수소시대의 일꾼 ‘연료전지’
수소시대의 일꾼 ‘연료전지’
  • 이재성 / 화학공학과 교수
  • 승인 2006.09.27 00:00
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수소를 전기 에너지로 전환시키는 에너지 발생장치
▲ 연료전지는 생활 주변에서 광범위하게 활용될 수 있다.
연일 최고가 기록을 갱신해가는 가격과, 금세기 내에 고갈될 것이라는 예측 등으로 인하여 석유나 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지에 대한 관심이 날로 높아지고 있다. 새로운 에너지는 화석연료처럼 지구 온난화나 환경오염과 같은 문제를 일으키지 않는 청정에너지가 되어야하기 때문에 수소에너지가 가장 이상적인 대안으로 인식되고 있다. 수소에너지를 직접 전기에너지로 전환시키는 연료전지는 다가오는 수소경제 시대의 가장 각광받는 에너지 발생장치가 될 전망이다.

연료전지는 1839년 영국의 William Robert Grove에 의해 처음으로 발명되었으며, 1966년 아폴로 우주선에 처음으로 적용되었다. 연료전지는 연료를 산화시키는 산화극과 산화제가 환원되어 연료의 산화물이 되는 환원극, 산화극에서 발생한 이온의 통로가 되는 전해질로 구성된다. 산화극에서 발생한 전자는 산화극에서 환원극으로 연결된 도선을 통하여 이동을 하며 전기에너지를 공급하게 된다. 연료전지는 오염물질의 배출이 거의 없을 뿐만 아니라 기존의 내연기관보다 효율이 높고, 소음공해를 발생시키지 않는 장점들이 있다.


세계는 지금 연료전지 개발 전쟁 중

세계 각국 정부는 연료전지와 대체에너지의 개발에 천문학적인 연구개발비를 투자하고 있다. 1960년대에 상업적 목적의 연구개발이 시작되어 1980년대에 이르러서는 본격적인 개발 경쟁이 시작되었다. 현재 연료전지 기술이 가장 앞서있는 국가로는 미국겴瞿퍊캐나다 그리고 유럽의 국가들이다.
미국에서는 에너지성(Department of Energy)의 주도하에 연구개발에 박차를 가하고 있으며, 새로운 개념의 연료전지의 개발연구뿐만 아니라 기존 연료전지의 응용연구까지 광범위한 연구가 진행 중이다. 일본의 경우 경제산업성의 주도아래 연구개발 투자가 이루어지고 있으며, 그 외에 캐나다겣뗌?영국 등에서도 실증 연구가 진행 중이다.

연료전지 자동차 시판 1호는 2002년 12월 일본에서 만들어졌고, 2003년 1월에는 미국 부시 대통령이 수소 프로그램에 5년간 12억 달러를 투자하겠다고 발표하였다. 2003년 11월에는 일본*미국*유럽 등 15개국과 유럽위원회가 참가한 수소경제를 위한 국제파트너쉽(IPHE)이 발효되었고, 2005년부터는 실용화 연구에 대한 본격적인 연구개발이 시작되었다.

우리나라의 경우 1987년부터 인산형 스택 개발로부터 시작되어 1992년에 1kW급 인산형 연료전지 본체를 개발하였다. 고분자 연료전지의 경우 1988년부터 시작되었으며, 2000년에는 7kW급을 이용하여 연료전지-배터리 하이브리드 자동차를 개발하였다. 그리고 한국에너지기술연구원·한국과학기술원 등의 국립 연구기관과 현대자동차·삼성S야·GS퓨얼셀·LG화학·포스코 등의 민간기업, 그리고 우리대학을 포함한 여러 대학에서도 연료전지 개발에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.

현재 연료전지의 연구개발은 정부의 주도하에 이루어지고 있으며, 2005년 8월 ‘친환경 수소 마스터플랜’을 수립하였다. 계획에 따르면 2020년에는 전체에너지의 3%, 그리고 2040년에는 전체에너지의 15%를 수소연료전지에서 공급하는 것으로 되어 있다. 국내 시장의 규모는 2010년에는 메모리반도체 시장의 두 배에 달할 것으로 추정되고, 2040년에는 산업규모 109조원에 고용효과는 100만명으로 예상되며, 이산화탄소 배출량은 현재보다 20% 감축될 것으로 예측되었다.
국내 연료전지의 연구개발 투자현황을 보면 산자부의 주도하에 2004년에 350억원, 그리고 2005년에는 400억원이 투자되었다. 과기부의 경우 프론티어 사업으로 2009년까지 총 900억원을 투자할 예정이다.

또한 국내의 연료전지 개발은 2004년에 출범한 ‘수소연료전지사업단’의 주관아래, 제1단계 (2004~2012) ‘연구개발 및 보급초기’, 제2단계(2013~2040) ‘연료전지 시장형성기’, 제3단계(2021~2030) ‘연료전지 시장확대기’, 그리고 제4단계(2031~2040) ‘수소경제 진입기’로 나누어 연구개발을 진행하고 있다.


연료전지가 생활화되면

꿈의 청정에너지라 불리는 연료전지를 이용한 수소에너지 경제가 생활화된 우리의 미래 모습을 상상해 보자. 연료전지 발전소의 전력으로 움직이는 전철, 연료전지를 탑재한 버스, 자동차로 출퇴근하고 가정용 연료전지에서 나오는 전력으로 생활한다. 노트북·휴대전화 등 이동형 전자제품은 한 번 충전에 한 달간 에너지가 지속되며, 충전시간을 걱정하지 않아도 된다. 그리고 우리의 영해는 연료전지 전함과 잠수함이 지킨다. 청정 신재생에너지가 담당하는 전력량의 비중이 크게 높아지면서 대기 중 이산화탄소의 양이 현저히 줄어들어 맑은 공기를 시원하게 마실 수 있게 된다.

경제적인 측면에서 보면 수송용 및 가정용 온수와 보조전원용으로 사용가능한 연료전지의 개발은 매우 큰 시장을 형성할 것이다. 휴대용 전자기기의 경우 점차 고에너지 밀도의 전원공급 장치가 필수적으로 요구되고 있는 실정이며, 이는 경제적 발전뿐만 아니라 문화적겭英맛?발전에 이르기까지 광범위하게 영향을 미칠 것이다. 또한 연료전지의 개발에 수반되는 관련기술의 발전은 앞으로 국내산업의 발전뿐만 아니라 우리의 새로운 수출산업으로 자리 잡을 수도 있다.


이러한 문제만 해결된다면

연료전지를 이용한 수소에너지의 경우 많은 장점들에도 불구하고 해결해야할 문제점들이 많은 것도 사실이다. 수소에너지를 상용화하기 위해서는 우선 연료전지 및 수소저장시스템의 경제성·내구성·안전성이 향상되어야 한다. 그리고 차량용 수소공급 하부구조가 구축되어야 하며, 재생에너지원으로부터 경제적인 수소 생산이 이루어져야 한다. 특히 저온연료전지의 경우 현재 사용되고 있는 고가의 백금 전극촉매의 대체 및 이용률 극대화가 필요하다. 즉 저비용·고효율·내구성을 가지는 전극촉매 및 전해질 개발이 절실하다.

수소에너지사회 출현에 대한 시기와 투자 규모에 대해서는 전문가들 사이에 이견이 있으나 한정된 화석에너지의 고갈과 지구온난화 문제 해결을 위해서 수소에너지 및 연료전지 사용은 막연한 미래가 아닌 필수가 될 것이다. 연료전지는 21세기 10대 핵심기술의 하나로 매우 다양하게 응용될 것이다. 그러나 현재 해결해야 할 많은 문제점들이 있는 것 또한 사실이다. 이러한 문제는 첨단기술인 NT갃T갏T 기술을 에너지 분야에 적극 도입하여 획기적인 전환을 이룰 수 있는 기술개발로 극복하여야 하며, 이를 위하여 첨단기초과학에 대한 투자와 많은 연구자들의 노력이 절실히 요구된다.


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