[이달의 과학기술인상] 연료전지 출력 10배↑..고효율 재생에너지 발전 길 터

공상과학(SF) 영화인 ‘스타워즈’에서는 미래 발전소, ‘007시리즈(Quantum of Solace)’에서는 에코호텔 발전장치로 각각 소개된 기술은 무엇일까. ‘터미네이터3’에서는 터미네이터의 심장, ‘마이너리티 리포트’에서는 톰 크루즈의 미래형 자동차, ‘오블리비언’에서는 드론의 전원으로 선보인 이것은 바로 연료전지다.

연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 장치로 발전효율이 높은 친환경에너지 기술로 꼽힌다. 발전소의 경우 액화천연가스(LNG) 연료전지발전소를 예로 들 수 있다. 연료전지는 요즘 지구온난화에 (초)미세먼지까지 ‘엎친 데 덮친 격’으로 지구와 인류가 몸살을 앓는 상황에서 효과적인 에너지원으로 꼽힌다. 태양광·풍력 등 재생에너지의 잉여전력을 수소 등 화학에너지 형태로 고용량으로 저장하는 기술로도 주목받고 있다.

과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 2월 수상자인 이종호 한국과학기술연구원(KIST) 청정기술연구소 책임연구원은 세계 최고 수준의 고성능 프로톤(수소이온)세라믹연료전지(PCFC)를 큰 면적으로 제조할 수 있는 기술을 개발해 상용화 가능성을 높였다. 기술 개발에는 지호일 KIST 선임연구원과 신동욱 한양대교수팀이 협업했다.

세라믹연료전지는 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 다른 유형의 연료전지보다 발전효율이 뛰어나며 수소 이외에 LNG 등 다양한 연료를 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 특히 프로톤세라믹연료전지는 수소이온을 전달하는 세라믹 전해질로 구성돼 기존 세라믹 연료전지의 전해질보다 전기전도율이 이론적으로 100배 이상 높다. 연료전지 중 가장 높은 성능을 낼 수 있는 차세대 연료전지다.

하지만 소재의 물성이 기존 세라믹 연료전지보다 복잡하고 까다로워 박막 전해질-전극 접합체 제작이 매우 어렵고 고온 공정 중 급격하게 성능이 저하되는 문제로 상용화 가능성이 낮다는 평가를 받았다. 이런 상황에서 그동안 불가능하게 여겨졌던 PCFC의 상용화 가능성을 보여준 것이 바로 이 박사팀이다.



연구팀은 PCFC의 전해질-전극 접합체 구조의 열처리 과정 중 전해질이 치밀해지는 원리를 세계 최초로 확립하고 공정 온도를 획기적으로 낮추는 데 성공했다. 저온 동시 열처리 기술을 적용해 전해질의 물성이 열화되지 않고 우수한 전해질-연료극 접합구조를 확보했다. 셀 구성 성분 간 수축률과 온도 차이를 최대한 낮춰 전해질의 결함도 최소화했다. 앞으로 산업체에서 활용이 용이하도록 스크린인쇄법, 마이크로파 열처리 등 경제적인 공정을 적용하려 했다. 그 결과 상용화가 가능한 큰 면적의 전지가 기존 실험실 규모의 연구 결과를 압도하는 10배 이상의 고출력 효과를 냈다.

이 박사는 “PCFC의 성능을 극대화하고 상용화 가능한 수준의 대면적(5×5㎠) 전지를 제조할 수 있는 공정 기술을 개발했다”고 소개했다. 저온 전해질-연료극 동시제작 공정 기술은 신규 소재에도 적용될 수 있고 PCFC의 추가 대면적화도 가능하다는 점을 입증했다는 것이 그의 설명이다. 이 기술이 상용화되면 현재 두산퓨어셀·포스코에너지 등이 보급하고 있는 LNG 기반 연료전지발전소보다 훨씬 경제적이고 발전효율이 높은 차세대 연료전지발전소가 구현될 수 있을 것으로 기대된다.



현재 LNG발전소는 외국에서 LNG를 수입해 연소과정을 거친 뒤 전기를 생산할 때 적지 않은 이산화탄소와 미세먼지·아황산가스·질소산화물이 나온다. 화력발전소 못지 않은 대기오염의 주범인 셈이다. 하지만 같은 LNG 기반 발전이라도 연료전지를 이용하면 오염물질 배출을 획기적으로 줄일 수 있다. 여기에 이 박사팀이 개발한 차세대 연료전지 기술까지 상용화하면 기존 LNG발전소에 비해 같은 양의 LNG를 소모하면서도 오염물질을 절반으로 줄이되 발전효율은 2배로 높일 수 있게 된다. 만약 물에서 수소를 생산하는 기술이 상용화되거나 외국에서 수소 수입이 안정적으로 이뤄져 수소를 직접 활용하게 되면 오염물질을 전혀 발생시키지 않게 된다.

이 박사는 “PCFC 신기술이 개발되더라도 인증이나 검증 등 여러 절차를 밟는 데 시간이 필요해 상용화까지 5~10년은 걸릴 것”이라며 “상용화되면 친환경 LNG 연료전지발전소에 적용한 뒤 현대차가 주력하는 수소전기차용 연료전지로도 확대할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이와 함께 연료전지를 큰 면적으로 제작할 수 있다는 이점을 살려 재생에너지의 대용량 연료 생산과 에너지 저장에도 활용할 수 있다. 로봇이나 드론 등 영화에서 접했던 분야에도 신기술을 적용할 수 있다. 이 박사는 “PCFC 상용화와 함께 재생에너지의 잉여전력을 저장해 활용하는 후속연구도 함께 진행하겠다”고 의지를 나타냈다. 이번 연구성과는 에너지 기술 분야의 권위 있는 학술지인 ‘네이처에너지’에 지난해 8월 게재됐다. /고광본선임기자 kbgo@sedaily.com