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[김해창 교수의 에너지전환 이야기] <64>연료전지의 실태와 과제를 말한다

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  •  |  입력 : 2018-10-15 10:32:36
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수소연료전지 전문기업인 에스퓨엘셀이 이 분야에서 국내 최초로 10월 15일 코스닥에 상장한다. 이날 코스닥에 입성하는 에스퓨얼셀은 지난 2014년 설립됐으며, 원천기술력을 바탕으로 국내 최초 연료전지 KS인증을 획득했고, 국내 최초의 1~5㎾급 가정용·건물용 연료전지 시스템 개발해 제품을 확대왔다. 지난 2016년에는 글로벌 에너지기업인 후지전기코리아와 100㎾급 발전용 연료전지 사업에 대한 업무협약(MOU)을 체결하고 국내 최초 연료전지 개인발전 시장을 창출했다. 지난해 매출액과 영업이익은 각각 203억 원, 33억 원, 당기순이익은 28억 원을 기록하며 전년대비 각각 102%, 153%, 163% 성장했다. 앞으로 지게차, 드론, 통신 기지국 등 다양한 비즈니스 모델을 개척할 계획이다(뉴스핌(2018.10.15).

   
환경과 에너지 산업 분야 최신 기술을 선보이는 ‘2015 국제환경·에너지산업전(ENTECH 2015)’에서 관람객들이 친환경 무공해 수소연료전지버스와 차량을 살펴보고 있다. 국제신문 DB
2016년 두산모빌리티이노베이션을 설립해 연료전지사업을 차세대 먹거리로 자리매김한 두산그룹이 올해 상반기 드론용 연료전지팩 시제품 개발을 완료해 지난 9월 미국에서 열린 드론 전시회 ‘2018 인터드론’에서 첫 선을 보였다. 두산의 드론용 연료전지는 1회 완충 시간이 10분에 불과한 반면, 비행시간은 기존 30분 수준에서 2시간까지 4배 가까이 늘림으로써 기술력을 인정받았다. 드론시장은 2026년 전세계 약 100조 원 규모로 성장할 것으로 평가받는 거대 시장이다(아이뉴스24, 2018.10.12).

최근 뉴스를 보면 새 정부의 3차 에너지기본계획에 바탕을 두고 수소경제 실현을 위한 정책의 적극적인 추진에 힘입어 연료전지시장이 점차 확대되고 있다는 기사가 늘어나고 있다.

연료전지의 원리는 1801년에 영국의 험프리 데이비에 의해 고안됐다. 현재 연료전지로 통하는 연료전지의 원형은 1839년 영국의 윌리엄 그로브에 의해 제작됐다. 이 연료전지는 전극에 백금을, 전해질에 묽은 황산을 사용해 수소와 산소로부터 전력을 만들어내고, 이 전력을 이용해 물의 전기분해를 할 수 있었다.

그 후, 연료전지는 열기관에 의해 움직이는 발전기의 등장으로 발전시스템으로서는 잠시 잊혔으나 1955년 미국 제너럴 일렉트릭(GE)에 근무하던 화학자인 토마스 그루브(W. Thomas Grubb)가 개량형 연료전지를 개발했고 3년 뒤, GE의 레오나드 니트라흐(Leonard Niedrach)가 촉매인 백금의 사용량을 줄이는 데 성공해 ‘그루브 니트라흐(Grubb-Niedrach) 연료전지’로 알려지게 됐다. GE사는 이 기술을 개발한 뒤, 당시 진행중이던 미국 항공우주국의 제미니우주계획에 채택하게 했고, 이것이 연료전지의 첫 실용사례가 됐다.

1965년 미국의 유인우주비행계획인 제미니5호에서 탄화수소계 수지를 사용한 고체 고분자형 연료전지가 사용되자 다시 연료전지가 주목받게 됐다. 1959년 프랜시스 토마스 베이컨은 5㎾의 고정식 연료전지의 개발에 성공했다. 1959년 해리 아이리히(Harry Ihrig)가 이끄는 팀에 의해 15㎾ 출력의 연료전지 트랙터가 미국 위스콘신주의 앨리스셜머스사의 미국 횡단페어에서 공개됐다. 이 시스템은 수산화칼륨을 전해질로 사용해 압축수소와 산소를 반응시켰다. 1960년대 프랫&휘트니사는 미국의 우주계획에 있어 우주선의 전력과 물을 공급하기 위해 미국에서의 특허허가를 받았다. 아폴로계획에서 우주왕복선에 이르기까지 연료전지는 전원, 식수원으로 사용됐다. 알칼리 전해질형 연료전지가 채택됐다.

   
‘2015 국제환경·에너지산업전(ENTECH 2015)’은 환경산업관, 에너지산업관, 신재생에너지관, 전력발전관, 가스산업관, 녹색제품관과 수소연료전지관으로 운영됐다. 국제신문 DB
민생용 연료전지로서 주택용 열병합시스템이나 발전시설을 대상으로 한 연구개발이 계속됐다. 일본에서는 통상산업부의 에너지절약정책 ‘문라이트계획’에 따라 인산형, 용융탄산염형 연료전지, 고체전해질형 연료전지의 개발이 시작됐다. 1982년 도시바가 50㎾ 인산형 연료전지 실험플랜트를 일본 국내에 건설했다. 1985년에는 미국 UTC와 IFC사가 세계 최대의 11㎿급 발전소 공동개발을 시작해 1991년에는 11㎿ 실험플랜트를 도쿄전력 고이화력 발전소에 완성시켜, 출력 1만1000㎾의 인산형 연료전지의 실증운전이 이뤄졌다.

1987년 캐나다의 발라드 파워 시스템즈가 불소계 수지(Nafion)을 전해질 막에 이용한 고체 고분자형 연료전지를 개발했다. 이 전해질 막의 내구성이 우수했기 때문에, 연료전지가 다시 주목 받게 되고 연구개발이 활발해졌다.

연료전지는 보충가능한 어떠한 음극활물질(수소 등의 연료)과 양극활물질이되는 공기 중의 산소 등을 상온 또는 고온 환경에서 공급해 반응시킴으로써 지속적으로 전력을 뽑아낼 수 있는 발전장치이다. 장치 안의 고정량의 활성 물질을 사용하기 위해 전기용량에 한계가 있는 1차 전지(일반 건전지) 및 2차 전지(니카드전지 등)에 비해 양극제, 음극제 모두를 계속 보충함으로써 전기용량의 제한의 제한 없이 방전을 영속적으로 할 수가 있다는 점에서 크게 다르다.

연료전지는 열기관을 이용하는 통상의 발전시스템과 달리, 화학에너지로부터 전기에너지로 변환과정에 열에너지나 운동에너지의 형태를 거쳐 않기 때문에 열기관 특유의 카르노효율에 의존하지 않아 발전효율이 높다. 또한 시스템 규모에 별로 영향을 받지 않고, 소음이나 진동도 적다. 따라서, 노트북, 휴대전화 등의 휴대기기에서부터 자동차, 철도, 상업용 및 산업용 열병합발전소, 군사무기에 이르기 까지 다양한 용도와 규모를 커버하는 에너지원으로 기대되고 있다.

   
15일 울산시와 울산테크노파크가 울산테크노일반산업단지에 국내 최대 규모의 수소 기반 연료전지 연구와 실증 복합시설인 ‘수소연료전지 실증화센터’를 준공했다. 사진은 센터 조감도. 울산시 제공
연료전지는 방식마다 수소와 수소원료인 화석연료 등의 이용이 검토되고 있다. 직접 수소를 이용하는 경우 화석연료를 개질해 추출된 수소를 이용한다. 수소를 반응시켜 전기를 꺼내는 구조로는 물의 전기분해의 역반응이다. 2H2 + O2 → 2H2O에 의한 경우가 많다. 반응시 발열을 수반할 뿐만 아니라 발전효율이 높을수록 반응에 고온을 필요로 하는 경향이 있으며, 1000℃ 부근의 환경을 필요로 하는 방식도 있다. 반응에 의해 가능한 물질은 물이지만, 생성되는 것이 고열 환경이기 때문에 실제로 배출되는 것은 수증기 또는 온수이다.

연료전지는 사용연료나 작동온도, 전해질에 따라 다양한 종류가 있다. 사용연료에 의한 분류는 ①기체연료(수소, 탄화수소(천연가스, 메탄, 에탄, 프로판, IPG 등), 일산화탄소, 석탄가스), ②액체연료(메탄올, 암모니아, 납사, 등유), ③고체연료(석탄, 나트륨, 리듐, 아연)로 나눌 수 있다.

연료전지의 작동온도에 의한 분류로는 ①상온 100℃ 작동(알칼리수용액(AFC), 고분자 전해질(PEMFC), 직접메탄올(DMFC)의 연료전지), ②100~300℃ 작동(인산형(DAFC) 연료전지), ③300℃ 이상 작동(용융탄산염(MDFC), 고체산화물(SOFC) 연료전지)가 있다.

전해질에 의한 분류로는 ①용융 탄산염형 연료전지(MCFC), ②고체 산화물 연료전지(SOFC), ③고체 고분자형 연료전지(PEMFC), ④인산형 연료전지(PAFC), ⑤알칼리 전해질형 연료 전지(AFC), ⑥직접 연료전지(DFC), ⑦바이오 연료전지(MFC)가 있다.

연료전지를 상용화하려는 노력은 1970년대부터 줄기차게 추진돼 왔다. 1990년 들어서는 일본 가스3사(도쿄가스, 오사카가스, 토후가스)가 후지전기와 공동으로 50㎾, 100㎾기의 연료전지 상품화 개발에 착수했고, 미국제 200㎾기의 필드 테스트도 가졌다.

연료전지는 자동차업계에서 시장 선점을 위한 각축전을 벌일 정도로 지속적인 관심을 가져왔다. 1994년에 당시 다임러벤츠가 세계 최초로 수소저장방식의 연료전지 자동차인 네카리(NECARI)의 시험제작차를 발표했다. 처음에는 승객이 탈 공간이 거의 없었으나 네카리4의 경우 5명의 승객을 태우고시속 140㎞로 약 450㎞를 주행할 수 있게 됐다. 또한 도요타는 1997년 도쿄 모터쇼에 연료전지 자동차의 시험제작차를 발표하고 2005년까지 양산화할 것을 선언했다.

   
15일 울산시와 울산테크노파크가 울산테크노일반산업단지에 국내 최대 규모의 수소 기반 연료전지 연구와 실증 복합시설인 ‘수소연료전지 실증화센터’를 준공했다. 사진은 센터 위치도. 울산시 제공
2001년에는 소니·히타치·일본전기가 잇따라 ‘휴대기기용 연료전지’ 개발을 발표했고, 2002년 12월에는 도요타 FCHV와 혼다 FCX 연료전지 자동차의 시판 시승식이 있었다. 2014년 말에는 수소연료전지에 의한 장거리 주행을 가능하게 하는 도요타 미라이(MIRAI)가 생산 판매되게 됐다.

우리나라는 뒤늦게 연료전지 자동차 개발에 나섰으나 2017년 8월 현대자동차그룹이 수소전기차 핵심기술의 독자개발에 성공한 데 이어 업계 최초로 관련 부품의 일관 대량생산체제를 마련했다. 현대모비스는 충북 충주에 위치한 기존 친환경차 부품 전용생산단지(11만㎡)내에 수소전기차 핵심부품 생산을 전담할 공장을 추가로 신축하고 2017년 9월부터 시험가동에 들어갔다. 수소전기차 시장은 전문기관 예측 평균치로 2025년에는 50만 대 규모의 시장이 형성될 것으로 내다보고 있다(서울경제, 2017.8.8).

연료전지는 열효율이 높고, 자연환경을 해지치 않으며, 간편하게 다양한 크기로 설치하고 탄력적으로 가동할 수 있고, 또한 화석연료도 함께 쓸 수 있다는 장점이 있는 반면 단점도 적지 않다.

첫째, 비용대비 효율성이 낮다. 연료전지에 사용되는 전해질막이나 백금촉매는 비싸다. 핵심부품이 비싸다보니 다른 내연기관에 비해 원가경쟁력이 부족해 보급에 어려움이 많다. 이러한 과제를 극복하기 위해서는 자동차업계와 기업이 협력해 인프라 구축에 나서고 보조금 지급 등이 충분히 이뤄질 필요가 있다.

둘째, 수소는 대량으로 값싸게 얻기가 힘들다. 개질로 천연가스 등의 탄화수소에서 수소를 얻을 수 있는데 천연가스의 가격이 쌀 때만 적절하다. 현재 주문에 의해 소량생산을 하고 있는데 값싼 고분자전해질 등을 연구개발해 대량생산체제를 갖추는 것이 비용경쟁력을 키우는 길이 될 것이다.

셋째, 수소는 저장하기가 힘들다. 수소는 빙점이 영하 240℃인데다 폭발위험성도 크기에 저장하기가 어렵다. 특정한 금속합금은 수소와 화합하거나 수소를 흡수하는데 이 성질을 이용하면 수소를 장기간 안전하고 대량 저장할 수 있다. 이 때 쓰이는 합금을 수소저장합금이라고 하는데 현재 여러 종류가 개발중이며, 또한 수소를 저장하는 특수액체도 개발되고 있다고 한다. 무엇보다 내구성이 유지되는 고온형 연료전지 등의 재료개발이 과제이다. 김해창 경성대 환경공학과 교수


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