2005년까지는 연료전지 상용화 보급된다
대규모 발전^분산 전원용 함께 각광

연료전지는 천연가스나 메타놀 등의 연료로부터 얻은 수소와 산소의 화학에너지를 전기화학 반응에 의해 전기 및 열로 변환시키는 장치로서 연료로 천연가스, 나프타, 메타놀, 석탄등을 활용하고 있다.
즉 수소와 산소의 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로 인산염형, 용융탄산염형, 고체전해질형 및 고분자전해질 연료전지의 4가지 기술이 실용화 또는 개발중이나 국내에서 아직 실용화단계에 이르지는 못하고 있다.
연료전지는 고효율의 에너지원으로서 공해배출이 거의 없는 무공해 에너지원으로서 도심지역 및 건물내에서도 이용이 가능하고 다양한 연료의 사용으로 석유등의 화석연료를 대체해 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
이로인해 선진국에서는 다양한 용도로 실용화하기 위한 노력을 경주중이며, 이미 여러 분야에서 실용화가 진행되고 있다.
국내에서도 연료전지에 대한 연구가 진행되고 있으나 아직은 선진국수준에 비해 다소 뒤떨어지는 수준이나 IT등 첨단산업의 발전과 더불어 연료전지에 대한 관심도 높아지고 있다.
이미 일부제품에 대해선 기술도입, 또는 제품 도입을 통해 관련 제품시장이 확대될 것으로 예상되며, 빠르면 2005년경 일반가정에서 연료전지발전시스템을 이용한 전력을 사용할 수 있을 것이다.
연료전지는 일반적인 발전시스템으로의 이용은 물론, 휴대폰, 자동차, 특수용도의 전원 등 다양한 분야로의 활용이 가능하다.
최근에 고분자전해질형의 소규모 가정용 연료전지시스템이 실용화단계에 이르고 있다.
에너지기술연구원 및 한전전력연구원을 중심으로 제품 실용화를 위한 기술개발을 지속적으로 추진하고 있으나 단시일내에 선진국과의 경쟁력 확보나 상용화보급은 시간이 필요할 것으로 보인다.



<기고/ 연료전지 기술동향 >

25kW 고분자 연료-밧데리연계형
전기자동차 개발중

김창수 박사
한국에너지기술연구원
연료전지연구센터

청정 발전 기술로는 주로 신^재생 에너지를 이용한 태양광 발전, 태양열 발전, 풍력 발전, 소수력 발전 및 연료전지 발전을 고려하고 있으며 이들 중 지역 조건이나 기후 조건 등의 제약이 없어 대규모로 활용이 예상되는 기술이 연료전지 발전 기술이다.
연료전지는 무공해, 높은 발전효율과 폐열 이용율 등으로 전체 에너지효율의 향상을 도모할 수 있어, 신에너지의 선두주자로 부상하고 있다. 수력, 화력, 원자력에 이어 제 4세대 발전 기술로써 기대대고 있으며, 환경적인 면에서 NOx, SOx 등을 거의 발생하지 않아 지구환경오염을 억제할 수 있는 기술이다. 연료전지에는 "전지"란 말이 붙어 있지만, 전기를 저장하지 않고 생산하는 발전소이다.
연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기와 물·열을 얻는 발전 방식으로 기존의 발전방식이 고온 고압의 가스나 증기로 터빈을 돌리는 것과는 달리 전기를 직접 발생시킨다. 연료로 사용되는 수소는 천연가스나 메탄올 등을 변환하여 얻어지며 산소는 공기를 그대로 이용한다. 연료전지를 이용한 발전은 에너지효율이 70∼80% 정도로 화력발전에 비해 두 배 가량 높고, 소음·진동은 물론 질소·아황산가스 등 환경오염물질도 배출하지 않는다. 이산화탄소 발생량도 화력발전에 비해 60%가량 적다.
연료전지 발전시스템은 연료전지 발전기 외에 수소를 만들어내는 연료 개질기, 공기공급장치, 그리고 연료전지에서 생산된 직류전기를 교류전기로 바꿔주는 전력변환기, 발전기 제어장치 등으로 구성된다.
연료전지는 수소이온이 전달되는 전해질의 종류에 따라 인산형, 고분자형, 용융탄산염형, 고체산화물 형으로 구분된다. 연료전지는 사용목적에 따라 다양한 용량으로 제작할 수 있고, 어디에든 쉽게 설치할 수 있다. 가정용은 10kW 이하 고분자 연료전지, 자동차 전원으로는 50kW급 고분자 연료전지, 대형빌딩이나 호텔·병원·공공시설 등에는 100∼200kW급 인산형 및 고분자 연료전지, 대규모 발전용으로는 석탄가스를 이용하는 용융탄산염, 고체산화물 연료전지를 사용하면 된다. 연료전지중 고분자 연료전지는 타 연료전지에 비하여 저온 운전, 소형화가 용이함으로 건물 및 주택의 분산형 전원, 차세대 자동차의 새로운 동력원, 노트북 컴퓨터와 같은 이동 전자기기의 전원으로서 실용화 가능성이 높아 전세계적으로 개발이 왕성하게 진행되고 있다.
국내외 기술현황을 살펴보면 주택용 고분자연료전지 분야에서는 미국의 Plug Power사가 선도적으로 연구를 해 왔으며, 현재 미국 뉴욕주의 20가구에서 7kW 출력의 고분자연료전지 시스템을 현장 실험 중에 있다. 이 회사는 미국 내에서 주택용의 상용화 시점을 2001년 이후로 잡고 LNG, LPG 등을 연료로 하는 1 - 10 kW급 고분자연료전지를 주택, 아파트, 소규모 식당 및 숙박시설, 통신용 전원 등에 적용시키기 위한 연구개발 중에 있다. 또한, Plug Power는 미국의 GE사와 합작하여 GE Microgenerator사를 설립하고, 독일 Valliant와도 합작회사는 설립하여 수 년 내에 주택에 설치할 수 있는 고분자 연료전지의 상용화 연구에 앞장서고 있다.
자동차용 연료전지는 세계 에너지 소비량 중 자동차에 의한 것이 24%정도로 자동차부분의 에너지 절약이 큰 과제로 대두되고 있으며, 자동차로 인한 공해 발생과 CO2저감을 위한 효율 향상 연구가 세계적인 문제로 부각되어 있다.
연료전지 자동차가 효율과 CO2저감, 대체 연료사용 등의 장점에 의해 기존 내연기관과 전기자동차의 단점을 극복한 21세기 자동차로 등장할 가능성이 가장 유력할 것으로 예측되고 있다. 효율이 50% 이상인 고효율 연료전지 엔진을 사용할 경우 화석 연료사용량과 지구온난화 가스인 CO2 발생량을 기존 가솔린엔진의 1/3수준으로 크게 저감시킬 수 있다. 미국과 일본을 중심으로 연료전지 자동차를 2004년까지 기술개발을 완료한다는 목표로 연료전지 동력시스템을 위주로 정부와 연료전지제작업체 그리고 주요 자동차 제작사 들의 주도하에 국가를 초월한 협동과 경쟁을 통해 연구개발이 진행되고 있다.
국내에서는 1990년 초 포항공대를 시작으로 하여 연세대, 한양대 등 일부 대학에서 고분자 연료전지에 대한 기초연구를 수행하여 왔다. 1996년부터 한국에너지기술연구원, LG Caltex, 연세대, 충남대, 항공대, 경북대에서 연구를 시작하여 주택용 5kW 고분자 연료전지 시스템 개발에 성공하였다. 또한 1999년부터 현대자동차, 대우자동차를 주축으로 KIST와 한국에너지기술연구원은 산자부의 지원 하에 차세대자동차 기술 개발 과제를 수행하여 10kW 고분자 연료전지-밧데리 연계형 전기자동차를 개발하였으며 현재 25kW 고분자 연료전지-밧데리 연계형 전기자동차를 개발 중이다. 그러나 국내의 연구개발 수준은 아직은 구성요소나 스택 제작기술의 부족 등으로 인해 선진국 수준에 비해 뒤떨어진다고 볼 수 있다. 따라서 국내에서의 실용화에 필요한 저 가격화, 소재의 국산화, 경량화, 시스템 신뢰도 등에 대한 연구가 필요한 실정이다.
각국의 연료전지의 지속적인 연구개발로 주택용, 분산형, 이동형 자동차용 전원으로의 개발이 이루어진 상태로 이미 일부 분야에서 시제품이 운전되고 있다. 연료전지는 발전효율이 40∼60%로 화력발전에 비해 높은데다 수소와 산소의 전기화학반응으로 에너지를 만들기 때문에 공해물질이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 연료전지에서 전기를 생산할 때 열이 발생한다. 이를 열병합발전 형태로 이용하면 에너지 효율을 80%까지 높일 수 있다. 기존 화학발전에 비해 30%이상 열효율이 높은 것이다. 질소산화물과 이산화탄소의 배출량도 각각 화력발전의 3%, 33% 수준에 불과하다. 또 발전설비를 건설한 경우 좁은 공간에 지을 수 있는데다 건설기간도 훨씬 짧다. 연료전지가 상용화될 경우 기존 발전소의 규모도 지금의 30분의 1 정도로 줄어들고, 대도시에 「도시형 발전소」를 설치할 수 있게 되고 각 가정마다 전기와 온수를 동시에 공급 할 수 있는 「자가 발전소」가 설치된다. 전국의 야산마다 흉물스럽게 늘어서 있는 송전탑들, 주거환경을 해치는 전신주와 전선들이 사라질 날도 그리 멀지 않은 셈이다.
연료전지가 일반화되는 2010년께에는 대량 보급되어 우리의 생활의 많은 분야에서 연료전지가 중요한 역할을 할 것이다. 각 가정, 상가, 호텔, 병원 등에서 연료전지를 사용하여 자가발전 및 온수 공급하게 될 것이다. 또한 고품질의 안정하며 무정전의 전기를 요구하는 통신회사, 컴퓨터 네트워크사, e-비즈니스사 등에서 연료전지를 동력원으로 이용할 것이다.
무공해 청정 연료전지 자동차는 2004년경부터 시판을 시작하여 2010 년경에는 대량생산되어 현재의 내연기관 자동차와 가격, 성능 면에서 경쟁력을 확보하게 될것이며 현재 사용하고 있는 주유소에 연료개질기를 설치하여 수소를 공급하거나 또는 직접 가솔린,메탄올 등을 자동차에 주유하여 자동차에서 수소로 변환하여 운행되는 연료전지 자동차를 손쉽게 볼 수 있을 것이다. 또한 보트, 선박, 기차 등의 공해를 발생하는 모든 동력기관이 연료전지로 대체되어 에너지 절약은 물론 쾌적한 환경보호에도 크게 기여 하게 될 것이다.
현재 사용하는 노트북, 휴대폰, 개인정보기기(PDA)등과 같은 이동 정보기기에 사용되는 이차전지가 연료전지로 대체된다. 특히 연료인 수소를 대신하여 메탄올을 사용하는 알콜 연료전지의 개발로 충전없이 알콜만의 공급으로 이동정보기기를 계속하여 사용이 가능하게 될 것이다. 휴대전화를 들고 다니다. "삐이삐"하고 전지가 고갈됐다는 신호가 오면 그 즉시 메탄올 같은 알콜을 전지에 부어 넣으면 즉시 에너지 보충이 가능하여 계속 사용이 가능해진다.