미래 핵심에너지원으로 자리매김 기대

수소를 에너지원으로 사용하는 연료전지는 태양에너지, 풍력 등과 함께 차세대 대체에너지로 각광받고 있고 산업자원부에서도
이들 3개 대체에너지를 집중 지원한다는 계획을 세워놓고 있다.
연료전지는 특히 수소와 공기중의 산소를 이용해 전기와 열을 생산하는 고효율 저공해 신에너지기술이며, 여기에 연료로 사용되는 수소도 기존 에너지체계에 적용이 가능한 무공해 청정 대체연료로 향후 상용화 가능성이 매우 크다는 평가다.
이들 연료전지와 수소의 기술개발과 활용촉진을 위해 한국에너지기술연구원(원장 손재익)과 주한 불란서대사관은 지난달 ‘한불 연료전지 및 수소 공동세미나’를 개최하고 6人의 불란서 전문가와 5人의 국내 전문가들을 초청해 이에 대한 열띤 토론을 나눴다. 다음은 세미나의 주요 발표내용.



　■ 미래 에너지로 기대되는 수소
　〈띠에르 알로, 프랑스 수소협회 회장〉

18세기 중엽부터 본격적으로 개발되기 시작한 폴리머 전해질(Polymer Electrolyte) 연료 전지는 당시에는 연료보다는 스택 요소에 더 초점이 맞춰졌다.
19세기 중반 이후 스택 요소 기술이 고도로 발전함에 따라 연구는 전지에서 연료로 확대됐다.
전문가들은 수소가 미래의 새로운 에너지 운반체가 될 것이라는 사실에는 이의가 없지만, ‘언제 등장하는 것이 좋을 것인가?. 이는 직접 아니면 가솔린, 메탄 혹은 메타놀 리포밍처럼 과도기적인 전략을 통해서 추진될 것인가?’ 라는 두 가지 논점에 대해서는 의견이 분분한 상태다.
그 이유는 이 문제가 제 1차 원료에서의 생산, 운송, 저장, 사용 등 기술적인 변수, CO₂ 방출과 교토 약정서 등 환경적인 변수, 에너지 의존성와 녹색당의 비중 등 정치적인 변수, 화석 연료와의 비용 비교, 세수(稅收) 등 경제적인 변수, 일반인의 수용 등 사회적인 변수 , 안전, 규정 등등과 같은 너무 많은 변수가 많아 사안이 복잡해졌기 때문이다.
이러한 지금의 상황과 앞으로 취해야 하는 전략적인 선택 사항이 미치는 결과를 고려하여, 관련 주체들은 프랑스 수소 협회(AFH2)와 유럽 수소 협회(EHA)와 같은 국가 수소 협회를 통해서 이 문제에 대해 같이 협력해야 할 필요성을 느끼게 되었다.
이 협회들은 수소와 관련된 다양한 분야의 개발에 대해 적절하게 결정을 내리기 위해서 이중 목표를 가지고 있는데 일반인의 정보와 지배 계층의 정보가 그것이다.

　■ 한국에서의 수소 에너지 연구개발 현황
　〈심규성, 한국에너지기술연구원〉

한국에서는 1979년 제 2차 세계 석유 파동 이후 수소 에너지에 대한 R&D가 시작되었다. 1989년, MOST가 제 1차 수소 에너지 프로그램의 일환으로 수소 생산, 저장 및 안전에 대한 R&D를 개시하였으나 이는 3년만에 종료되었다. 그 후, 수소 에너지 R&D 작업은 산업자원부가 후원하는 대체 에너지 R&D 프로그램의 일환으로 지원되었고 국내 대학들이 대부분 추진하는 기본 R&D 단계에 속하게 되었다.
2000년에 제 2 차 수소 에너지 R&D 프로그램이 MOST 후원 하에 개시되었다. 이 프로그램의 1단계는 2000년부터 5년 동안 약 미화 5백만달러의 R&D 자금을 투입하여 물 분해를 통한 수소 생산 R&D 분야를 진행하는 것이다.

　■ 금속 막 정제(Metal Membrane Purification) 모듈을 사용하는 고순도 수소 발전기
　〈한재성, SK 대덕기술연구소〉

메타놀 물 혼합물에서 99.9995% 이상의 고순도 수소를 10Nm³/hr 생산할 수 있는 소형 현장 수소 발전기에 대해 설명한다면 이 시스템은 수소가 풍부한 리포밍 가스를 얻기 위한 메타놀 스팀 리포머와 리포밍 가스에서 고순도 수소를 회수시키기 위한 금속 막 정제 모듈로 구성되어 있다.
이는 공업용 현장 수소 공급기로써 아니면 연료 전지용 연로 프로세서로써 사용될 수 있다.
금속 막에 의한 수소 회수율은 약 75%이며 나머지 25%의 수소는 연소 지역에서 재활용되어 태워져 흡열 리포밍 반응용 열을 공급하게 된다. 메타놀 피드와 생성 수소의 발열량이 높기 때문에 이 시스템의 전체 열 효율은 82%로 계산된다.

　■ 한국에서의 연료 전지 개발 현황
　〈김하석 교수, 서울대학교〉

화학 에너지를 곧바로 전기로 전환시키는 연료 전지는 자동차와 기타 차량용뿐만 아니라 주택, 건물 그리고 공업용의 깨끗한 전기를 공급할 수 있다. 또한, 이산화탄소 방출량이 적으며 연료 효율이 높고 응용 분야가 다양하다. 국내에서는 연구소(KIER, KIST, KATECH), 대학(서울대, 경북대, 연세대, 울산대) 그리고 기업(삼성, LG 화학, 현대 자동차)에서 연료 전지 개발이 이뤄지고 있다.
특히 촉매 개발과 특성, 스택용 운영 패러미터의 평가, PEMFC와 DMFC용 메타놀, 메탄 그리고 가솔린에서의 연료 처리 기술에 대해 중점적으로 다뤄지고 있는데 이는 이들이 차량 및 가정용으로 유리한 방식을 제공하기 때문이다.

　■ 수송용 연료 전지
　〈 블라보아, 벨포르-몽텔리아르 기술대학〉

양성자 교환 막은 저 방출 차량의 추진을 위해 가장 유망한 기술 중 하나이다. 그렇지만, 상업적인 연료 전지로 움직이는 차량이 출시되기까지는 넘어야 할 장애가 매우 많다. 그 중에서 무엇보다도, 파워트레인, 차량 시스템과 연료 공급 기반 시설을 전체적으로 고려하여 이를 효율적으로 최적화 시켜야 한다.
이러한 목표를 달성하기 위해 프랑스의 정부 연구 부서에서는 SPACT(운송용 연료 전지 시스템)라고 불리는 프로젝트를 도입하였다. CEA(프랑스 국립 핵 연구 센터), INRETS(국립 운송 및 안전 연구소), GREEN(낭시 전자 및 전자 기술 연구소)와 함께, L2ES가 이 프로젝트에 관여하고 있다. 이 프로젝트의 목표는 차량의 파워트레인(powertrain) 모델링에 쉽게 포함될 수 있는 연료 전지 동력 발전기에 대해 전체(global) 모델링을 수행하며, 스택에서의 동력 전자 시스템의 영향력을 조사하고, 근원(well)에서 추진력(wheel)에 이르기까지 전 시스템의 전체 효율성을 평가하는 것이다.
이러한 조사 활동으로 인해 연료전지 스택 및 보조시스템을 실제 사용상태에서 시험해야 할 필요성이 대두되었고 현재 연료전지 시스템 시험 플랫폼이 프랑스의 벨포트에서 실행되고 있다. 이 플랫폼은 오픈 시스템 시험벤치로 구성돼 있으며 200kW까지의 동력용 연료 전지 시스템을 수신할 수 있다. 모든 계장(instrumentation) 가능성이 제시되므로, 운송 제약 사항을 고려하여 설계 절차에서부터 압축기 익스팬더 등 연료 전지 보조 시스템이 최적화될 수 있을 것이다.
운송 제약 사항 중에는, 시간 응답, 열 행태, 차량의 실제 사용과 on-off 사이클이 미치는 영향력, 고 동력 저장 장치를 사용하는 파워트레인 혼합의 효과, 진동의 효과 혹은 차량과/혹은 연료 공급 기반 시설에서 나오는 가스 오염원 방출이 미치는 영향력 등이 있다. 여러 가지의 연료 공급이 제안될 것인데, 처음에는 순수 수소만이 고려되나 나중에는 천연 가스 혹은 메타놀 리포머도 이행될 것이다. 플랫폼은 운송을 에뮬레이션할 수 있는 영구 자석 인휠 모터와 같이 실제 동력 전기 로드도 제공할 것이다. 이러한 방식으로 전체 연료 전지 파워트레인의 실제 효율을 측정할 수 있으며, 이러한 파워트레인에서 최고의 디자인과 최고의 제어를 유도할 수 있다. 그렇지만, 시험 플랫폼은 1차적으로 폴리머 전해질 연료 전지, 다른 유형의 연료 전지 수신용이다. 예를 들면, 고체 산소 연료 전지도 환영받는다.
플랫품의 또 다른 중요한 목표는 운송 상황에서 연료 전지의 장기 시험이다. 개인 및 대중 차량의 제약 사항은 엄격한 신뢰도를 부과하는데 이는 구성 요소 뿐만 아니라 전체 시스템에 대한 진단을 필요로 한다. 게다가, 인버터에 의해 유도되는 펄스 전류와 끊임없이 변동되는 로드에 의한 사이클은 자재의 노후화를 유발할 수 있다. 폴트의 편재화는 좀 더 상세한 설계와 사전 유지 보수를 위해서 중요할 것이다. 물리 현상을 파악하려면 연료 전지 재료 전문가와의 협력이 아주 중요하게 될 것이다.
시험 플랫폼은 연료 전지 시스템에 대한 활동을 연구하고 이 사안에 대해 제조사와 실험실간의 시너지 효과를 유발하기 위한 것이다. 그러므로, 연료 전지 사용 시 자사 제품의 효율성, 신뢰도 혹은 최적화를 조사하고자 하는 민간 제조사는 이 플랫폼을 임대할 수 있다. 그러므로 이 플랫폼을 장려하기 위해 프랑스 정부는 벨포트에 국립 기술 연구 센터를 설립하였다.
현재, L2ES는 연료 전지 동력 발전기의 모델링, 공기 압축기 효율성의 최적화와 연료 전지 스택의 진단에 초점을 맞춘 몇몇 연구 프로그램에 이미 착수했다.

　■ 한국에너지기술연구원에서의 양성자 교환 막 연료 전지 기술에 대한 R&D 현황
　〈김창수, 한국에너지기술연구원〉

한국에너지기술연구원에서의 PEMFC(고분자연료전지) 기술에 대한 연구개발을 진행중에 있다.
PEMFC 시스템을 개발하기 위한 국가 차원에서의 연구개발 프로그램은 1996년에 개시되었으며, 고성능 MEA 생산 방식은 스크린 인쇄 기법을 사용해서 조사되었다.
연료 전지 연구소인 KIER은 주택, 휴대 그리고 차량용 PEMFC의 개발에 초점을 맞추었다.
FCRC는 메타놀 리포머를 가지고 5 kW PEMFC 시스템과 대우 자동차와 함께 하이브리드 전기 차량용 10 kW PEMFC 시스템을 개발하였다. 현재, 천연 가스 리포머와 함께 주택 발전기용 그리고 휴대 전원용 소형 PEMFC 시스템이 개발되고 있다.

　■ 메타놀의 전기 산화 및 산소의 전기 환원용 신규 촉매제의 최근 개발 : 직접 메타놀 연료 전지로의 응용
　〈끌로드 라미, 뽀아띠에 대학교 교수〉

양성자 교환막 연료 전지를 위해 개발된 개념을 이용해서 직접 메타놀 연료 전지를 실현하기 위해 최근에 진행된 사항들을 살펴볼 필요가 있다.
먼저 다기능 전기 촉매제를 사용해서 메타놀 양극과 산소 음극에서의 전극 소재가 개선되어야 한다. 또한, 연료 전지의 전기 성능을 향상시키려면 작동 온도를 100℃ 이상으로 높임으로써 우수한 이온 전도율과 저 메타놀 교차성을 가진 새로운 온도 저항 양성자 교환막을 개발해야 할 것이다.

　■ CEA(불란서국립원자력연구원)의 연료전지 연구개발 현황
　〈띠에리 쁘리엠, 불란서원자력연구원〉

1998년 이래, CEA는 에너지용 신기술이라 불리는 신규 프로그램에 참여하고 있는데 이 프로그램에는 열 교환기, 광전지, 리튬 배터리 및 연료 전지등과 같은 다양한 주제들이 포함된다.
이러한 활동 중에서, 50명이 넘는 CEA연구원들이 연료 전지 및 관련 연료 분야의 연구에 전념하고 있다. 연료 전지 활동은 기술 연구의 일환으로써 정지(stationary), 운송 그리고 휴대, 세 가지 적용 분야에 초점을 맞추고 있다.
현재까지, CEA는 세 가지 연료 전지 기술, 즉 PEMFC, SOFC 그리고 미니 연료 전지에 대한 경험을 쌓았다.
한편으로는, CEA는 고효율성의 막 및 전극, MEA와 양극판과 같은 연료 전지용 새로운 구성 요소를 연구할 수 있으며, 서로 다른 벤치(bench)(침투, 증류, 분극화, 노화 등)로써 이러한 구성 요소들을 시험할 수도 있다. 다른 한편으로, CEA는50kW까지의 시스템 시험 및 관련 모델링과 적소 진단 툴(in situ diagnostic tools)과 같은 연료 시스템 평가에 대한 경험도 있다.
그 뿐 아니라, CEA는 고효율성 PEMFC 혹은 핸드폰용 미니 연료 전지와 같은 연료 전지 아키텍처를 위한 새로운 컨셉을 설계할 수도 있다.

<서민규 기자>