응용분야는 드론을 위시한 이동용 소형 전원소모 장치의 배터리 대용, 대형 수송 장치인 자동차·선박 및 잠수함 등의 엔진 대체, 정치형 가정·건물용 발전기 및 대형 발전소 등 무궁무진하다.

현재는 연료로 들어가는 수소를 대부분 화석원료를 사용하여 고온에서 스팀으로 개질하여 수소 원료를 확보하지만 장래에 태양광, 풍력, 원자력, 핵융합 기술을 이용해서 수소를 대량으로 확보하게 되면 연료전지가 CO2 발생 없이 전기를 생산하는 유일한 수단이 될 것이다.

학자들은 40~50년 내 수소를 주 원료로 사용하는 수소경제사회가 올 것으로 예측하고 있다.

태양광·핵융합기술 이용 수소 대량 확보땐 CO2없이 전기생산 유일 수단

연료전지는 작동 온도에 따라 여러 종류가 있고, 크기 및 적용 목적에 따라 제조 방식이나 개발 전략이 달라서 연구개발이 힘들고 시간(통상 10년 이상)과 비용이 많이 소요되며, 아직 기술적으로 완성도도 떨어져(현재 확보된 수명 2~5년 정도) 상용화가 더딘 면이 있으나 부품수가 많은 제조업 분야이고 시장 규모가 크다는 매력 때문에, 한국은 근래 대기업 위주로 상업화에 발빠른 움직임을 보이고 있다.

제조업분야 시장규모 매력에 한국 기업들 상업화에 앞장

80도에서 작동되는 고분자전해질형은 두산퓨엘셀, 에스퓨엘셀 등이 1KW급 가정용을 지금까지 2500여대 민간시장에 판매 운전 중이고, 5~10KW급 건물용은 서울시 신재생에너지 의무화 사업을 통해 올해부터 500KW 정도 설치될 예정이고 내년엔 1MW를 바라보고 있다.

현대기아자동차는 일본 보다 앞서 연료전지차를 출시했고 부품도 관련 기업들을 통해 거의 국산화에 성공했으며 정부의 창조산업 육성에 발맞추어 지자체들도 수소스테이션 설치 및 부품기업 육성에 뛰어 들고 있다.

이와 관련한 기초 연구 인력도 대학, 국립연구소 및 중소기업 등에 비교적 많은 연구 개발이 이루어지고 있으며, 특히 듀퐁이 독점하고 있는 전해질 membrane에 LG화학을 위시한 많은 대학들에서 상용화 및 기초연구가 활발히 이루어지고 있어서 장래 전망이 밝다.

대형 발전용 연료전지는 중앙정부와 지자체의 지원에 힘입어 세계에서 미국 다음 큰 시장을 형성하고 있으며, 두산이 미국 클리어에지를 인수한 350KW급 인산형 연료전지, 포스코에너지가 미국 FCE의 기술 기반으로 2.4MW급 용융탄산염형 연료전지 시장을 개척하여, 현재까지 250MW를 설치 운전하였으며 전 세계 시장의 반을 점유하고 있다.

아직 상용화가 되지 않은 차세대 고체산화물 연료전지는 700~900도 고온에서 작동되는 세라믹으로 구성된 연료전지로 사용연료의 다양성(예로 석탄을 원료로 한 IGFC의 적용), 높은 발전효율(50-70%) 등의 매력으로 최근 5년 간 장족의 기술 발전을 했으며 미국, 일본, 유럽을 위주로 활발한 연구 및 실증이 이루어지고 있다.

예로 미국의 Bloom energy는 20, 50KW급을 상용화하여 구글, 애플, 이베이 등에 100MW 넘게 설치 운용중이고, 일본의 교세라는 1KW급 가정용을 세계 최초로 10년 수명을 보장하며 3000여대를 시판 운전 중에 있다.

한편 한국도 LG그룹이 미국 롤스로이스를 인수하여 150KW급 스택을 상용화 중이고, 포스코 및 산업과학기술연구원이 10KW급 스택과 시스템을 개발 중에 있으며, 1KW급은 경동나비엔, STX 등이 시스템을 쌍용머티리얼, 미코 등이 스택을 개발 중이다.

연구소 및 학계에서는 에너지기술연구원, 한국과학기술원, 생산기술연구원, 세라믹기술원 등에서 소형 고성능 스택 개발 및 내구성 향상 등에 대한 국가 연구를 시행 중이고, 여러 대학에서 새로운 전극 재료 개발에 활발한 연구를 진행하고 있고, 포스텍은 세계 최초 세라믹일체형이라는 새로운 스택 관련 원천기술을 개발 중이다.

총체적으로 볼 때, R&D 분야는 고분자전해질형 같은 분야는 양과 질적인 면에서 선진국과 대등한 위치에 있으나 아직 상용화가 안 된 차세대 고체산화물 분야는 상대적으로 관심이 적어서 국가 연구비 지원도 적고 원천기술 개발 수준도 뒤떨어진 상태로 장차 이 분야 지원이 절실하다.

그럼에도 불구하고, 상용화 면에서는 국가 및 지자체의 지원정책이 선진국 보다 잘 되어 있어서 대기업 위주로 선진국을 추월하고 있고, 또한 제조업이 강한 특성상 한국이 잘 할 수 있는 분야이고 또 잘 할 것으로 본다.

필자:정종식 포스텍 화학공학과 교수