정부지원아래 국산화율 증진 총력
가스업계 중심 산학연 올해부터 모니터링 사업

국내 수소연료전지 산업은 국가 주도형으로 단계적인 국산화 개발 총력에 초점을 맞추고 있다. 특히 가정용 연료전지의 실증사업과 관련해 한국가스공사를 비롯한 10여개 도시가스회사를 중심으로 가스업계가 주도적으로 이끌고 있다. 이에 따라 오는 2008년까지 추진되는 내구성 확보와 초기시장 형성, 관련 장치의 국산화율 증진을 위한 ‘가정용 연료전지 모니터링 사업’에 거는 기대는 매우 크다. 지금까지 GS퓨얼셀, 퓨얼셀파워 등 2개 시스템 제작업체가 참여하고 있지만 앞으로 신규 대기업의 참여와 정부의 지원사업 아래 발전효율, 설치의 용이성 등 여러 면에서 장점을 가지고 있는 가정용 연료전지 국산화 개발이 기대되고 있다.

기술개발 어디까지 왔나

가정용 연료전지 분야에서는 각 나라의 실정에 맞게 일본이 1kW급, 미국 및 유럽이 5kW급의 기술개발을 선도하고 있다. 우리나라는 1~3kW급의 가정용 연료전지와 관련해 지난 2004년부터 지난해 8월까지 2년간 수소연료전지사업단의 운영 아래 연구개발을 진행했다. 연구 사업내용으로 △1.5/3kW급 가정용 연료전지 △1kW급 가정용 고분자 연료전지 △2kW급 가정용 고분자 연료전지 등의 시스템 실증연구가 주요 사업이다.

1.5/3kW급 가정용 연료전지 시스템 실증연구는 GS퓨얼셀이 주관기관으로 참여해 가스공사, 에너지기술연구원, 생산기술연구원 등과 함께 총 사업비 18억원이 투입돼 추진됐다. 주요 성과로는 국내기술로 제작된 가정용 연료전지 시스템의 안정성 및 내구성을 검증했으며 선진국 수준인 95%의 가정용 연료전지 완성도를 달성했다는 평가다.

퓨얼셀파워가 주관기관으로 진행한 1kW급 가정용 고분자 연료전지 실증연구는 가스안전공사와 효성이 위탁기관으로 참여했다. 5억원이 투입된 이 사업으로 가정용 고분자 연료전지 열병합 시스템의 실증운전 및 시스템 개선을 성공적으로 수행했다. 또한 선진국 수준인 발전효율 30%, 열회수를 포함한 총 효율 70%를 달성했다.

특히 연속운전 3500시간 및 DSS(Daily Start and Stop)운전 50회로 당초 목표를 초과 달성했으며 시스템 국산화를 위해 셀스택, 전력변환기, 열회수모듈 및 시스템 통합제어 등에서 국산화에 이르렀다. 여기에 계통연계운전 및 열병합 운전을 성공적으로 진행하고 시스템 관련 설치, 안전, 유지보수 및 성능평가법 등을 검증했다.

끝으로 2kW급 가정용 고분자 연료전지의 경우 대구도시가스가 주관기관으로 연구개발을 진행했다. 경북대, 온시스, 에이피엑스 등이 참여한 이 과제는 일반편의점과 독립주택을 대상으로 자체 개발한 2kW 고분자 연료전지를 운전해 효율29%, 총 누적운전시간 2200시간 이상을 달성했다. 이는 동급의 독일제품 가정용 연료전지 기술과 비슷한 수준을 보이고 있다. 또한 전체 효율향상에 중요한 역할을 담당하는 인버터 개발에서 세계적 수준 이상의 효율인 91%의 성능을 가지는 인버터를 개발해 국산화에 기여했다.

新기술 시스템에 적용

퓨얼셀파워는 국내 처음으로 2003년 가정용 연료전지 국산 신기술(KT-Mark)인증을 받았으며 자체적으로 핵심장치인 스택을 개발하고 있는 연료전지 전문기업이다. 지난해 7월에는 귀뚜라미보일러와 합작으로 연료전지발전시스템과 열회수시스템을 일체화한 1kW급 가정용 연료전지를 출시했다. 그 동안 한국, 미국, 일본 등에 보급되고 있는 연료전지 열병합시스템은 발전시스템과 열회수시스템으로 이원화돼 설치면적이 크고 설치과정이 복잡한 국내 아파트와 주상복합 등 좁은 면적에 설치가 어려운 단점이 있었다.

1kW급 일체형 연료전지는 시스템의 밑면적을 0.56㎡(약0.17평)으로 줄여 가정용 연료전지 선진국으로 알려진 일본의 시스템보다도 40~50% 설치면적이 줄였다. 또 시스템의 일체화로 기존의 시스템보다 열회수효율 등 에너지효율을 크게 높일 수 있다.

삼성종합기술원에서 고온형 가정용 연료전지 개발에 성공했다. 그동안 저온형(80℃) 기술 중심으로 연구되고 있는 기술적 한계로 제조비용과 시스템의 내구성 확보가 답보상태에 머물고 있는 상황을 고온형(150℃ 이상) 기술을 통해 극복할 수 있는 가능성을 확인했다. 이로써 가정용 연료전지의 다양성 기반을 구축했다는 점에서 의미가 있다는 평가다.

삼성종기원은 제조비용을 절감하기 위해 가습기와 개질기의 최종 처리장치를 없앴다. 이에 따라 연료전지의 부피도 기존보다 20% 이상 줄여 190L로 최소형화 했다. 하지만 실질적인 열회수시스템과 연계한 시스템 구현은 현재까지 연구단계 있는 것으로 알려졌다.

GS퓨얼셀은 지난해 12월 대전 사업소를 서울 성내동에 위치한 GS칼텍스 신에너지연구센터로 단계적으로 이전하고 있어 앞으로 연료전지 시장 개척에 있어 서울의 지리적, 인적자원 이점을 충분히 활용한다는 방침이다. 가정용 연료전지 연구개발팀과 사업개발팀이 지난해까지 입주를 완료했으며 오는 3월까지 생산팀이 합류해 가정용 연료전지 산업에서 주도적인 지위를 더욱 확고히 한다는 방침이다. 또한 3년간의 연료전지 모니터링 사업을 통해 제품의 신뢰성 및 내구성을 확보, 2009년부터 대량생산체제를 갖춘다는 계획이다.

연료전지용 장치 개발도 ‘붐’

오선텍은 연료전지의 핵심 분야 가운데 하나인 개질기 장치에 역량 있는 기업으로 수십 차례의 자체시험과 운전을 바탕으로 내구성증대 및 수소개질장치의 데이터베이스 구축을 추진하고 있다.

지난 2000년 이후 지금까지 오선텍은 12개 버전의 개질기를 내놓으면서 끊임없이 연구개발하고 있다. 또한 연료전지용 가스 분석기를 확보하고 고성능 저비용 개질장치의 생산을 앞당기고 있으며 최근에는 연료전지용 전력변환장치를 국산화해 업계에 관심을 끌고 있다.

하이젠은 지난해 연료전지용 가습기를 성공적으로 국산화했다. 개발한 가습기는 저온형 연료전지 시스템 분야에서 개발이 어려운 핵심 분야 가운데 하나인 양극판·음극판 부분의 가습기(Humidifier)를 선보인 것이다. 이에 따라 하이젠은 고유 모델의 연료전지용 가습기 제품화에 탄력을 받을 수 있게 됐다. 이밖에도 14채널까지 담당할 수 있는 연료전지 평가시스템을 개발했으며 휴대용 연료전지분야 중 부탄연료전지 시스템의 성능평가장치 구현도 마무리 단계에 있는 것으로 알려졌다.