기계연구원, 수소 연료전지 기술개발 "가속도"

기계硏 발전용 BOP 개발… 에너지기술硏은 차량용 설계기술 확보

정부·기업, 그린에너지 육성 방침따라 급성장 예상

수소 안정적 공급 인프라 구축·보급사업 확산 과제

기계연구원이 개발한 수소 연료전지 촉매연소기.

기계연구원이 개발한 수소 연료전지 촉매연소기의 내부. 촉매연소기는 수소와 산소의 결합반응을 촉진한다.

최근 한국기계연구원과 한국에너지기술연구원 등이 수소 연료전지 시스템 기술을 잇달아 개발, 국내 수소연료전지 보급에 활기를 더하고 있다.

기계연구원은 발전용 연료전지 시스템에 필수적인 BOP(Balance Of Plant)를 개발했으며 에너지기술연은 가정용ㆍ차량용 연료전지 스택과 고분자막 등을 개발하고 있다.

정부는 민간기업과 함께 오는 2012년까지 태양광ㆍ풍력ㆍ수소 연료전지 등 15개 그린에너지 분야 기술 개발에 약 6조원을 투자할 계획이어서 다소 소외됐던 수소 연료전지 기술 개발이 가속화될 것으로 전망된다. 수소 연료전지 분야를 신성장동력으로 육성해 수출산업화하면 2013년 50억달러, 2018년 260억달러의 수출고를 올릴 것으로 기대된다. 세계 수소 연료전지 시장은 2013년 770억달러, 2018년 2,880억달러 규모로 급성장할 것으로 예상된다.

◇수소 연료전지=

수소를 에너지로 사용해 전기를 생산하는 전지를 말한다. 수소 연료전지는 물의 전기분해를 반대로 이용한다. 물(H₂O)에 전기를 가하면 수소(H₂)와 산소(O₂)로 분리되는데 수소 연료전지는 반대로 수소와 산소를 이온 상태로 바꿔 결합하기 쉬운 조건으로 만들어 물로 결합시킨다. 이때 수소와 산소가 가진 에너지보다 물이 갖는 에너지가 적기 때문에 여분의 에너지가 생기며 수소 연료전지는 이를 전기로 바꿔준다.

수소 연료전지는 활용영역에 따라 발전용ㆍ가정용(건물용)ㆍ차량용 등 세 가지로 구분된다. 발전용은 대형 발전소보다는 지역단위의 전력 생산을 담당하는 분산형 발전시스템으로 개발되고 있다. 가정용은 가정에 설치돼 전기와 난방용 열에너지를 생산한다.

기술별로는 고체산화물 연료전지(SOFCㆍSolid Oxide Fuel Cell), 용융탄산염 연료전지(MCFCㆍMolten Carbonate Fuel Cell), 인산형 연료전지(PAFCㆍPhosphoric Acid Fuel Cell), 고분자전해질 연료전지(PEFCㆍPolymer Electrolyte Fuel Cell) 등 네 가지 기술이 대표적이다.

이중 고체산화물ㆍ용융탄산염 연료전지는 650~1,000도의 고온에서 반응하기 때문에 주로 발전용으로 개발되고 있다. 인산형 연료전지는 발전ㆍ가정용, 고분자전해질 연료전지는 가정ㆍ차량용으로 활용된다. 네 가지 연료전지는 수소ㆍ산소 결합반응을 촉진하는 전해질ㆍ촉매 등에 큰 차이가 있다. PEFC는 고분자막이 수소 양성자(Proton)만을 산소가 있는 쪽으로 통과시켜 수소ㆍ산소의 결합이 이뤄지도록 한다.

◇국내 개발현황=

기계연구원은 최근 발전용 연료전지 시스템의 핵심부분인 BOP(Balance Of Plant)를 개발했다.

BOP는 발전용 연료전지의 전기생산 효율을 최적화시켜주는 구성품들로 수소 연료전지에 투입되는 공기와 수소의 비율 등을 최적화해 전기 생산효율을 극대화하는 요소기술이다.

기계연 그린환경기계연구본부 안국영 박사팀이 개발한 '촉매연소기 및 공기 공급용 블로워'는 발전용 수소 연료전지를 위한 기술이다. 촉매연소기는 수소ㆍ산소의 결합을 촉진하며 공기 공급용 블로워는 전기를 생산하는 수소 연료전지 셀로 공기(산소)를 적정 압력으로 불어넣어주는 장비다. 공기 공급용 블로워는 기존 장비에 비해 효율을 10% 이상 높여준다. 안 박사팀은 현재 75kW급 용융탄산염 연료전지에 이들 장비를 장착해 테스트하는 한편 향후 250kW급 발전용 연료전지에 이 기술들을 적용할 계획이다.

이원용 에너지기술연구원 연료전지연구단장은 가정ㆍ차량용 고분자전해질 연료전지의 스택 설계기술과 고분자전해질 막 기술을 개발하고 있다. 이 박사팀의 목표는 1리터의 수소 연료전지를 이용해 1kW 이상의 전기를 생산하는 것. 현재 1리터의 수소 연료전지로 0.9kW의 전기를 생산하는 설계기술을 확보한 상태다.

현재 80~100도의 온도에서 작동되는 고분자전해질 연료전지의 고분자막으로 대부분 미국 듀폰사의 '나피온'을 쓰고 있는데 이 박사팀은 보다 고온에서 쓸 수 있는 고분자막을 개발 중이다. 반응온도가 올라가면 전기 생산효율을 높일 수 있다.

◇민간 분야의 기술 개발=

정부가 민간 합동 그린에너지 기술 개발에 수소 연료전지 분야를 포함시킨 것은 이 분야에서 기업들의 기술 개발이 활발하기 때문이다. 현재 정부가 추진 중인 가정용 수소 연료전지 보급사업에는 GS퓨얼셀ㆍ퓨얼셀파워ㆍ효성 등이 참여하고 있다.

가정용 연료전지 보급 사업은 지난 2007년부터 올해까지 총 210가구에 가정용 연료전지 시스템을 보급하는 것. 가정의 도시가스 배관에 이 시스템을 연결, 천연가스에서 얻은 수소를 산소와 결합시켜 전기와 난방용 열을 공급한다. 참여 기업들은 도시가스공사를 통해 이 사업에 1kW급 가정용 연료전지 시스템을 공급하고 있다. 천연가스를 직접 이용하면 난방만 할 수 있지만 수소 연료전지를 이용하면 전기(생산효율 35%, 난방열까지 포함한 에너지효율 70~80%)도 생산할 수 있다.

포스코파워와 두산중공업은 용융탄산염 연료전지 기술을 이용해 발전용 수소 연료전지 시스템을 개발하고 있다. 특히 포스코파워는 미국 FCE와 기술제휴, 250~300kW급 모듈을 개발 중이며 4개의 모듈을 결합해 1㎿급 용융탄산염 연료전지 발전시스템을 개발 중인 것으로 알려졌다.

기계연이 이번에 개발한 '촉매연소기 및 공기공급용 블로워' 기술들이 여기에 적용될 것으로 전망된다. 두산중공업은 천연가스를 외부장치를 이용하지 않고 내부 시스템에서 바로 수소로 바꾸는 내부개질형 용융탄산염 연료전지를 개발 중인 것으로 알려지고 있다.

현대자동차도 고분자전해질 연료전지 기술을 이용한 차량용 수소 연료전지를 개발 중이며 80kW급(승용차용)ㆍ200kW급(버스용) 수소 연료전지도 개발 중인 것으로 알려졌다.

◇수소 연료전지 보급의 걸림돌=수소 연료전지가 본격적으로 확산되려면 우선 수소를 안정적이고 저렴하게 공급하는 인프라를 구축해야 한다. 하지만 현재 이런 기술이 개발되지 않아 화석연료인 천연가스를 이용해 수소를 생산하는 방식으로 기술 개발이 이뤄지고 있다.

수소 연료전지 기술 상용화에 가장 앞선 일본은 올해까지 약 2,100가구에 가정용 수소 연료전지 보급사업을 추진하고 있다. 우리나라와 마찬가지로 도시가스망에 가정용 수소 연료전지 시스템을 연결한다.

국내에서 수소 연료전지 기술 개발이 본격화되려면 우선 보급사업이 일정 수준 이상 확산돼야 한다. 올해 총 100가구에 공급되는 가정용 수소 연료전지 시스템의 경우 약 8,000만원에 공급되고 있지만 업계에서는 이를 500만원(개인 200만원+정부지원 300만원) 수준으로 낮춰야 본격 상용화가 가능하다고 분석한다.