2022년 4월, 한국도로공사는 경부고속도로 서울산나들목 인근 유휴부지에 연료전지 발전소를 건설한다고 발표하였습니다. 이 발전소는 매년 1만 2천 가구가 사용할 수 있는 66기가와트시(GWh)의 전력을 생산한다고 하는데요. 만약 우리가 익히 알고 있는 화력발전소나 원자력 발전소가 들어온다면 배출가스나 방사능 유출에 대한 걱정이 가장 앞설 것입니다. 이렇게 고속도로 바로 옆에 발전소를 짓고 안심하고 전기를 생산할 수 있게 된 것은 연료전지 기술 덕분입니다. 기존에는 상상하지 못한 방식으로 탄소중립 시대를 열어가는 연료전지 기술에 대해 알아보려고 합니다.

한국도로공사가 설치할 연료전지 발전소 조감도
출처 : 한국도로공사

연료전지 기술이란?

연료전지(Fuel Cell)은 수소, 메탄올, 천연가스 등의 연료를 촉매와 반응시켜 전기를 만드는 장치입니다. 기존의 발전방식은 연료를 태우거나 핵분열로 발생하는 열로 물을 끓이고 그 수증기로 터빈을 돌려서 전기를 생산하는데요. 연료전지는 연료가 가진 화학에너지를 전기 화학반응을 통해 그대로 전기에너지로 변환하게 됩니다. 따라서 터빈과 같은 기계장치를 사용하지 않기 때문에 상대적으로 발전 효율이 높고 소음과 진동이 적습니다. 또한 자동차에 들어갈 정도의 크기로 작게 제작할 수 있어서 전기가 필요한 곳이라면 어디든 설치할 수 있습니다. 소규모 분산 발전이 가능해서 전기를 사용하는 곳과 가까이에 설치하여 송전 비용을 줄일 수 있습니다. 무엇보다도 수소를 연료로 사용하면 전기를 만드는 과정에서 탄소를 배출하지 않고 부산물로 오직 물만 나오기 때문에 매우 친환경적입니다.

연료전지 수소 트럭의 내부

연료전지의 기술적 한계

이렇게 많은 장점이 있는 연료전지가 지금의 발전소들을 완전히 대체하지 못하는 이유는 여러 가지 한계가 존재하기 때문입니다. 첫째는 주요 연료인 수소와 관련된 문제입니다. 현재 수소 생산 비용이 높아 수소를 추출해서 연료전지에 사용하는 것보다는 수소를 태워서 발전하는 것이 더 효율적인 상황입니다. 또한 수소를 고압으로 저장하고 운송하는 데 비용이 많이 들고 위험성이 높은 문제가 있습니다. 둘째는 촉매의 가격 문제입니다. 연료전지의 산소환원반응을 일으키는 촉매로 주로 백금이 사용되는데요. 이 백금의 가격이 비싸서 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 셋째는 연료전지의 내구성 문제입니다. 모터와 회전부품이 없어서 기계적인 마모는 일어나지 않지만, 연료전지 내부에서 화학반응에 의한 부식이 일어나면서 연료전지의 성능이 감소하게 됩니다. 따라서 앞으로 연료전지가 더욱 보급되기 위해서는 수소의 생산성 향상과 함께 연료전지의 생산비용 절감, 효율성 향상, 내구성 강화, 소형화 및 경량화 등을 위한 종합적인 기술개발이 필요한 상황입니다.

연료전지의 구조

한국에너지기술연구원의 연료전지 기술

한국에너지기술연구원은 연료전지를 통해 탄소중립의 미래를 앞당기기 위해 다양한 연료전지 기술을 연구하고 있습니다. 소재와 부품의 원천기술부터 상용화기술까지 전주기의 기술을 개발하고 있습니다.

첫째, 연료전지의 제조단가를 낮추는 기술

(습식 전기분무 방식에 기반한 연료전지 전극 내 이오노머 나노제어 기술을 통한 백금 사용량 저감 막전극접합체(MEA)* 제조 원천기술)

한국에너지기술연구원이 개발한 막전극접합체(MEA) 공정

막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)
이온을 전달하는 ‘전해질막’, 수소의 산화반응과 산소의 환원반응을 촉진하는 ‘촉매층’, 연료를 촉매에 전달하는 ‘가스확산층’을 합하여 막전극접합체라고 부른다. 얇은 필름 형태를 하고 있으며, 내부에서 산소와 수소의 전기화학반응이 일어나는 핵심 부품이다.

둘째, 연료전지 성능을 향상시키는 기술

(초음파분산 습식침투법 이용 나노촉매 균질도포 기술)

셋째, 연료전지의 내구성을 개선하는 기술

(백금 코어와 다공성 그래핀쉘로 구성된 신구조 촉매 합성 기술)

넷째, 연료전지 핵심부품 양산화 공정 기술

(막전극접합체(MEA) 양산을 위한 슬러리 균질화, 박막 균일 코팅, 전사기술 확보)

한국에너지기술연구원의 연료전지 기술이전

한국에너지기술연구원은 연구를 통해 자체 보유한 기술 중에서 사업화유망기술을 선별하여 일반 기업에 기술이전하고 있습니다. 단순한 기술이전으로 끝나지 않고 사업화 성공률을 높일 수 있도록 연구진들은 연구지도와 함께 기업과 협력해나가고 있습니다. 연구진은 2018년 6월에는 발전용건물용 연료전지의 분리판* 제조 원천기술을 개발하여 2021년 4월, 양산기술을 ㈜씨엔티솔루션으로 기술이전하였는데요. (주)씨엔티솔루션은 높은 열/전기전도성과 고강도, 화학적 안정성을 지닌 탄소나노튜브(CNT)*를 폴리머 등과 합성하여 전도성 고분자복합소재를 만드는 회사입니다. 에너지연의 원천·양산기술과 기업의 생산기술을 접목하여 탄소 복합체 분리판 양산 체계를 구축하고 개발 첫해 5억 원의 매출을 기록하였습니다. 이 기술은 2021년 9월 산업통산부장관으로부터 ㈜씨엔티솔루션과 에너지연이 공동으로 신기술인증을 받았습니다. 현재 25만개 양산설비를 구축 중이며 올해 상반기에 완료할 예정입니다.

한국에너지기술연구원이 개발한 탄소나노튜브 복합체 분리판

*분리판(Bipolar Plate)
수십 개의 단위 셀 사이를 전기적으로 연결하고, 연료와 공기를 일정하고 균일하게 단위 셀에 공급하는 역할을 하는 핵심 부품이다.

*탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)
육각형 벌집모양의 탄소결합구조인 흑연판(graphene sheet)이 원통형으로 감겨진 구조로 속은 비어 있고 표면적은 넓은 특징을 갖는다.

탄소나노튜브 Carbon NanoTube

우리 삶과 가까운 곳에서 전기를 만들어내는 미래

연료전지 기술이 더욱 발전한 우리 사회의 미래는 어떤 모습일까요. 굴뚝에서 연기를 내뿜는 화력발전소나 바닷가 주변의 원자력발전소는 더 이상 건설되지 않을 것입니다. 풍력이나 태양광과 같은 신재생에너지 발전은 늘어나겠지만, 이들은 넓은 부지를 차지하고 24시간 안정적으로 전기를 생산할 수 없는 한계가 있습니다. 반면 연료전지는 우리가 늘 사용하는 차량이나 건물의 안쪽에서 조용하고 꾸준하게 전기를 공급할 수 있습니다. 도시 곳곳에서 분산하여 전기가 생산되기 때문에 기존에 자주 겪던 대규모 단전사태는 옛날이야기가 될 것입니다. 한국도로공사가 남는 땅에 짓고 있는 연료전지 발전소처럼 앞으로 우리가 알지 못하는 새에 연료전지에서 생산된 전기를 더 많이 사용하게 될 전망입니다. 보이지 않는 곳에서 탄소중립을 실현해나가는 연료전지 기술이 바꿀 밝은 미래를 기대해봅니다.