기술이 맡게 될 역할에도 영향을 미친다. 이에 본 기사에서는 배터리와 연료전지 기술의 특징을 비교하고, 두 기술이 에너지 산업에서 어떤 의미를 가지는지 살펴보고자 한다.

전기를 저장하는 기술, 배터리

배터리는 전기에너지를 화학에너지 형태로 저장한 뒤 필요할 때 다시 전기로 변환해 사용하는 장치다. 현재 가장 널리 사용되는 기술은 리튬 이온 배터리로, 전기차와 스마트폰, 노트북 등 다양한 전자기기에 활용되고 있으며, 대규모 에너지저장장치(ESS)에서도 핵심 기술로 사용되고 있다.

리튬 이온 배터리는 양극, 음극, 전해질, 분리막으로 구성되며 충전과 방전 과정에서 리튬 이온이 전극 사이를 이동하면서 전기가 생성된다. 이러한 구조 덕분에 기존 배터리보다 높은 에너지 밀도와 긴 수명을 가진다는 장점이 있다. 이 때문에 현재 전기차 산업에서도 가장 널리 사용되는 배터리 기술로 자리 잡고 있다.

[자료 1. 리튬 이온 배터리]

출처:  ©29기 조해나(ChatGPT 생성)

배터리의 가장 큰 장점은 이미 생산된 전기를 저장했다가 필요할 때 즉시 사용할 수 있다는 점이다. 전력 수요가 갑자기 증가하는 상황에서도 빠르게 전력을 공급할 수 있어 전력망 안정화에 도움을 준다. 특히 태양광과 풍력처럼 발전량이 일정하지 않은 재생에너지와 함께 활용될 경우 전력이 남을 때 저장하고 부족할 때 공급할 수 있어 에너지 효율을 높이는 역할을 한다. 그러나 배터리는 저장 용량이 제한돼 있으며 대규모 에너지를 장기간 저장하기에는 비용과 소재 문제라는 한계가 있다. 또한 충전 시간이 필요하고 사용 과정에서 배터리 성능이 점차 감소한다는 문제도 있다. 이러한 이유로 배터리는 주로 전기차와 같은 이동형 에너지 시스템이나 단기 에너지 저장 분야에서 강점을 가지는 기술로 평가된다.

연료 반응으로 전기를 생산하는 기술, 연료전지

연료전지는 전기를 저장하는 방식이 아니라 연료의 화학 반응을 통해 전기를 생산하는 장치다. 일반적으로 수소와 산소가 반응하면서 전기가 발생하며, 이 과정에서 물과 열이 부산물로 생성된다. 이러한 원리는 배터리와 달리 연료가 계속 공급되는 한 지속적으로 전력을 생산할 수 있는 특징을 가진다.

연료전지는 작동 온도와 전해질 종류에 따라 여러 종류로 나뉜다. 대표적으로 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등이 있다. 특히 SOFC는 높은 작동 온도에서 작동하기 때문에 발전 효율이 높고 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점이 있어 발전 분야에서 활발히 연구되고 있다. 

연료전지는 장시간 안정적으로 전력을 공급할 수 있기 때문에 건물용 발전 시스템이나 분산형 발전 설비 등에서 활용 가능성이 높다. 또한 수소를 연료로 사용할 경우, 발전 과정에서 이산화탄소가 거의 발생하지 않는다는 점에서 친환경 에너지 기술로도 주목받고 있다. 최근에는 수소차와 같은 모빌리티 분야에서도 연료전지가 활용되고 있다. 다만 연료전지가 널리 활용되기 위해서는 해결해야 할 과제도 존재한다. 수소를 생산하고 저장하며 운송하는 과정에서 많은 비용과 인프라가 필요하기 때문이다. 또한 수소 생산 과정에서 화석연료가 사용되는 경우 탄소 배출 문제가 발생할 수 있어 친환경 수소 생산 기술 개발이 함께 진행되고 있다.

[자료 2. 부곡복합화력 연료전지 발전소]

출처: 한국에너지공단

배터리와 연료전지, 작동 방식과 활용 분야의 차이 

배터리와 연료전지는 모두 전기를 활용하는 기술이지만 작동 방식과 역할에서 큰 차이를 보인다. 배터리는 이미 생산된 전기를 저장하는 기술인 반면, 연료전지는 연료와 화학 반응을 통해 전기를 직접 생산하는 기술이다. 이러한 차이는 에너지 시스템에서의 활용 방식에도 영향을 미친다. 배터리는 전기차와 ESS처럼 전력을 저장하고 필요할 때 빠르게 공급해야 하는 분야에서 주로 활용된다. 반면 연료전지는 발전소나 건물용 발전 시스템과 같이 장시간 안정적인 전력 생산이 필요한 분야에서 활용되는 경우가 많다. 

또한 에너지 저장 측면에도 차이가 있다. 배터리는 저장 가능한 전력량이 제한돼 있지만 충전과 방전 속도가 빠르다는 장점이 있다. 반면 연료전지를 연료만 지속적으로 공급된다면 장기간 전력 생산이 가능하지만 연료 공급 체계가 필요하다. 이러한 특징 때문에 두 기술은 서로 경쟁하기보다는 에너지 시스템 내에서 서로 다른 역할을 수행할 가능성이 크다. 예를 들어 재생에너지로 생산된 전력을 배터리에 저장하고, 장시간 안정적인 전력 공급이 필요한 경우 연료전지를 활용하는 방식으로 두 기술이 함께 사용될 수 있다.

경쟁이 아닌 역할 분담, 미래 에너지 시스템

전기 중심 사회로 전환되는 과정에서 배터리와 연료전지는 모두 중요한 역할을 하게 될 것으로 예상된다. 배터리는 전기차와 재생에너지 저장 기술을 중심으로 빠르게 성장하고 있으며, 연료전지는 수소 기반 에너지 시스템과 발전 분야에서 활용 가능성이 확대되고 있다. 

특히 재생에너지의 비중이 높아질수록 전력 생산량의 변동성이 커지기 때문에 이를 안정적으로 관리할 수 있는 기술의 중요성이 커지고 있다. 배터리는 단기적인 전력 저장과 공급을 담당하고, 연료전지는 장시간 전력 생산을 담당하는 방식으로 서로 보완적인 역할을 할 가능성이 높다. 결국 미래 에너지 시스템에서는 하나의 기술이 모든 역할을 수행하기보다는 다양한 기술이 함께 활용되는 구조가 될 가능성이 크다. 전기를 저장하는 배터리와 전기를 생산하는 연료전지가 서로 보완적으로 발전한다면 보다 안정적이고 효율적인 에너지 시스템 구축에 기여할 것으로 기대된다.

배터리에 대한대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "[RE:CHARGE LIVE] 차세대 배터리, '문제투성이' 배터리?", 28기 이건혁, https://renewableenergyfollowers.org/ev-battery/?idx=169031882&bmode=view

2. "[RE:CHARGE LIVE] 느좋양극재, 잔말 말고 망간으로 바꿔", 28기 이건혁, https://renewableenergyfollowers.org/ev-battery/?idx=169437752&bmode=view

참고문헌 

[전기 중심 에너지 시대, 두 기술이 주목받는 이유]

1) 김영일, "분산형 전원 시스템 연료전지(Fuel Cell) 활용 및 인력 양성", 괴산타임즈, 2025.05.14,  http://www.goesantimes.com/news/articleView.html?idxno=29486

2) 한국에너지공단 신재생에너지센터, "연료전지", https://www.knrec.or.kr/biz/korea/intro/kor_fuel.do

[전기를 저장하는 기술, 배터리]

1) 권선형, "[삼성SDI와 함께하는 '배터리 이야기'] 배터리의 4대 구성요소", 한스경제, 2023.08.10, http://www.hansbiz.co.kr/news/articleView.html?idxno=659981

2) 김성식, "NCM 원통형? 아리송한 배터리 용어...소재 폼팩터 전해질 등으로 구분", 뉴스1, 2026.03.15, https://n.news.naver.com/article/421/0008826480?sid=101

3) 박지성, "리튬이온배터리 ESS, 전기차 수요 부진 속 유일한 대안으로 꼽혀", Techworld, 2024.02.23, https://www.epnc.co.kr/news/articleView.html?idxno=240922

[연료 반응으로 전기를 생산하는 기술, 연료전지]

1) 강형진, "서울시 건물의 비상발전기, '경유 > 연료전지'로 대체", 토목신문, 2021.04.27, http://m.cenews.co.kr/news/articleView.html?idxno=10747 

2) 김하늬, "SOFC SOEC 기술개발로 수소연료전지 국산화 앞장선다", 공학저널, 2024.09.09, http://www.engjournal.co.kr/news/articleView.html?idxno=2950

3) 남영태, "[기획] 고체산화물연료전지(SOFC), 상용화 어디까지 왔나", 가스신문, 2016.10.16, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=75412

4)  박영석, "건물 비상발전기 친황경 연료로 바꾼다", 자투리경제, 2021.04.27, https://www.jaturi.kr/news/articleView.html?idxno=6935 

5) GS 칼텍스, "수소연료전지차에 대한 모든 것!: 수소차의 원리와 현재 발전 현황", 2021.07.12, https://gscaltexmediahub.com/future/energy-plus-everything-about-hydrogencars/

[배터리와 연료전지, 작동 방식과 활용 분야의 차이] 

1) 김선기, "[배터리로 알아보는 전기차] 연료전지? 전고체 배터리?", Worldtoday, 2021.07.02, https://www.iworldtoday.com/news/articleView.html?idxno=402773

2) 신상길, "[칼럼] 배터리차와 연료전지차, 다음세대는 에너지 로봇이다", 에너지신문, 2021.05.31, https://www.energy-news.co.kr/news/articleView.html?idxno=76794 

[경쟁이 아닌 역할 분담, 미래 에너지 시스템]

1) 권효재, "미래 한국 전력망에 꼭 필요한 '그린수소'", 월간수소경제, 2024.11.28, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=13063