고효율·저가·편리한 공정이 매력… 연료전지 기술의 `꽃'
전문가 “개발완료 양산시 재래발전 단가와 경쟁 가능하다”
부시, 수소^연료전지에 총30억弗 투자… 개발^상용화 박차


부시 미국 대통령은 지난 1월 28일 연두교서에서 수소 연구를 위해 미화 12억불을 투자하겠다고 발표했다. 이 기금은 수소와 수소추진 자동차의 연구기금으로 사용된다. 이 계획은 `Freedom FUEL'이라고 불리워진다.
또한 연료전지를 이용한 자동차 개발을 위해 미화 17억불을 사용토록 제안했다. 이 계획은 `Freedom CAR'이라고 칭한다.
이 연구기금과 사용금은 이달중 미국 에너지성에 의해서 구체화된다. 미국의 연료전지협회는 회원들에게 보내는 메시지를 통해 새로운 계획과 함께 수소와 연료전지 이용에 관한 구체적인 실행 계획을 준비토록 했다.
부시 대통령은 그의 연설문에서 “수소와 산소의 단순한 화학반응이 에너지를 발생하며 그것으로 자동차에 동력을 공급하고 부산물로 순수한 물을 생산한다.… 이 중요한 개혁에 나와 동참하자. 그리하여 공기를 깨끗하게 함은 물론 에너지를 수입에 의존하는 국가에서 탈피하자.…”라고 강조했다.
이처럼 부시 대통령이 연두교서를 통해 연료전지 연구개발에 투자를 대폭 확대키로 발표한 것은 차세대 에너지원으로서 연료전지의 중요성이 한층 부각되고 있기 때문이다.
이에따라 본지는 세계적으로 연료전지 기술의 현주소를 짚어보고 향후 성장 가능성을 점검해 보고자 한다.
<편집자 註>

■ 알카리형 연료전지: 높은 효율·저렴한 가격이 매력
최근 몇 년사이 연료전지 주요 기술의 대부분은 고분자전해질(Proton Exchange Membrane)형 연료전지에 집중됐으며 한동안 인산형 연료전지(Phosphonic Acd)도 빠르게 확산되어져 왔다. 또한 비교적 고온선택인 고체산화물형(Solid-Oxide)과 용윤탄산염형(Molten Carbonate) 연료전지가 부각되기도 했다.
그러나 연료전지의 최신기술은 단연 알카리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell) 이다. 저온연료전지의 어떤 형보다도 최고 효율을 자랑하며 동시에 가격이 매우 저렴하다는 것이 매력이다.
위에서 언급한 연료전지들은 전해질로 사용되는 물질의 형태에 따라서 달라지는 것이다. 연료전지에서 전해질은 양전자와 음전자를 분리시키고 전기회로를 완성시키는 이온 전달매체로 작용한다.
알카리 전해질을 사용하는 연료전지는 대표적으로 수산화 칼륨이며 가장 좋은 성능 기록을 자랑한다. 또 어떤 연료전지 기술보다 가장 오랜 역사를 가지고 있다. 한 알카리형 연료전지가 1959년에 Allis-Chalmers의 한 농장에서 실험적으로 전력을 생산한 바 있으며 1968년에는 GM사의 밴에 실험적으로 사용된바 있다.
그리고 알카리형 연료전지는 1965년에 Pollo capsule이 비행하기 시작한 이후 우주항공기를 위한 전력을 제공해 왔다. 오늘날 알카리형 연료전지는 우주왕복선에 전력을 공급하며 그 부산물로 생산되는 물은 우주인들의 음료수로 사용된다.
그러나 대부분의 연구개발가들은 지구상의 이용 때문에 여러가지 이유를 들어 다른형의 연료전지를 추구해왔다. 재래적인 지혜에 따르면 알카리형 연료전지는 이산화탄소에 대단히 민감해 이로 인해 순수한 수소와 산소가 공급돼야 한다는 것이다. 다른 연료전지는 순수하지 못한 이산화탄소로 인해 수소를 사용할 수 없다는 것이다. - 마치 천연가스와 같은 화석연료로부터 도입된 수소에서 발생하는 것처럼 그리고 산소로서 공기를 사용할 수 있는 것과 같이 -
알카리형 연료전지에서는 수산화 칼륨 전해질이 고체 탄화칼륨을 형성하는데 연료내의 어떤 이산화탄소의 불순수성과도 반응할 수 있다. 만일 고체 탄화 칼륨을 제거시키지 않으면 전해질의 성능을 현저하게 감소시킬 수 있다. 이와 같은 CO2의 민감성은 우주선에서는 문제가 되지 않는다. 왜냐하면 우주선은 순수한 수소와 산소를 휴대하기 때문이다. 그러나 이것이 지상에 와서 적용할 때는 문제를 도출시킬 수 있다.
연료전지를 위해서 수소를 발생시키는 많은 접근이 이산화탄소를 발생시키기 때문에 우주항공계획 외에는 다른 알카리 연료전지의 개발이 지연돼 왔다.
바로 이같은 이유가 우주선에 알카리 연료전지를 공급하고 있는 International Fuel Cell(IFC)사가 알카리 연료전지 기술을 지상에서 적용시키지 않은 이유이다. 역시 IFC 대변인은 알카리 전해질은 부식성이 있어 작동시키는데 많은 어려움이 따른다고 말했다. 그러나 수산화 칼륨은 여타의 연료전지에 사용한 산(酸)보다는 적게 부식된다.
IFC 대신 United Technologies Company는 200kW의 PC25 인산형 연료전지를 제작하고 있으며 200 units 이상을 공급했다. 한편 이 UTC는 수송용, 주거용 그리고 산업용에 사용하기 위해 PEM 연료전지를 개발하고 있다.
알카리형 연료전지를 뒷전으로 미뤄뒀던 회사들 중에는 에너지 벤처기업들이 포함되어 있다. 연료로서 메탄올을 직접 사용하는 PEM형 연료전지를 추구하고 알카리형 연료전지에 대한 노력은 별로 기울이지 못했다. 그리고 Full Cell Technologies Corp도 현재 고체산화물형 연료전지와 금속공기 연료전지 개발에 박차를 가하고 있다.

■ 알카리형 연료전지의 장점
미국에서는 현재 몇 개 회사들이 앞다투어 알카리형 연료전지 개발에 매우 의욕적으로 뛰어들고 있다. 이들은 Astris Energy, Apollo Energy Systems(舊 Electric Auto Corp), GreenVOLT 그리고 Cenergie 사 등이다. 이중 Cenergie사는 영국의 알카리형 연료전지의 선구자인 Zetek사에 근간을 두고 미국의 애틀랜타에서 새롭게 탄생한 회사이다. Zetek사의 파산 이후 Genergie사로의 새출발은 알카리형 연료전지의 충분한 가능성을 보여주고 있다. 이는 염가의 재료를 사용할 능력이 있음을 보여주고 있으며 최고의 효율과 제작상의 용이를 다음과 같이 제시하고 있다.
△ 저가의 재료
연료전지 스택(stack)에 있어 주요 부품은 전해질, 촉매 그리고 전극이다. 이 모든 부품이 알카리형 연료전지에서는 낮은 가격의 품목들이다. 알카리형 연료전지에서 전해질로 사용되는 수산화 칼륨은 쉽게 구할 수 있는 일반적인 재료이며 연료전지에 사용되는 것은 동전 한 개정도의 양으로 값이 아주 저렴하다. 한편 인산형 연료전지도 역시 저가이나 PEM에 사용되는 전해질은 막(membrane)으로 구성된 고가의 합성 폴리머가 사용된다.
고체산화물형 연료전지(SOFC)는 액체전해질을 사용하는 것이 아니라 고형 세라믹 재료를 사용한다. 이것 역시 수산화 칼륨보다는 고가이다.
모든 연료전지는 전기를 생산하는 전기화학 반응의 효율을 개선시키고 그 반응률을 가속화 시키기 위해 촉매를 사용한다. PEM 연료전지에서는 촉매로서 백금이 요구된다. 아니면 고가의 귀금속(금, 백금)이 요구되는데 이들은 이미 녹아있는 상태도 아니고 산화와 같이 쉽게 반응하지도 않는다.
어떤 분석자들은 현재 백금을 사용하는 PEM 연료전지가 만일 대량으로 팔리게 된다면 백금은 얼마안가 세계적으로 고갈될 것이라고 예측한 바 있다. 만약 그 수요가 증가하면 새로운 광산이 개발될 것이니까. 이와 같은 예측은 아마도 과장된 것이다. 설령 그렇게 된다고 해도 세계 백금시장에서 이같은 압력이 백금값을 인상시키는데는 수 년이 걸릴 것이다.
알카리형 연료전지는 백금과는 잘 반응한다. 그러나 Astris 등 몇몇 회사에서는 역시 다양한 저가의 금속을 개발해 왔고 백금이 필요치 않는 금속산화물을 개발하는데 노력해 왔다. Cenergie사는 그 설계를 위한 촉매로 은(銀)과 저가의 금속산화물 등을 포함시킬 것이다.
Apollo Energy Systems사에서는 한쪽 전극에만 백금을 사용하기 때문에 산을 사용하는 연료전지보다 정밀금속을 훨씬 적게 사용하게 된다. 인산형 연료전지 역시 백금 촉매를 사용한다. 그러나 고온 연료전지(고체산화물형과 용융탄산염형)에서는 니켈 합금과 같은 저가의 재료를 사용한다.
알카리형 연료전지는 역시 저가의 재료로서 만들어진다. 예를 들면 Astris사에서는 탄소와 플라스틱으로 만든 전극을 사용한다. Zetek사는 비슷한 재료를 사용하고 그 전극이 양산을 위해 설계됐다고 보고 한 바 있다. Zetek사가 지난 2001년 말 파산을 선포했는데 그 이유가 외형상으로 사업계획과 연계돼 있었다. 예를 들면 Zetek사의 연료전지에 의해서 가동될 10여대의 자동차가 유럽의 도로를 누비고 있었다는 것은 그 파산이 기술적인 문제 때문은 아니라는 것이다. 고체산화물 연료전지는 전극용으로 저가의 니켈과 금속산화물을 사용한다. 한편 PEM 장치는 여비산 탄소합성물을 사용한다.
Astris사는 연료전지를 위한 재료가 약 $200/kW에서 250/kW로 예측한다. 전력밀도를 그 설계에 따라 증가시키면 그 값을 반으로 줄일 수 있다고 기대하고 있다. PEM 연료전지에서는 전극만으로도 $320/kW 이상의 고가가 들어간다. PEM 회사들은 저가의 전극 재료를 개발하기 위해서 노력하고 있지만 알카리형 연료전지는 재료값이 PEM의 절반의 절반도 안돼 앞으로 다가올 미래가 기대된다.
Cenergie사는 미국에서 7대 에너지 그룹인 Allied Utility Network 그룹, 애틀랜타에 소재한 조지어 공대 및 텍사스 A&M 대학 등과 협력해 공동으로 연구 개발하고 양산 준비도 하고 있다.
한편 Cenergie사는 연료전지 뿐만 아니라 태양열, 폐기물 등을 연료전지와 같이 이용하는 복합 대체에너지 사업도 추진 중에 있다.
△ 고효율
알카리형 연료전지가 다른형의 연료전지보다 효율이 높은 것은 사실이다. 이는 알카리 전극 고유의 효율에서 발생한 것이고 시스템 고려에서도 생긴 것이다. 이러한 특성 때문에 알카리 전극은 다른 연료전지에서 사용하는 산성 전극보다 높은 전도성을 가지고 있으며 더 높은 전기화학적 효율을 지니고 있다. 이는 PEM형 연료전지보다 일정전류에서 높은 전압을 발생시킨다. 어떤 적용에서는 고온 연료전지는 더 높은 시스템 효율을 달성할 수도 있는데 이는 공기정화장치가 필요없고 연료전지로부터의 방출열을 가스터빈을 구동하는데 사용할 수 있다. 이 경우 70% 이상의 효율을 올릴 수 있다.
알카리형 연료전지는 50∼60% 이상의 전기효율에서 운전될 수 있는 능력을 가지고 있다. 즉 50∼60%의 수소연료 에너지가 전기로 전환된다. 연료전지로부터 나오는 저급의 폐열 역시 공간 난방과 가정온수용으로 사용될 수 있다. 이렇게 되면 사용된 연료의 전체 효율을 80%까지 상승시킬 수 있다. 실제로 부가되는 손실을 포함하면 Zetek사는 그들의 생산 모델에서 약 52%의 효율을 보고한 바 있고 Astris와 Greenvolt는 50% 이상의 효율을 보고하고 있다. 또 Apollo는 60%에 가까운 효율을 제시했다.
알카리형 연료전지는 또한 대기압하에서도 효과적으로 작용될 수 있다. 따라서 PEM 설계에서 많이 요구되는 공기압축기를 구동하는 전력이 필요없다. 어떤 PEM 개발자들은 PEM 연료전지의 효율을 향상시키기 위해 보다 높은 압력에서 가동될 수 있는 제품을 설계해 왔다. 이처럼 고압에서 가동하면 백금의 양도 줄일 수 있다. 그러나 이와 같은 장치나 과정은 많은 오염구조물에서는 경비가 추가적으로 들어가고 전력 또한 부가적으로 필요하다. PEM 연료전지의 부가적인 손실은 20%가 되거나 더 많을수도 있다. 이는 PEM 연료전지는 압축기를 구동시키고 막의 습기를 유지하는데 전력이 필요하기 때문이다.
알카리형 연료전지에 대해 Astris사는 다음과 같이 보고한 바 있다. 펌프, 송풍기, 집진 장치와 같은 시스템과 모든 보조장치는 생산된 전기의 5% 보다 적게 사용된다는 것이다. 이처럼 알카리 연료전지가 PEM 장치보다 비교적 적은 부가 손실이 발생하는 것도 좋은 부하 성능을 지니고 있기 때문이다.
△ 용이한 제작
알카리 연료전지에서 사용될 저가이고 색다르지 않은 재료들은 용이한 제작기술에 잘 적용될 수 있음을 뜻한다. Zetek사는 파산하기 전 독일 쾰론에 첫번째로 자동화된 연료전지 생산공장을 설립했다.
이 공장에서는 생산공정에 표준적인 제작공정을 도입했으며 이 공정은 고무를 생산하는 것과 같은 재래적인 공정과정과 비교됐다. Apollo사는 최근 쾰론공장의 구매제안을 수용한다고 알리고 그 연료전지의 설계는 그와 동일한 장치를 사용해 제작될 수 있다고 보고했다. 이 회사는 2002년 8월이나 9월에 그 공장에서 생산이 시작되기를 희망했었다.

■ 결론 및 건의
알카리형 연료전지는 다른 연료전지 기술에 비해 크게 많은 관심을 끌지 못했다. 그리고 사실상 알카리 연료전지는 우주선 응용 이외는 타 응용분야에서 썩 좋게 평가되는 것도 아니었다. 물론 잠수함에도 사용되고는 있지만 오랫동안 소외돼 온 것은 사실이다.
그러나 알카리 연료전지는 저가 재료를 사용할 수 있고 고효율이 가능하다는 것 때문에 분산발전용으로 신뢰할 만한 기술임에는 틀림없다. 모든 연료전지 개발자들은 이것이 100% 개발되고 양산될 때는 재래발전 단가와 경쟁되는 기술로 값이 형성될 수 있다고 예측하고 있다. 또한 현재 최저가의 재료를 사용하고 최고의 효율을 제공하는 알카리 연료전지는 이들이 목표로 하는 성공을 이룰 수 있는 최적의 기회를 가졌다고 보고 있다.
최근 미국에서는 PEM형 연료전지에서 알카리형 연료전지 쪽으로 움직임이 크게 변화되고 있다. 1kW 이상급의 PEM형 연료전지는 해결되지 않은 기술적 문제들이 너무도 많다는 것이다. 이중 한 문제는 막에도 있는 듯 싶다. 그 막이 24시간 습기로 유지돼야 하는데 일정 상태의 습기를 유지시키기란 불가능 하기 때문이다. 그래서 이들은 알카리형 연료전지에 미래를 걸게 됐다.
한국 정부도 지난달말 대체에너지 중 풍력, 태양광, 연료전지 세 개 사업에 투자를 집중하겠다고 발표한 바 있다. 정부의 정책방향과 함께 우후죽순처럼 생겨나는 기업들의 능력을 잘 파악해 실용 가능하고 미래 지향적인 선별적으로 실천함이 필요할 것이다.
특히 위에서 언급한 바와 같이 알카리형 연료전지의 특수성을 확인하고 생산성과 기술적으로 가능성 여부를 미리 엄밀하게 검증함이 필요하다.
우리가 생각지도 못했던 첨단기술이 선진국에서는 실행에 옮겨 경제성 있는 제품들이 생산되고 있음을 직시해야 할 것이다.


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