초록
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1. 개요
최근 들어 미래의 에너지 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 대안으로 연료전지를 꼽고 있다. 머지않은 미래에는 에너지의 수요와 공급의 불균형으로 인해 문제가 발생할 것이며, 몇십 년 후에는 화석연료가 고갈될 것으로 예상된다. 에너지 고갈에 대비하기 위하여 자원을 절약하는 것도 중요하지만, 화석연료를 대체할 신재생에너지의 개발이 무엇보다 중요한 시점에 도달했다. 연료전지는 연료(수소, 메탄올, 석탄, 천연가스, 석유, 바이오매스 가스, 매립지 가스 등)의 화학에너지를 전기화학반
1. 개요
최근 들어 미래의 에너지 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 대안으로 연료전지를 꼽고 있다. 머지않은 미래에는 에너지의 수요와 공급의 불균형으로 인해 문제가 발생할 것이며, 몇십 년 후에는 화석연료가 고갈될 것으로 예상된다. 에너지 고갈에 대비하기 위하여 자원을 절약하는 것도 중요하지만, 화석연료를 대체할 신재생에너지의 개발이 무엇보다 중요한 시점에 도달했다. 연료전지는 연료(수소, 메탄올, 석탄, 천연가스, 석유, 바이오매스 가스, 매립지 가스 등)의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 발전장치로서, 기존의 화력발전 기술보다 발전효율이 높고, 공해물질 배출을 줄이면서 전기와 열을 동시에 생산하는 기술을 말한다.
[표 1] 화력발전과 연료전지 차이
구분
화력발전
연료전지
효과
발전효율
35%
50~60%
에너지 절약, 온실가스 저감
연료
석유, 석탄
수소, 석유, 석탄, 천연가스,
바이오가스, 매립지 가스 등
에너지원 다변화
수소를 연료로 사용할 경우 연료전지의 기본 원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용하여 수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 것이다. 화력발전은 원자력이나 화력 등과 같이 물을 가열해 증기를 만들고 이 증기의 힘으로 터빈을 돌려 발전기를 가동하는데, 각 단계를 거칠 때마다 에너지 손실이 발생하기 때문에 전기효율은 30∼35%에 그친다. 그러나 연료전지는 중간에 발전기와 같은 장치를 사용하지 않아 운동에너지라는 중간 단계가 없으며, 단지 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 직접 생산하기 때문에 발전효율이 47% 이상으로 매우 높으며, 최근에는 발전효율을 지속적으로 높이기 위한 기술들이 개발되고 있다.
1960년대 제미니 및 아폴로 우주선용 연료전지를 시작으로 1970년대 환경문제가 부각되면서 가정용 연료전지 개발이 진행됐다. 일본도 오일쇼크를 계기로 연료전지 연구에 박차를 가했다. 한국은 2000년대 들어 연료전지 기술이 가장 앞선 미국으로부터 기술을 도입해 단시간 내 주요 부품을 국산화하는 데 성공했다. 현재 세계 최대 연료전지 회사는 포스코에너지이며, 그 뒤를 미국 블룸에너지, 일본 MHI, 캐나다 밸러드파워 등이 쫓고 있다.
[그림 1] 연료전지의 기본 작동 원리
전지는 아래 그림과 같이 다양한 전지로 나눌 수 있으며 핸드폰, 노트북PC, PDA 등 휴대용 기기가 보편화된 모바일 시대의 동력원으로 다양한 신산업 창출을 견인하고 있다. 특히, 하이브리드 자동차, 지능형 로봇 등 각국이 미래의 성장동력으로 손꼽고 있는 신산업은 고출력·중대형 전지의 개발 없이는 산업화가 불가능하며 전지산업의 발전과 전지의 고성능화가 지속적으로 요구되고 있다.
[그림 2] 전지의 분류체계
본 보고서는 최근 휴대용 기기의 융합화, 다기능화가 급속히 진전됨에 따라 소형이며 장시간 사용이 가능한 전지의 요구도가 더욱 높아지고 있는 시점에서 다양한 전지의 종류 중 연료전지에 대한 기술개발 동향 및 미래 시장 전망에 관하여 소개한다.
2. 연료전지 기술개발 동향 및 미래 시장 전망
연료전지는 앞에서 언급한 것과 같이 다양한 종류의 연료전지 기술이 존재한다. 대표적인 것으로 전해질의 종류에 따라 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 인산형연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 알칼리연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등으로 구분된다.
이 중 PEMFC, DMFC, PAFC는 저온형 연료전지로 분류되며 출력이 높을 뿐만 아니라 촉매작용도 빠르며, 부하추종성이 우수하다. 단점으로는 백금 등 귀금속 촉매를 사용해야 하며, 연료의 불순물에 크게 영향을 받는다는 것이다. 이에 반해 고온형 연료전지인 MCFC와 SOFC는 니켈과 같은 일반 금속 촉매를 사용하며, 연료를 다양화할 수 있는 장점을 지니고 있다. 다음 그림은 각 연료전지의 특성을 보여주고 있으며, 각각의 특성에 대해 자세히 살펴보도록 한다.
[표 2] 연료전지의 특징
구분
DMFC
PEMFC
MCFC
SOFC
PAFC
전해질
이온교환막
이온교환막
탄산염
지르코니아
인산
촉매
백금
백금
산화물
니켈
백금
동작 온도
50~100℃
50~100℃
550~700℃
600~1000℃
150~250℃
용도
휴대용
~1KW
수송, 가정,
휴대용
~10KW
대용량 발전
100KW~MW
소?중?대용량
1KW~10KW
중형 건물
200KW
실용화 시기
(국내)
2003
(2005)
2004
(2006)
2005
(2010)
2010
(2015)
1999
(2007)
연료전지는 휴대용, 가정용, 수송용, 발전용으로 응용 분야가 매우 광범위하며, 이에 따라 각 연료전지에 요구되는 성능 조건, 상업화를 위한 가격, 기준치 등을 정의하고, 다양한 연료전지 기술들이 다양한 시장수요를 만족시키기 위해 연구개발이 지속되고 있다.
[그림 3] 연료전지의 종류 및 응용 분야
2.1. 직접메탄올연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)
DMFC는 메탄올이 연료극을 통과할 때 촉매와 반응해서 전기를 발생하는 전지로 노트북, 휴대전화 같은 모바일기기용 전원으로 사용되는 리튬이온전지나 리튬-고분자전지와 달리 직접 충전은 할 수 없지만, 메탄올만 공급해주면 쓰는 시간을 크게 늘릴 수 있다. 직접메탄올연료전지는 고농도 메탄올을 쓸수록 더 작은 크기의 전지와 똑같은 출력을 얻을 수 있고 더 낮은 온도에서 쓸 수 있다. 하지만 메탄올 농도를 높이면 메탄올을 흡수해서 부풀어 오르는 현상이 생기고 연료전지 효율이 떨어지는 문제가 있다.
DMFC 분야에서 가장 발 빠른 업체는 애플이며, 애플은 한 번 충전하면 몇 주간 사용할 수 있는 수소연료전지를 개발, 관련 특허 출원에 많은 관심을 보이고 있다. 특히, DMFC는 수소와 산소의 반응을 이용해 전기를 생산하는 방식은 다른 연료전지와 같지만, 기체보다 에너지밀도가 높은 액체(메탄올)를 사용하기 때문에 시스템 소형화가 쉽다는 장점이 있다. DMFC는 메탄올만 공급하면 지속 전력을 생산할 수 있기 때문에 카트리지 등에 메탄올을 채워 직접 전력을 공급할 수 있을 뿐 아니라 2차전지 충전용으로 활용할 수 있어 휴대폰이나 노트북PC 등 모바일기기를 장시간 사용할 수 있게 한다. 이러한 특징 때문에 미국, 일본은 물론이고 우리나라도 수년 전부터 연구가 활발히 진행되고 있다.
일본의 NTT도코모와 후지쿠라는 후지쿠라가 신규로 개발 중인 1㎾급 DMFC를 도코모의 그린기지국에 설치하여 재해 발생 시 장기 정전 발생을 가정했을 때 연료전지의 운용 특성을 평가하는 실험을 진행하고 있다. 우리나라에서는 LG화학이 노트북PC용 전원장치 시제품을 선보였으며, 세계 최초로 DMFC로 구동되는 인간형 로봇 “휴보”를 한국과학기술원과 카이스트 공동 연구팀이 개발해, 국내 DMFC 기술력을 다시 한 번 입증하기도 했다. 최근 DMFC의 단점인 느린 반응속도와 메탄올 투과 문제를 해결하기 위해 국내 한 연구팀은 전해질 막 표면을 나노구조 계층으로 패턴화한 다음 산화 전극 특성을 극대화하고 반응속도를 높이는 실험을 하여 전력밀도가 최대 42.3% 향상되는 것을 실험을 통해 입증하였다.
최근 국내 DMFC 전문기업이 해외로 제품을 수출하기 위해 해외 수출 시 필요한 인증을 모두 획득하고 필드 테스트 검증에도 우수한 성적을 확보했음에도 불구하고, 자국의 인증제도가 마련돼 있지 않다는 사유 등으로 수출이 불발되는 사태가 초래되기도 했다. DMFC 업계 관계자 및 전문가들은 DMFC를 미래 중요 산업으로 인정해 관련 제도를 마련하고 있는 만큼 산업계의 애로사항은 물론 국내 DMFC 산업 활성화를 위해 관련 인증체계 마련에 대한 체계적인 계획 수립을 요구하고 있는 실정이다.
2.2. 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)
PEMFC는 촉매로 귀금속인 백금을 사용하며, 100℃ 미만의 저온 범위, 연료로는 수소를 사용하나 경우에 따라서 메탄올이나 천연가스를 사용한다. 반응물로 물만을 생성해 공해를 일으키지 않는 장점이 있으나 충전 시 많은 시간을 요구하고 에너지밀도가 낮아 자동차 동력원으로 사용할 경우 주행거리가 짧으며 배터리 수명이 짧아지는 단점이 있어 휴대기기용 전원으로 활용이 가능하다.
PEMFC의 경우 수송용으로 시장 잠재성이 매우 높은 상황이다. 수송용의 경우 일본 도요타에서 연료전지 자동차인 미라이(Mirai)를 출시, 홍보하기 위한 캠페인을 시작하였고, 혼다의 클리어리 연료전지(Clarity Fuel Cell) 자동차는 2016년 3월에 판매를 개시하였다. 국내의 현대자동차에서도 꾸준히 투싼 등 연료전지 자동차 및 버스를 생산하고 있다. 발전용의 경우 두산 퓨얼셀 아메리카에서 인산염연료전지를 메가와트 단위 스택의 출하량을 늘여가고 있다. 일본의 에네팜(Ene-Farm) 프로그램은 가정용 연료전지로서 140,000 유닛을 설치하였다. 휴대용 연료전지의 생산 또한 배터리를 충전하는 용도로서 점차적으로 시장을 확대하고 있는 추세이다.
PEMFC 경우 가장 큰 걸림돌은 화학적으로 안정적이고 뛰어난 성능을 발휘하는 백금을 사용하게 된다는 점이다. 100℃ 정도의 저온에서 작동되는 PEMFC에선 백금이 압도적인 성능을 보이기 때문에 비싼 가격에도 사용될 수밖에 없는데 백금의 가격이 비싸 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 그래서 이를 극복하고자 백금을 대체하거나 사용량을 최소로 하는 기술이 개발되고 있다. 백금과 유사한 전자구조를 구현하도록 여러 금속을 혼합하는 합금 방법과 그래핀(Graphene) 등의 비금속 계열 신소재를 대체물로 연구하는 노력이 최근 논의되고 있다.
2.3. 인산형연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC)
PAFC의 전해질은 인산염, 전극은 카본지(Carbon Paper), 촉매는 백금을 사용한다. 전해질인 인산은 전도성이 낮지만 안정도가 높고, 연료전지에 적합한 수명을 갖는 유일한 물질로 알려져 있다. 또한 증기압이 낮아 40℃에서 응고되기 쉬우므로 운전 온도는 150~200℃ 정도이며, 순수 발전 시 40% 내외, 열병합발전 시 최대 85%까지 효율을 높일 수 있다. 인산의 가격이 싸고 매장량이 많아 오래전부터 사용해 기술의 발전이 많이 이루어져 장시간 사용 시에도 안정된 성능을 보장한다. 그러나 지속적으로 공급되는 액체 전해질의 부식성, 고가의 백금촉매 등을 사용해야 하는 단점이 있다.
국내에서 PAFC 원천기술을 확보해 해당 분야의 국내시장을 선도하고 있는 기업은 최근 괄목할 만한 성장을 이룩한 두산퓨얼셀이다. 두산퓨얼셀은 남동발전 분당, 동서발전 일산, 서부발전 서인천, 남부발전 신인천 등 수도권 지역 발전소에 설치되는 연료전지 사업을 연이어 따냈다. 또한 지난해 전북 익산시에 약 400억 원을 투자해 연료전지 생산공장을 건설하면서 기존 포스코에너지를 꺾고 업계 1위로 도약할 것으로 전망된다. 국내 최대 규모의 두산퓨얼셀 익산공장은 연간 440KW용 144대, 총 63MW 규모의 연료전지 생산이 가능하다.
SK건설은 올해 한국도로공사, 한국중부발전, 경동도시가스 등 3개 회사와 1,200억 원 규모의 “남양산 연료전지 발전사업을 위한 공동개발 협약서”를 체결하였다. 해당 사업은 경남 양산시 남양산IC 유휴 부지에 발전용량 20MW 규모의 PAFC 발전소를 건설하고 운영하는 개발형 사업으로, 2019년 착공에 들어가 2020년부터 상업 운전을 목표로 하고 있다.
2.4. 용융탄산염연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)
MCFC는 융용탄산염을 다공 세라믹 매트릭스에 녹인 것을 전해질로 사용한다. 백금촉매 대신 니켈촉매 사용으로 경제성이 높고 열병합발전에 유리하다. 그러나 전해질이 액체이기 때문에 장시간 운전하는 경우 용융탄산염이 증발하여 전해질의 양이 줄어들어 장기적으로 성능을 저하시키는 원인으로 작용한다.
MCFC 관련 대표적인 기업은 포스코에너지이다. 포스코에너지는 MCFC 시장수요에 적극 대응하고자 지난 2008년부터 2011년까지 약 3,000억 원을 투자해 포항에 BOP·스택·셀 공장을 잇달아 준공했으며, 최근까지 연료전지사업을 위해 인력 확충, 기술개발, 생산공장 건설 등에 투자한 금액만 총 6,200억 원에 달한다. 이처럼 포스코에너지는 연간 100㎿ 규모의 MCFC 시스템을 생산할 수 있는 기반을 조성했으며, 2015년까지 포항연료전지공장에서 연간 40~50㎿ 규모의 발전설비를 생산해내고 있다.
SK건설은 지난 2014년 9월 고덕차량기지 내에 20MW급 MCFC 발전소를 건설했다. 이곳에서는 현재 연간 1억 7,000만 KWh의 전력을 생산해 인근 강동 지역에 공급 중이다. 이외에도 20㎿급(2.5㎿×8대) MCFC 발전설비를 운영 중인 노을그린에너지는 상업 운전 시점부터 현재까지 실시간 출력과 발전량 트렌드, 효율 특성 등을 지속적으로 관리하여 지난 2017년 1월부터 연말까지 1년간 총 발전량은 17만 1,730㎿h(1억 7,173만㎾h)로 정격용량 대비 98.02%의 이용률을 보였다. 특히 스택 모듈의 수명을 고려한 예상보정 전기출력량(EIAPP) 기준으로 환산 시 이용률은 98.41%를 기록했다.
2.5. 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
SOFC는 산소 이온에 대한 전도성이 있는 금속산화물을 전해질로 사용하며, 작동온도는 금속산화물이 산소 이온에 대해 충분한 전도성을 가질 수 있도록 800℃ 이상이다. 전해질은 지르코니아 등 수소 혹은 산소 이온이 통과 가능한 고체산화물을 활용하며, 연료의 융통성, 비귀금속 촉매, 완전한 고체상의 전해질 등의 장점이 있다. 그러나 가장 큰 단점은 작동온도가 높아져 시동시간이 길어지고 기계 및 화학적 호환성 문제가 발생한다는 것이다.
고난이도 기술력과 다양한 기술의 집적을 통해 구현할 수 있는 SOFC의 빠른 국내 산업화의 필요성을 인지해 기업들이 2015년에 발족한 “SOFC포럼”에서는 정부가 추진한 “신재생에너지 표준화 및 인증지원 사업”에 SOFC포럼이 제안한 SOFC KS표준(안) 마련이 선정되면서, 지난 5월 한국에너지기술연구원을 주축으로 인증 마련에 돌입했다.
[그림 4] 대표적인 SOFC 관련 업체
SOFC포럼의 제안으로 선정된 KS표준(안)은 향후 2년간 SOFC의 발전시스템 성능평가 기반 구축을 최종 목표로, KS인증을 위한 KS표준(안) 및 성능평가 기준·방법을 마련하는 것을 목표로 추진된다. 또한 포럼에서는 2020년 국내 건물용 연료전지 시장규모가 1조 원이 될 것으로 전망하였으며, 국내시장에서 SOFC 시스템의 생산계획을 연간 20㎿급으로 세우고, 2018년 9월부터 시작되는 출범 2차년도에서도 지속적 SOFC 시스템의 연구개발을 진행할 계획이다. 업계에서는 SK건설이 오는 10월, 분당 열병합발전소 내 국내 최초로 고체산화물연료전지를 활용한 발전설비의 준공을 앞두고 있다.
그러나 SOFC를 활용한 상용화 전망은 그리 밝지만은 않다. SOFC는 대규모 발전용이지만, 화력발전소와 같은 초대형 발전 시 기술적 한계로 난관에 부딪히고 있다. SOFC는 600~800℃의 고온에서 작동하는 특성이 있어 항상 그 온도를 유지해야만 작동한다. 현재로서는 고온을 유지하는 기술이 부족해 SOFC로 구성된 거대한 발전소를 설계하는 데 제약이 따른다.
3. 결론
한국산업마케팅연구소 보고서에 의하면, 연료전지 보급량은 과거 2010년부터 2014년간 연평균 약 47%씩 성장하여 태양열(-1%), 태양광(35%), 풍력(8%) 등에 비하여 신재생에너지원 중 가장 빠른 성장세를 보이고 있으나, 2014년 기준으로 보급량은 199.4천 toe 수준으로 전체 신재생에너지 공급량의 1.7%에 불과해 보급 활성화 지원방안 수립이 필요하다.
최근 세계 연료전지 산업체들은 산업경쟁력을 확보하여 시장에서 생존하기 위해 치열하게 노력하고 있다. 아직 정부의 지원 없이는 시장에서 생존할 가능성이 매우 낮은 현실에서 Ceramic Fuel Cell Ltd.와 European SOFC micro CHP operation 등 몇몇 산업체는 연료전지 사업을 포기하고 M&A되었다. 그러나 여전히 Electro Power systems(미국)와 같은 새로운 회사들이 시장에 성공적으로 진입하는 등 연료전지 시장에 뛰어들었고 현재 많은 연료전지 유닛들의 출하량은 지속적으로 증가하는 등 시장은 여전히 성장하고 있다. 최근 정부도 2030년까지 재생에너지 발전량 비중을 20%까지, 누적 설비용량을 63.8GW까지 끌어올린다는 “재생에너지 3020”의 구체적인 이행계획을 발표한 바 있다.
환경친화적 에너지 운반체인 수소가 에너지의 근간이 되어 석유 경제를 대체하는 수소경제 시대의 도래를 대비하여 현재 자동차, 전자, 에너지 및 화학 분야 글로벌 기업들이 연료전기 개발에 적극 참여하고 있다. 현재 우리가 상시 사용하고 있는 휴대폰, PMP, 노트북 등에는 상용 리튬이온전지를 사용하고 있는데 용량과 안전성이 상충관계에 있으며 에너지 용량 증가가 기술적으로 어려운 시점에 와 있다. 따라서 연료전지는 고출력 상용정보통신장비의 전원에 대한 시장의 신규 수요 및 시장성이 매우 높고, 이러한 점에서 상품성으로 높이 평가받고 있다.
연료전지는 시스템 생산자를 정점으로 다수의 부품 및 소재 기업들이 참여해야 하는 융복합 사업이며, 산업적 측면에서 고용창출과 시장 파급효과가 매우 큰 산업이다. 게다가 기술 자체가 기술집적도가 매우 높아 후발주자들이 높은 기술 장벽을 극복하기 어렵기 때문에 초기 시장 진입에 성공할 경우 시장을 지배할 수 있다. 따라서 세계 환경정책, 고용효과, 세계시장 전망, 경쟁 여건 측면에서 육성이 꼭 필요한 장치산업이다.
차세대 전지는 석유 등 자원 고갈의 문제, 지구온난화 해결을 위한 국제사회의 노력 등으로 인해 미래의 핵심기술로 인식되고 있으며, 자동차, 로봇, 드론, 기존 송전 방식의 변화 등 차세대 성장동력 산업에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다.
References
1. 네이버 지식백과, 환경을 생각하는 연료 전지, http://terms.naver.com/
2. 주간기술동향 통권 1328호, 정보통신기술진흥센터, 2007.12
3. 박영빈, 체내 응용이 가능한 섬유형 생체연료전지 연구, 한양대학교, 2018.02
4. 장광연, 고분자전해질 연료전지 촉매층에서의 백금이용률과 산소전달 향상을 위한 촉매지지체 설계, 과학기술연합대학원대학교, 2018.02
5. 조은애 등 3명, 자동차용 연료전지의 이해, KIST, 조선대학교, 2015.10
6. 서현골, 연료전지의 종류별 특징과 PEMFC의 원리, https://otaknoid.blog.me/
7. 전기신문, http://www.electimes.com/
8. 가스신문, http://www.gasnews.com/
9. 신소재경제, http://www.amenews.kr/
10. 고대신문, http://m.kunews.ac.kr/
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