[대덕특구]무공해 연료전지 ‘국가 새 엔진’

[대표 연구개발팀을 찾아서]⑪에너지연 연료전지연구단

25년간 전기화학발전장치 연구 매진
하이브리드자동차.분산형 전지 개발
5년내 세계 3위… 뒤처진 기술 과제


수소가 미래 연료로 사용되는 시대 친환경, 고효율 발전장치로 주목받고 있는 연료전지. 자동차와 분산형 전원, 잠수함, 선박과 전동기차, 항공기 등 대부분의 동력장치 또는 발전설비에 적용이 가능해, 국가간 치열한 경쟁을 예고하고 있다. 선진국에 비해서는 후발주자지만, 5년 내 기술수준 세계 3위, 시장점유율 20% 달성을 목표로 연구활동에 매진하고 있는 한국에너지기술연구원 연료전지연구단을 찾았다. <편집자 주>

▲ 한국에너지기술연구원 연료전지연구단을 이끌어가는 사람들. 사진 왼쪽부터 임성대.박진수.손영준.박구곤.김민진.양태현 연구원, 이원용 단장, 박석희.김경연.문소영.조중원.최선영 연구원.

▲연료전지란=연료의 산화에 의해 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변화시키는 전기화학 발전장치로, 작용온도와 전해질의 차이에 따라 다양한 연료전지가 있다. 이중 에너지기술연구원의 연료전지연구단은 주택용 연료전지 등 분산형 발전기를 비롯해, 연료전지 자동차, IT 및 휴대용 전원에 사용 가능한 고분자 전해질 연료전지 연구개발에 주력하고 있다.

연료전지의 기본이 되는 단위전지는 전기발생 부분인 전극전해질 접합체와 연료가스 및 전기 통로인 분리판으로 구성된다. 이 같은 단위전지가 병렬로 연결돼 대용량 전력을 발생시키는 연료전지 스택(집합체)으로 제작돼 고효율 무공해 자동차의 엔진으로 활용된다. 산업혁명기에는 증기기관, 석유시대에는 내연기관이 각각 원동기 역할을 했다면, 미래 수소연료 시대에는 연료전기가 이를 대체할 전망이다.

▲고성능 연료전지 시스템 개발의 산실, 연료전지연구단=환경 친화적, 고효율 발전장치인 연료전지 전반을 연구하는 팀이다. 고분자 전해질 연료전지 실용화의 전제인 성능 및 내구성 향상과 가격 저감을 위해, 연료전지 구성에 필요한 신소재 개발과 연료전지 종합 시스템 연구는 물론 대량 생산기술 확립에 매진하고 있다.

1980년대 소규모 분산형 발전시스템인 인산형 연료전지 연구를 시작으로, 90년대 들어서는 연료전지 자동차와 주택용 열병합 발전시스템, 휴대전원용 고분자 전해질 연료전지 연구에 이르기까지 약 25년간 이 분야 연구를 수행 중이다.

에너지기술연구원의 대표 탑브랜드 과제로서의 연구개발과 함께, 인력양성과 성능평가의 전진 기지로서 산자부 지정 연료전지 핵심기술 연구센터와 성능평가 센터 기능도 수행하고 있다. 연구단에는 이원용 단장을 비롯해 화공과 재료, 기계 등 다분야 연구원 28명이 포진, 융합기술 개발에 시너지 효과를 기대하고 있다.

▲ 연료전지 하이브리드 자동차의 내부 모습.

▲연료전지 상용화 선진국 수준=일본의 혼다 기연공업이 2002년 세계 최초로 미국 캘리포니아주에서 판매 인가를 얻어 상용화에 성공한 이후, 2003년 독일의 다임러크라이슬러 연료전지 버스와 2004년 미국 포드자동차의 연료전지 하이브리드 자동차 생산으로 이어졌다. 미국의 경우, 2015년 대량생산 체제에 돌입할 계획이다.

미래 성장동력 산업으로 국가간 경쟁이 치열한 가운데, 후발주자인 한국은 그동안 선진국의 기술이전 회피로 독자적인 기술개발에 의존할 수 밖에 없었다. 최근 자체 기술력으로 연료전지 자동차와 분산형 전원 등의 시제품을 생산함으로써 기술 가능성과 경쟁기반은 마련했지만, 핵심 원천 기술력 확보는 여전히 숙제로 남아있다.

▲ 기본 단위전지를 병렬로 연결해 대용량의 전력을 발생시키는 고분자 연료전지 스택(묶음).

▲연료전지 경제성 향상 통한 상용화 박차=대표 성과는 지난 2001년 도시가스 이용 5kW급 주택용 고분자 연료전지 시스템 개발, 2003년 1kW급 이동형 연료전지 시스템 개발, 2006년 연료전지 하이브리드 무공해 자동차 개발 등을 들 수 있다. 최근에는 고분자 전해질 연료전지의 핵심부품인 전극접합체 제조 및 셀 스택 설계 개선을 통해 연료전지 경제성 향상과 수명향상 연구에 집중하고 있다.

또한 현장 상용화 기술개발을 위한 자동화된 제조공정 시스템 도입 연구를 비롯해, 기업체와 공동으로 습도와 온도 적응성이 높은 고분자 막 개발을 위한 연구에도 박차를 가하고 있다. 축적된 기술력을 바탕으로 국가적 목표인 5년 후 기술수준 세계 3위, 시장점유율 20% 달성등에 기여할 각오다. 2012년까지 국내 가정용 연료전지 1만세대 공급과 자동차 3000여대 운행을 우선 목표로, 2020년 세계시장에 진입할 계획이다.

이원용 단장은 “ 연료전지의 연료인 수소는 지구상에 존재하는 풍부한 물로부터 제조될 수 있어, 상대적으로 자원 제약이 없고 전기 발생 후 생성물이 물밖에 없는 청정 연료”라며 “1년간 연료전지 승용차 1억대 구동을 위한 수소 생산에 필요한 물의 양은 대략 소양강댐 담수량 기준 5% 정도로 나타났는데, 일각에서 제기하는 물 부족 우려는 부적절하다”고 밝혔다. 이어 “다만 수소 가스 누출이 환경에 미치는 영향에 대해서는 좀 더 검증이 필요할 것”이라고 덧붙였다. /이희택 기자