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세계 최고 효율의 25kW급 연료전지 개발한다

효율·내구·안전성 향상과 가격 저감 목표
KS인증 심사기준 체계 구축 및 CE인증 추진



[월간수소경제 김민석 객원기자] 전 세계 유래 없는 코로나19 팬데믹으로 인해 생활방식과 경제구조에 큰 변화가 일고 있다. 사람들은 이러한 신종 바이러스의 거침없는 확산이나 이상 기후의 근본 원인이 되는 지구온난화에 더욱 큰 관심을 가지게 되었다. 


정부는 최근 발표한 ‘한국판 그린뉴딜’을 앞세워 2025년까지 160조 원을 투자해 지금과 같은 경제위기와 환경 문제를 동시에 해결하고자 하고 있다. 


한국판 그린뉴딜은 크게 도시·공간·생활 인프라 녹색 전환, 녹색산업 혁신 생태계 구축, 저탄소·분산형 에너지 확산의 3가지가 주요 추진 목표이며, 같이 시행되는 ‘제로에너지건축(ZEB)’ 의무화 또한 그린뉴딜 정책의 일환이다. 


그린뉴딜은 탄소에 의존하는 경제에서 신재생에너지를 활용하는 저탄소 경제로의 전환을 선언하고 기후변화에 대응해 지속 가능한 성장을 도모하는 것이 가장 큰 목적이다. 이러한 정책에 가장 부합하는 신재생에너지 중 하나가 수소연료전지이다. 

 



그린뉴딜에 적합한 ‘수소연료전지’

수소연료전지는 다른 에너지원에 비해 설치 면적이나 소음, 에너지 밀도 등에서 지니는 장점으로 인해 도심형 분산발전원으로 가장 적합한 것으로 알려져 있다.


수소연료전지는 순수소 또는 도시가스(LNG)에서 추출된 수소를 이용해 전기와 열을 생산하는 열병합발전기술이며, 분산발전원 중 가장 높은 효율을 가지는 친환경・고효율의 시스템이다. 


또한 날씨 등의 외부 환경에 영향 없이 1년 365일 원하는 기간과 시간 동안 필요한 만큼의 발전이 가능함으로써 ‘한국판 그린뉴딜’ 정책의 ‘그린 리모델링’이나 ‘제로에너지화’, ‘스마트 그린도시’ 구축에 가장 적절할 것으로 예상된다. 


아울러 지난 2019년 1월 정부에서 발표한 ‘수소경제 활성화 로드맵’에는 수소사회를 통해 기존 중앙 집중에서 분산전원으로 에너지 패러다임을 변화시키고자 하는 정부의 의지가 담겨 있으며, 수소연료전지가 그 변화를 이끌 것으로 기대된다. 

 

25kW급 연료전지시스템 개발 착수

산업통상자원부가 주관하는 2020년 상반기 에너지기술개발사업 중 하나인 ‘25kW급 건물용 연료전지(PEMFC) 시스템 개발 및 실증’ 사업이 착수됐다. 이는 수소경제 활성화 로드맵의 건물용 연료전지 보급 목표(2040년 2.1GW) 달성을 위해 정부에서 전략적으로 추진하는 연구개발 사업이다. 


이번 기술개발 사업의 최종 목표는 세계 최고 효율의 25kW급 건물용 연료전지 시스템을 개발하고 실증하는 것으로, 정부지원금 92억 원을 포함해 총 122억 원의 사업비가 투입되어 2020년부터 총 4년간 주관기관인 에스퓨얼셀과 함께 이노엔, 아크로랩스, 에스지유코리아, 센도리 등의 중소기업과 한국에너지기술연구원, 경북대학교, 국민대학교가 참여기관으로 참여해 기술개발을 진행한다. 



첫 번째 기술개발의 목표는 효율 향상이다. 현재 25kW급 PEMFC의 전기효율은 세계 최고 수준인 일본의 가정용 700W급 연료전지와 동일한 40% 수준이다. 이를 위해 고효율 연소 시스템과 고기능성 촉매를 적용해 수소추출기의 연료 변환 효율을 향상시키고, 차세대 전력 반도체(WBG) 소자 적용을 통해 전력변환 효율을 극대화할 계획이다. 


또한 연료전지에서 생성되는 열 이용률을 높이기 위해 사계절 열 활용 최적화 알고리즘을 적용해 여름철 폐열 활용률을 극대화할 예정이다.  


두 번째 목표는 내구성 향상이다. 세계 최고 수준의 내구성(핵심부품 4만 시간 이상) 확보를 위해 전기 탈 이온 장치(EDI)를 연료전지에 적용, 냉각수 및 개질수 전도도를 최상의 상태로 유지해 핵심부품인 수소추출기 및 스택의 내구성을 비약적으로 향상시킬 계획이다. 


아울러 수소추출기 용접부 강화와 함께 금속 분리판에 코팅을 추가하는 등의 공정을 통해 내구성을 향상시킬 예정이다.  


세 번째 목표는 가격 저감이다. 연료전지시스템 판매가를 현재의 절반 수준(연간 1,000대 판매기준)으로 낮추기 위해 수소추출기의 개질촉매를 국산화해 기존 수입품 대비 20% 이상 단가 저감을 달성할 계획이다.  


이와 함께 건물용 연료전지에 적용이 가능한 금속 분리판과 분리판 일체형 개스킷을 적용한 스택을 개발해 기존 대비 50% 이상 단가 저감을 달성하고, 모듈형 인버터 개발을 통해 기존제품 대비 30% 이상 단가를 낮출 예정이다. 


이러한 기술개발을 통해 가격 저감뿐만 아니라 핵심부품(수소추출기 및 스택) 국산화율을 기존 약 50% 수준에서 90% 수준으로 향상시키는 게 목표다. 또 다수의 중소기업이 참여하는 지역 기업 중심의 서플라이 체인(supply chain)을 생성하고, 이를 통해 수소산업 생태계 형성에 기여할 것이다.  


마지막 목표는 연료전지의 안전성 및 신뢰성 확보다. 건물용 연료전지의 KS 인증은 현재 10kW급까지만 가능한 상태이다. 이번 과제를 통해 25kW급 건물용 연료전지에 대한 KS 설비 심사기준 체계를 구축함과 동시에 국제 규격인 CE 인증을 획득함으로써 안전성을 확보하고 해외시장 진출까지 준비할 예정이다. 


또한 LH(한국주택토지공사)와 함께 실증을 진행함으로써 장기 운전에 대한 신뢰성을 확보함과 동시에 향후 제로에너지 건축물 및 공동주택에 대규모 보급을 진행할 예정이다.



 

25kW급 개발 기대효과

이번 기술개발 사업을 통해 개발되는 25kW급 건물용 연료전지의 장점은 그린뉴딜 정책과 그린 리모델링 정책에 따라 신재생에너지 설치용량이 증가하는 추세에서 적은 대수의 설치로도 필요한 신재생에너지 요구 설치량을 만족시킬 수 있다는 것이다. 


이를 위해 KS설비 인증 심사기준 체계를 과제 기간 동안 구축하고, 이에 필요한 장비와 환경을 정비해 개발 즉시 사업화에 연계될 수 있도록 할 계획이다.  


이번 사업의 주관기관인 에스퓨얼셀은 건물용 연료전지에서 최장 연구 실적, 최대 공급 및 다양한 실증 경험의 장점을 살려 화염감지 기능, 내진 설계 적용, 모듈화 설계 기법, 무화염 버너 등과 같은 혁신적인 기능의 개발・적용을 통해 건물용 연료전지 관련 세계 최고 수준의 기술을 선도하고, 기술개발 사업 종료 후 개발 제품으로 1,200억 원(시장점유 25MW, 제품점유율 40% 시) 수준의 건물용 연료전지 시장을 확보할 것으로 기대한다. 




또한 에스퓨얼셀은 국내에서 유일하게 ‘Fabless 구조’의 연료전지 사업을 진행하기 때문에 소재(촉매, 분리판 등)부터 핵심부품, 시스템, 영업 및 사후관리까지 지역 중소기업 위주의 서플라이 체인을 강화하고, 3,500여 명 수준의 간접고용효과 등 연료전지 산업 생태계 활성화에 직접적으로 기여할 것이다. 


이는 정부 주도의 기술개발 사업이 시장을 확대하는 동시에 관련 산업 생태계를 형성하는 선순환 구조를 만들 수 있다는 것을 보여준다. 





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