21세기를 맞이하여 거의 모든 자동차 기업들이 연료전지 자동차개발에 나서고 있고, 발전 설비 및 서비스 기업, 에너지 기업, 전기 E전자 기업, 화학기업들도 직간접적으로 연료전지 개발 및 실용화에 속속 참여하고 있다. 과거 소외당했던 연료전지가 주목받게 된 이유는 전 세계적으로 확산되고 있는 환경오염 규제 강화와 전력산업의 규제 완화라 할 수 있다. 이후 연료전지는 최적의 대안으로 자리매김하였고, 이는 기업들의 투자열기를 통해서 이미 증명되고 있다. 향후 연료전지가 무궁무진한 시장잠재력을 바탕으로 전원시장의 상당부분을 차지할 것이라는 예상과 함께 높은 환경 친화적 특성을 감안하였을 때 연료전지를 국가 성장 동력으로 발전시키기 위한 지속적인 연구개발이 선행되어야 할 것이다.

미래의 신(新)에너지, 연료전지

KIST 연료전지연구센터(남석우 센터장)는 한국과학기술연구원 국가기반기술연구본부에 속해 있는 6개 센터 중 하나로, 미래의 에너지변환장치인 연료전지에 대한 원천기술을 개발하고 있다. 연료전지연구센터는 차세대 청정발전장치인 연료전지의 중요성을 인식하여 1989년부터 연구개발을 시작하였고, 현재는 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC) 등 원천기술의 개발로써 연료전지의 실용화 및 연료전지기술의 국제경쟁력 강화에 기여하고 있다.
미래에는 무공해 에너지인 수소 중심의 경제체제로 전환될 것이라는 예상이 지배적이며 이러한 수소 경제사회에서는 잉여 전력을 활용하여 물로부터 수소를 생산하고 수소 인프라를 이용하여 수소를 저장 및 운반하게 될 것이다. 그리고 연료전지는 수소를 사용하여 필요할 때 다시 전력을 생산하게 된다.
KIST 연료전지연구센터는 수소 경제사회의 조기 달성을 위해 연료전지의 내구성 및 경제성 향상을 위한 핵심 기술개발에 주력하고 있다. 남석우 센터장은 센터장은 “이를 위해 원자단위의 계산을 바탕으로 한 신물질의 설계와 새로운 나노 구조 물질의 대량 합성, 그리고 신물질의 연료전지 응용까지 아우르는 멀티스케일의 기술 개발을 추진하고 있다”고 밝혔다.

에너지 절약 및 환경보전에 기여하다

연료전지는 고효율 발전장치로 석탄, 천연가스, 디젤 등의 연료를 일단 수소로 변환시킨 후 전기화학적으로 공기와 반응시켜 전력을 생산한다. 연료전지에 의한 전기화학적 발전 방식은 기존 방식에 비해 효율이 높아 같은 양의 연료를 사용하더라도 더 많은 전력을 얻을 수 있다. 이느 곧, 같은 양의 전력을 생산할 때 기존 발전기에 비해 연료가 적게 소모된다는 것을 의미하며, 이에 따라 화석연료를 사용하더라도 CO2의 발생이 저감된다는 것이다.
화학적 반응에 의해 전기를 발생시킨다는 점에서 배터리와 비슷하지만 연료전지는 반응 물질인 수소와 산소를 외부로부터 공급받으므로 배터리와는 달리 충전이 없고, 연료가 공급되는 한 지속적인 전기 발생이 가능하다는 장점이 있다. 또한 연료의 연소반응 없이 에너지를 발생시키기 때문에 기존의 내연기관과는 달리 유독공해물질의 배출이 없고, 이산화탄소 배출량도 획기적으로 줄일 수 있으며 소음이 거의 없다.

태양에너지나 풍력 등을 사용하여 물로부터 수소가 쉽게 제조되는 미래에는 연료전지가 수소를 전기로 변화하는 가장 효율적인 발전장치로 사용될 것이다. 그러나 당분간 재생에너지가 경제성을 확보하기까지는 화석연료로부터 수소를 제조하여 연료전지에 공급하는 것이 필요하다.
남 센터장은 “100MW급 이하의 전력 생산에서는 연료전지의 효율을 다른 발전 장치로 추월할 수 없다”며 “따라서 연료전지의 지속적인 개발과 보급으로 화석연료의 소모량을 감소시키는 동시에 CO2 배출량을 저감시켜 지구온난화 문제 해결에 기여할 수 있고, SOx, NOx 등의 유해가스 배출이 거의 없기 때문에 대기오염을 줄이는데도 큰 효과가 있다”고 전했다. 또한 “장래에 10kW급 건물용 연료전지의 전력변화 효율이 60% 정도로 예상되는데, 기존 발전기의 경우 30%에도 못 미치는 것을 감안할 때 연료 소모량 및 CO2 배출량을 반으로 줄일 수 있어 에너지 절약 및 환경보전에 크게 기여할 수 있다”고 덧붙였다.

연료전지의 상용화에 주력

미래 에너지의 대안으로 급부상한 연료전지가 앞으로 해결해야 할 문제들은 무엇일까? 남 센터장은 가격저감과 내구성 및 안전성, 사용 편의성을 극복해야할 사안으로 꼽았다. 연료전지 자동차의 경우 현재 차량 가격이 기존의 내연기관차량에 비해 2~3배 비싼 수준이다. 하지만 국내 기술로 저가/고성능 소재를 개발하고 대량생산 체제를 도입하면 멀지 않은 미래에 가격경쟁력을 충분히 확보할 수 있을 것으로 예상된다. 또한 현재 압축 수소를 연료로 사용하고 사고 시 안전성에 대하여 차량 운행 시 발생할 수 있는 다양한 상황에 대해 높은 안전성 검사를 거치고 있으므로 크게 문제가 되지 않을 것이라는 분석이다. 마지막으로 수소를 빠르고 쉽게 충전할 수 있는 사용편의성의 인프라 확충이 중요한데, 2025년까지 3단계에 걸쳐 전국 네트워크가 구축될 것으로 전망되고 있으며, 이를 위해 적지 않은 비용이 발생하겠지만 수소를 사용하여 얻게 되는 환경 가치를 고려한다면 사회적 지원 및 투자가 우선적으로 이루어져야 할 것이고, 이는 결국 미래에 대한 가장 확실한 투자가 될 것이다.

남 센터장은 “내구성, 즉 수명의 경우 연료전지 자동차의 상용화 목표는 10년 주행인데, 현재 기술로는 6년 수준이고 가정용의 경우는 5년에 현재 2년 정도의 수준이다”며 “연료전지 자동차의 경제성 및 내구성 향상을 위한 연구 개발에 가장 중점을 두고 연료전지 자동차에 전극 물질로 사용되는 백금의 양을 현재 60g에서 20g로 낮추는 것, 자동차 수명을 10년 이상으로 증가시키기 위해 멤브레인 등 구성요소 특성을 향상시키는 것에 대한 연료개발을 추진하고 있다”고 전했다.

남석우 센터장의 메시지

연료전지센터의 모토는 ‘홍익인간(弘益人間)’과 ‘빈곤퇴치(貧困退治)’이다. 연료전지 연구개발은 ‘널리 인간을 이롭게 하는 것’이며, 궁극적으로 이것을 통해서 ‘전 세계 사람들이 잘 살게 되는 것’을 최종 목적으로 하고 있다. 연료전지연구센터는 지난 20여 년간 연료전지 기술개발을 추진하였으며, 그동안 국내 연료전지 개발의 견인차 역할을 수행하였으나, 연료전지의 상용화를 위해서는 아직도 기술개발이 더 필요한 시점이다. 이를 위해서 젊고 패기 있는 연구원의 충원 및 교육과 사기진작을 최우선으로 생각하고 있다. 현재 센터에는 장래가 밝은 석사 급 연구원의 충원과 연구실 경험 축적, 해외유학 파견을 지속적으로 실시하고 있으며, 미국 유학을 마치고 새로운 연구를 시작한 연구원 1명, 현재 미국 유학 중인 연구원 2명, 내년 유학 예정 1명, 금년 1명 이상 충원 예정으로 후학 양성에 힘쓰고 있다. 또한 국내의 기술개발 한계를 극복하기 위한 국제 공동연구 및 교육과학기술부 글로벌연구실 사업을 통해 이탈리아 연구소와 연료전지 공동연구를 진행하는 한편, 독일인 선임연구원 채용을 통하여 유럽과의 공동연구 강화를 위해서 최선의 노력을 다하고 있다.