연료전지의 개념과 특징, 그리고 국내외 현황

연료전지

 

연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 일종의 발전장치이다. 연료전지의 발전원리를 살펴보면 연료전지 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위해 연료인 수소가스를 연료극쪽으로 공급하면 수소는 수소이온과 전자로 분리되며, 공기극에서는 공급된 산소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합하여 물을 생성시키는 산소환원 반응이 일어나는데 이때 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시키게 됩니다.

 

연료전지의 발전시스템은 화석연료로부터 수소를 발생시키는 장치인 개질기(Reformer)와 원하는 전기출력을 얻기 위해 단위전지를 수십장, 수백장 직렬로 쌓아 올린 본체인 스택(Stack), 연료전지에서 나오는 직류전기를 교류로 변환시키는 장치인 전력변환기(Inverter), 연료, 공기, 열회수 등을 위한 주변보조기기(BOP)로 구성됩니다.

 

 

□ 특징

기존 발전 방식은 전기를 얻기까지의 과정에서 열 및 운동에너지를 포함하기 때문에 여러 곳에서 에너지 손실이 발생하지만 전기화학반응을 거쳐 직접적으로 발전을 하기 때문에 에너지 효율이 높다는 특징이 있습니다. 또한 화력발전과 같이 연소과정이 없기 때문에 전기와 물, 열만을 발생시키며 오염물질을 배출하지 않습니다. 현재는 화석연료로부터 수소를 얻고 있으나 풍력과 태양광과 같은 신재생에너지를 사용한 물의 전기분해로 수소를 얻게 되면 연료전지는 이산화탄소 및 질소산화물, 황산화물 등의 배출이 전혀 없는 무공해 에너지가 될 수 있습니다.

 

뿐만 아니라 연료전지는 모듈형태로 제작이 가능하여 발전규모 조절이 용이하고 설치장소의 제약이 적다는 장점을 가지고 있으며 소음, 유해가스 배출을 획기적으로 낮출 수 있어 도심 어디에도 설치가 가능합니다.

 

다만 고도의 기술과 고가 재료 사용으로 인해 경제성이 떨어지는 점과 원료의 대량 생산과 저장, 운송, 공급 등의 기술적 문제들이 연료전지의 상용화를 어렵게 한다는 점이 단점으로 꼽히고 있습니다.

 

 

□ 국내 연료전지 시장 현황

국내 연료전지 보급량은 빠르게 증가하는 추세이긴 하지만 2011년 기준 총 63,000 toe 수준으로 신재생에너지 전체 보급량의 1%에도 미치지 못하는 상황입니다. 하지만 최근 몇 년 사이에는 자지체를 중심으로 연료전지 보급 확산 정책이 시행되고 있습니다.

 

서울시에서는 원전하나 줄이기 종합대책의 일환으로 연료전지발전소 사업 추진에 적극적인 모습을 보이며 물류센터, 차량기지 등의 부지를 적극 활용해 연료전지발전소를 추가 건설할 계획을 세우고 있습니다. 뿐만 아니라 평택은 2014년 360MW급 세계 최대 규모의 평택 연료전지발전소 건립 계획을 발표하면서 다양한 지자체에서 연료발전 계획을 추진 중이며 국내 공기업 5개사(중부발전, 서부발전, 남동발전, 동서발전, 남부발전)에서는 지난 2015년부터 바이오매스에 대한 투자를 줄이고 풍력 및 연료전지에 집중 투자하는 방향으로 신재생에너지 투자계획을 수립하기도 하였습니다.

 

선진국에 비해 뒤쳐져 있던 가정용 연료전지 사업 역시 2014년을 기준으로 탄력을 받고 있는 상황으로 기존에는 정부 보조금으로 단일 가정에 설치되었던 것과 달리 2014년에 동탄 1신도시 내 타운하우스 ‘세인트캐슬’ 108세대에 연료전지 시스템을 공급하였으며 이는 국내 주택용 보급 이후 단일 수용가로 최대 용량입니다.

 

또한 최근에는 국내 기업들이 연료전지 사업과 관련하여 해외기업들과의 협력을 통한 해외시장 진출을 모색하고 있습니다. 특히 현대자동차의 경우 연료전지 자동차 시장에서 세계 정상급의 기술수준을 가지고 있다고 합니다.

 

이러한 추세를 감안하면 상용화 및 연료전지에 대한 인식 확산을 통해 오는 2020년을 기점으로 폭발적으로 연료전지 시장이 확대될 것으로 예상하고 있습니다.

 

 

□ 해외 연료전지 현황

2013년에 발표된 일본 후지경제연구소의 전망에 따르면 해외 연료전지 시장 규모는 향후 15년간 약 73배 증가하여 2011년 699억 엔에서 2025년 5조 1,843억 엔에 이를 것으로 예상하였으며, 용도별로는 연료전지 자동차 시장이 9,700배 증가하는 등 최대 성장부문으로 예상되고 업무/산업용 19배, 가정용 69배 성장을 통해 지속적인 시장 확대가 기대될 것으로 전망하였습니다.

 

현재 발전용 연료전지 분야에서는 미국과 우리나라가 주도해 나가고 있는 가운데 미국의 Fuel Cell Energy는 미국 내에서의 제품 용량을 증가시키는 동시에 우리나라의 포스코 에너지와의 협정을 통해 제품 설치 및 발전에 박차를 가하고 있으며 Bloom Energy는 델라웨어 주 전력 그리드에 30MW를 공급할 두 대의 대형 연료전지 발전장치를 건설 중입니다.

 

가정용 연료전지 분야에서는 일본이 가장 빠른 보급과 성장을 보이고 있는데 지난 2011년 대지진 이후 전력공급의 어려움을 겪으면서 700W급 소형 가정용 연료전지의 판매가 호조를 이루면서 2014년 9월 기준 주택용 연료전지 보급량이 10만대를 돌파하였으며 2020년에는 140만대, 2030년에는 전체 가구의 10% 수준인 530만대로 확대될 것으로 전망됩니다.

 

전세계 연료전지 발전 전망