산업통상자원부는 지난 8월 24일(수) 주형환 장관 주재로 ‘수소 융합얼라이언스 발족식’을 개최하고, 정부와 민간이 힘을 합쳐 수소전기차 보급과 수소충전소 확산에 힘을 모으기로 결의했다. 이는 지난 7월 7일 제10차 무역투자회의에서 발표한 ‘전기차·수소차 발전전략’ 후속조치의 일환으로 추진되는 것이다. 향후 수소 융합얼라이언스를 중심으로 수소차 산업 발전을 위한 과제 추진과 함께 시범사업 등의 성공사례가 만들어질 것으로 기대된다.

수소차 보급과 수소에너지 확산 본격 추진

우리나라는 '13년 세계 최초로 수소전기차 양산에 돌입했으며 정부의 기술개발 지원 등을 통해 부품국산화도 적극 추진해왔다. 국내에는 현재까지 수소전기차 78대가 지자체와 공공기관을 중심으로 보급되어 있으며, 수소충전소는 연구·실증용 중심으로 10기가 운영 중에 있으나, 아직 높은 차량가격과 충전인프라 미비로 본격적인 확산에는 한계가 있었다.
수소에너지는 미래 유망 에너지로 부각되고 있으나, 관련 업무가 여러 부처에 흩어져 있고 연관된 업체가 복잡하여 개별주체의 노력만으로는 산업이 자생적으로 성장하는데 어려움이 있어 민관협의체의 필요성이 지속 대두되어 왔다. 이에 정부와 지자체 및 관련 업계가 모여 민관협의체인 수소 융합얼라이언스를 결성을 위한 협약서에 서명하고 이를 구심체로 수소차 보급과 수소에너지 확산을 본격 추진하기로 한 것이다.

수소 융합얼라이언스를 중심으로 경쟁우위 지켜나가야…

수소 융합얼라이언스에는 수소 관련 정부부처(산업부, 국토부, 환경부)와 지자체(울산, 광주, 충남), 수소차·부품업체, 수소제조·유통업체, 수소충전소설치 업체 등이 광범위하게 참여하여 향후 수소차와 수소에너지 확산을 위한 컨트롤타워로서의 기능을 수행할 계획이며, 원활한 업무추진을 위해 산하에 추진단을 상설로 운영하여 수소에너지의 확산과 수소전기차의 보급 확대, 수소충전소 설치·운영 회사 설립 및 수소전기차 연관산업 육성과 국제협력 업무 등의 업무를 담당할 예정이다.

주형환 장관은 이 자리에서 “미래 자동차산업의 경쟁력 확보뿐만 아니라 온실가스, 미세먼지 등 환경문제의 대안으로 수소전기차가 부각되고 있다”고 밝히며, 우리나라는 석유화학단지를 중심으로 수소공급여건이 양호하고 인구밀도가 높아 다른 나라보다 수소차 보급에 유리한 조건”이라고 언급했다. 그리고 이어 “수소 융합얼라이언스를 중심으로 수소차산업 발전을 위한 과제 추진과 함께 시범사업을 통해 성공사례를 만들고 이를 확산시켜 수소전기차분야에서의 경쟁우위를 지켜나가야 한다”고 강조했다.
한편, 정부는 7월 7일 무역투자진흥회의 등을 통해 ‘전기차·수소차 발전전략’을 마련하여, 2020년 수소차 1만대 보급과 수출 1.4만대, 충전소 100기 구축을 목표로, 수소차와 수소충전소의 핵심기술개발을 집중 지원하는 것은 물론, 수소차에 대한 구매인센티브(개소세·취득세 감면) 및 전기차에 준하는 운행인센티브(유료도로 통행료 할인, 주차요금 50% 이상 할인, 전용번호판 도입 등) 부여와 함께 충전소 인프라 확충을 위한 규제완화를 집중 지원할 계획이다.

산업통상자원부 www.motie.go.kr

스위스 로잔공과대학(EPFL)의 한 연구진이 간단하면서 신뢰성이 높은 저비용 수소생산 장치를 개발했다. 이들이 개발한 시스템은 일반적인 시스템의 전극 사이에 위치한 값비싼 멤브레인(Membrane)을 사용하지 않고도 물을 전기분해하는 것이 가능하다.
Demetri Psaltis가 담당하고 있는 EPFL 연구팀은 간단하면서 다양한 조건에 적용 가능한 물 전기분해 공정을 통해 수소를 생산하는 시스템을 개발했다. 이들은 유체역학적 힘(Fluid Mechanic Forces) 사이의 균형을 유지함으로써 기존 시스템 전극 사이에 위치했던 값비싼 멤브레인을 제거할 수 있었다.
일반적인 물 전기분해 시스템은 물 속에 두 개의 전극을 위치시키고 고분자 멤브레인(Polymer Membrane)으로 이들을 분리하는 형태이다. 그리고 전류는 하나의 전극으로 들어갔다가 다른 전극 통해 이동하게 된다. 이 때 전류는 촉매의 도움을 받아 물 분자를 수소와 산소로 분리한다. 또한 분리된 수소와 산소가 다시 혼합돼 폭발성 혼합물이 되는 것을 막기 위해 고분자 멤브레인(Polymer Membrane)을 사용한다. 이번 설계는 산도가 높은 용액을 사용할 필요가 없기 때문에 모든 종류의 액체 전해질이나 촉매를 적용할 수 있다. 이러한 다양성은 일반 시스템에서는 불가능하다. 일반 시스템은 낮은 pH에서도 원활하게 활용할 수 있도록 백금과 같이 값비싼 금속으로 이뤄진 촉매만을 사용할 수 있기 때문이다.

도시바 코퍼레이션이 도쿄 서부에 위치한 후추 복합단지(Fuchu Complex)에 ‘도시바그룹 수소경제 연구개발센터(Toshiba Group Hydrogen Energy Research & Development Center, 이하 HRDC)’를 열었다고 발표했다. 새로 문 연 이 센터는 수소경제를 구현하기 위한 범 그룹 차원의 전략 계획에 초점을 맞추게 된다. 또한 수소 관련 에너지 기술을 통합하는 솔루션을 개발, 시연하는 데 주력할 계획이다. 도시바그룹은 2020년까지 수소 관련 사업부문의 매출을 1,000억 엔으로 끌어올린다는 목표를 세우고 있다.
수소경제란 수소가 저탄소 청정연료로 활용되는 미래로서 도시바그룹은 그 구현에 필요한 태양광 발전, 풍력 발전, 수력발전 및 기타 재생가능 에너지 발전 시스템, 수전해, 연료전지를 포함한 핵심기술을 보유하고 있다. 도시바그룹은 이들 기술을 수소 생산에서 활용까지 연장해 엔드-투-엔드 솔루션에 통합할 계획이다.
지역 소비에 대한 현지 에너지 생산을 추구하는 도시바그룹은 재생가능 에너지를 사용해 수소발전 수전해 시스템에 동력을 제공하는 실용적인 에너지 공급 시스템을 개발하는 한편, 필요 시 연료전지를 이용해 수소를 전기로 전환할 전망이다. 이 시스템은 고립된 섬이나 오지처럼 전력 발전 및 송전 비용이 높은 지역에 구축될 예정이며 이로써 비용 절감과 안정적인 전력 공급을 지원하게 된다.
도시바그룹은 앞으로 2025년까지 수소 공급사슬을 구축한다는 목표를 세우고 있다. 예컨대 해외에서 대형 풍차를 이용해 저비용으로 생산된 수소를 일본 내 수소동력 가스 터빈 발전소에서 전력을 생산하는 데 사용하는 것이다. 이로써 해외 전력 발전원과 전력 소비지인 일본을 연결하는 전송 라인 없이도 무탄소 전력원인 수소를 대량으로 저장하고 공급할 수 있게 된다.  

90만㎾급 발전기에 ‘수소간접 냉각방식’을 적용이 가능해졌다. 이는 부대설비가 많고, 대형으로 도입비용이 많은 ‘수냉각방식’을 대체할 수 있을 것으로 보인다.
1기로 수십만㎾의 전력을 만들어내는 화력발전소용 대형 발전기는 축의 회전을 전력으로 변환하는데, 워낙 취급하는 전력이 커 약간의 변환손실이 막대한 열로 바뀌기 때문에 강력한 냉각방법이 요구됐다. 그에 따라 지금까지 용량 700㎹A를 넘는 규모의 발전기에는 냉각능력이 높은 수냉각방식을 적용해왔다. 그런데 수냉각방식은 냉각수용 배관 및 펌프, 전동기 이외에 순수를 사용하기 때문에 필요한 이온교환수지 등 부대시설이 필요해 소형화가 어렵고, 공사기간도 길어진다는 단점이 있었다.
이러한 상황에 최근 일본 기업이 900㎹A급의 발전기에 수소간접 냉각방식을 적용할 수 있다고 발표해 화제를 모았다. 수소간접 냉각방식이 적용 가능한 발전기의 출력이 약 1.2배까지 높아졌다고 밝혔다.
화력발전소용 터빈 발전기의 신제품인 ‘VP-X 시리즈(용량 870㎹A)’의 검증시험은 2014년 11월에 완료됐다. 수냉각방식과 비교해 도입비용 역시 저감할 수 있어 향후 700~900㎹A대의 수냉각방식의 기종을 수소간접 냉각방식으로 교체할 예정이라고 전했다. 검증기의 크기는 길이 13.5m, 깊이 5m, 높이 6m이다. 검증기와 판매되는 제품의 사양은 동일하다. 검증기의 회전수는 매분 3,600회이고, 출력전압 2만 5,000V, 출력전류 2만 92A이다.
동일한 용량대의 수냉각방식의 기종은 효율이 98.8~99%이다. 대전류가 흐르는 도체부를 소형 프레임에 맞춘 콤팩트 설계로 했기 때문에 효율이 약간 저하됐으나, 이번 VP-X 시리즈는 99.0%이다. VP-X 시리즈에서는 기내에서 발생하는 열을 최소한으로 억제할 수 있다고 밝혔다.

▲ 터빈 발전기 용량 870WA의 검증기(사진. KISTI 미리안)

최근 도시바(Toshiba Corporation)는 재생가능 에너지(Renewable Energy)와 수소(Hydrogen)를 이용한 독자적인 에너지 공급 시스템(Energy Supply System)의 실증 테스트를 위해 일본 카와사키시(Kawasaki City)와 상호 협력할 것을 약속하였다. 이 시스템은 카와사키 마리엔 공공시설 및 Higashi Ogishima Naka Park에 구축되었으며, 내년 4월부터 실증테스트가 시작되어 2020년 말에 완료될 예정이다. 카와사키 마리엔은 유사시 지정된 긴급 피난 장소이다.

재난 발생시 이 시스템은 약 300여 명의 피난민들에게 1주일 분량의 전기와 온수를 공급할 수 있다. 독립적인 에너지 시스템은 태양광발전 (Photovoltaic) 설비와 저장용 배터리, 수소를 생산하기 위한 물 전기분해(Water Electrolysis) 장비, 수소 및 물 탱크, 연료전지(Fuel Cell)로 구성되어 있다. 태양광발전 설비를 통해 전기를 생산한 후 이 전기를 활용하여 물을 전기분해한다. 그렇게 되면 수소가 생산되며, 이 수소는 탱크에 저장되었다가 필요시 전기와 온수를 공급하기 위해 연료전지로 보내진다.

에너지 공급 시스템의 장점은 오직 태양광과 물만을 이용하여 가동할 수 있기 때문에 비상시 전기와 온수를 독자적으로 공급할 수 있다. 또한 트레일러를 이용하여 재난이 발생한 지역으로 시스템을 직접 운송할 수 있다. 그리고 유사시가 아닌 일반적인 상황에서는 에너지 공급 설비의 태양광발전 및 저장용 배터리의 최적화된 조절을 통해 카와사키 마리엔 공공설비 및 Higashi Ogishima Naka Park에서 사용되는 전기 수요가 최고치에 도달할 때 이를 보완하는데 활용될 수 있다.

도시바는 자신들의 리튬이온 배터리를 저장용 배터리로 활용하고 있으며, 수소 연료전지 역시 자신들의 제품을 이용하여 장기적으로 안정적인 운영이 가능하게 할 계획이다. 카와사키시는 실증테스트을 위한 환경을 제공할 예정이며, 도시바는 설계, 제조 및 설비유지에 대한 책임을 맡았다. 이번에 얻어진 결과는 카와사키시와 도시바가 공동으로 활용할 계획이다. 카와사키시와 도시바는 스마트 커뮤니티(Smart Community)라는 목표를 위해 지난 2013년 10월 협력에 대한 협약서를 체결한 바 있다.

카와사키시와 도시바는 카와사키 역 근처에 있는 도시바의 스마트 커뮤니티 센터를 운영의 기반으로 활용하여 역 주변의 건물, 상업지역 활성화, 전기 버스 운영을 위한 에너지 관리 등을 포함하는 다양한 방안에 대해 홍보해왔다. 도시바는 거주형 연료전지 개발 및 수소관련 기술을 지속적으로 개발할 예정이다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

연료전지 열병합 발전시스템

기술분야

본 발명은 전기화학반응에 의해 전력을 생산하여 전력수요지에 공급하며 전력생산과정에서 발생되는 열을 회수하여 전력수요지에 공급하는 연료전지 열병합 발전시스템에 관한 것이다.

배경기술

고분자 전해질 연료전지는 수소이온 교환특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 수소를 함유한 연료가스와 산소를 함유한 공기를 사용하여 전기화학반응을 일으켜 전기 및 열을 발생시킨다. 이런 고분자전해질 연료전지는 빠른 시동능력이 있으며, 소형화할 수 있어 이동용 전원, 자동차용 전원, 가정용 열병합 발전 시스템 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이 때, 연료전지를 이용한 열병합 발전 시스템은 물 또는 메탄올, 에탄올, 천연 가스 등 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소를 포함하는 공기를 전기 화학반응을 통해서 분해하고, 이 과정에서 발생되는 전자들을 직접 전기 에너지로 변화시키는 발전 시스템이다. 

연료전지를 이용한 발전 시스템은 기본적으로 연료를 저장하는 연료탱크, 연료를 이송하는 연료 펌핑기, 시스템 내의 열관리를 위한 냉각 모듈, 전기에너지의 관리를 위한 전력 모듈 및 열과 전기 에너지를 발생시키는 연료전지 스택을 구비한다. 개질기는 연료 펌핑기의 동작을 통해 연료 탱크에 저장된 연료 및 물을 공급받고, 연료 및 물을 수증기 개질반응(Steam Reforming), 부분 산화(Partial Oxidation), 자열 개질 반응(Autothermal Reforming), 직접분해법(Direct Cracking), 플라즈마 촉매개질법(Plasma Catalytic Reforming), 흡착부 과반응 개질법(Sorption Enhanced Reaction Process) 등의 방법을 통해 상기한 연료를 수소가 풍부한 개질 가스로 전환한다. 그리고 개질기에서 생성된 개질가스에는 일산화탄소 등과 같은 유해물질이 포함되어 있는 바, 개질기는 유해물질을 정화하여 연료전지 스택으로 공급한다.

한편, 연료전지 스택은 애노드 전극과 캐소드 전극을 구비하며, 개질기로부터 공급받은 수소 기체가 애노드 전극으로 주입되고, 외부 공기로부터 공급받은 산소는 캐소드 전극으로 주입된다. 

이에 따라, 애노드 전극에서는 수소 기체의 산화반응이 일어나고, 캐소드 전극에서는 산소의 환원반응이 일어난다. 결국, 스택에는 기체의 산화 및 환원반응으로 인해 소정의 물과 전자들이 발생하고, 전자의 이동으로 전기에너지가 생성된다. 또한, 산화 및 환원반응으로 인해 스택에는 소정의 열에너지가 발생되는데, 이러한 열에너지는 화학반응으로 생성된 물 또는 스택 냉각유체에 인가된다.

종래기술인 한국등록특허 제0807875의 연료전지 열병합 발전시스템은, 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 전력을 생산하는 연료전지 스택에 발전원료를 개질하여 수소가 함유된 개질가스를 공급하는 연료전지 스택에서 필요한 산소를 공급하는 공기 공급 장치, 연료전지 스택을 일정 온도로 유지시키는 냉각장치, 연료전지스택에서 생산된 전력을 이용하여 시스템의 기동, 정지, 발전상태 유지 동작, 제어기능을 수행하는 다수의 주변장치(Balance of Plants) 및 냉각장치에 연결되면서 열 교환을 통해 회수되는 열을 온수로 저장하는 물탱크를 포함하여 구성된다.

종래기술은 연료전지 스택에서 발생하는 전력과 연료전지스택의 전력생산과정에서 발생하는 열을 난방용 온수로 저장하여 전력수요지로 공급할 수 있으나, 여름철에는 전력수요지로 난방용 온수를 공급할 필요가 없으므로 난방용 온수가 물탱크에 그대로 방치되어 식어버리게 되어 열원이 버려지게 되는 문제점이 있다. 또한 종래의 연료전지 열병합 발전시스템은 사용자 및 전력수요지의 용도 특성상 전력만 대부분 사용하는 경우, 시스템 효율이 낮은 문제점이 있다.

이에 따라, 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 다양한 연료전지 열병합 발전시스템의 개발이 필요한 실정이다.

해결하려는 과제

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로 연료전지 스택에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 전력수요지로 공급해 열이 버려지는 것을 방지할 수 있는 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하려는 것이다. 또한 시스템 효율을 극대화 할 수 있는 연료전지 열병합 발전시스템을 제공하고자 한다.

발명의 효과

본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지 스택에서 발생하는 열을 흡열한 냉각유체의 열을 흡열하는 고온부와 외부공기와 접촉되는 저온부를 포함하여, 고온부와 저온부의 온도 차이에 의해 전력을 생산하는 열전모듈이 구성됨으로써, 연료전지 스택에서 발생하는 열을 용이하게 냉각할 수 있고 연료전지 스택에서 발생하는 열을 전력으로 변환하여 전력수요지에 최대한 공급할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 외부로부터 공급되는 연료와 물을 개질반응을 통해 수소가스를 추출하여 연료전지 스택으로 공급하고, 개질 과정에서 발생하는 고온의 폐가스를 열전모듈의 고온부로 공급하는 개질기와 압축수소와 메탄올을 연료전지스택으로 공급하고, 연료 공급 과정에서 발생하는 고온의 열을 상기 고온부로 공급하는 연료공급기가 구성됨으로써, 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도 차이가 증가되어 열전모듈의 전력 생산량이 증가되는 효과가 있다. 특히 본 발명에 따른 연료전지 열병합 발전시스템은 연료전지 스택과 개질기와 연료공급기 이외에 기타 요소들에서 발생하는 모든 열을 회수하여 고온부로 공급하는 열 회수기가 구성되어 열전모듈의 고온부와 저온부의 온도 차이가 더욱 증가되어 열전모듈의 전력 생산량이 더욱 증가되는 효과가 있다.

* 본 내용은 지면상의 이유로 재편집되었습니다.

* 특허정보검색서비스 www.kipris.or.kr

재생 에너지의 저장 효율과 비용 절감을 향상하는 새로운 방법

스위스 연구진이 재생 에너지의 저장 효율을 향상시키고 비용을 절감시킬 수 있는 새로운 연구결과를 발표했다. 저장은 재생 에너지가 해결해야할 주요 문제로, 일반적으로는 재생 에너지로 물을 산소와 수소로 분리한 후, 분리된 수소를 연료로 사용해 왔다. 이 때 물 분해의 효율은 촉매라고 불리는 고체 물질에 의해 결정되는데 대부분 촉매는 표면만이 반응에 사용되며, 나머지 촉매 부분은 활성화되지 않는다는 한계가 있었다.

이에 연구진은 활성 표면만을 화학적으로 박리해 나머지 부분을 버림으로써 촉매의 기여를 극대화할 수 있는 새로운 방법을 개발했다. 이 연구는 물 분해 효율을 2.6배에서 4.5배까지 증가시킬 수 있다는 것을 증명했는데, 이것은 더 저렴하고 더 효율적인 재생 가능한 에너지 저장을 위한 새로운 길을 열어 줄 것으로 전망된다. 연구진이 발표한 저장 방법은 박리라는 프로세스를 포함하는데, 이는 유기 용매를 사용한다. 기존의 금속 산화물 촉매들은 용매 속에 배양되고, 외부 표면(3개의 원자 두께)의 아주 얇은 층은 박리된다. 연구실에서 조사된 결과에 의하면 단일층 표면들은 원래 구조를 유지하지만, 증가된 촉매 특성을 가지고 있었다. 

이번 연구에서는 이리듐 산화물을 포함하는 7개의 일반적인 금속 산화물 촉매가 조사된 것으로 알려졌다. 이리듐 산화물은 물 분해를 위한 가장 뛰어난 촉매 중 하나로 고려되지만 비용이 많이 든다는 한계가 있다. 다른 촉매들은 철, 코발트, 니켈을 기반으로 하는 더 저렴한 금속 산화물이 포함됐다. 

이 데이터는 박리된 금속 산화물이 전체 촉매를 포함하는 반응과 비교할 때 2.6배에서 4.5배까지 반응 속도를 증가시켰다는 것을 증명해냈다. 이것은 박리 방법이 재생 가능한 에너지 시스템 속에서 구현된다면 에너지 저장을 매우 증가시킬 수 있다는 것을 의미한다.

청정에너지원 수소, 생산 ‘인공 광합성’ 기능 향상

국내 연구진이 태양광을 이용해 물을 분해하여 수소를 생산하는 인공광합성 과정에 필요한 이리듐 착체 감광제의 분자활성을 기존 최고 효율의 감광제와 비교하여 2배 이상 높이는 데 성공했다. 물 분해에 필요한 에너지를 공급하는 감광제의 활성이 높아짐에 따라 향후 청정에너지원인 수소의 생산 효율을 높이는데 기여할 것으로 기대된다.

서울대학교 재료공학부 박수영 교수와 황동렬 박사과정 연구원 등이 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 리더연구자지원사업(창의적연구) 등의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 앙게반테 케미(Angewandte Chemie International Edition) 9월 11일자 온라인판에 게재되었다.

수소는 휘발유보다 2.75배 많은 에너지(수소 1g당 122KJ)를 낼 수 있으며, 온실가스를 만들지 않아 청정에너지원으로 주목받고 있다.

하지만 수소의 생산을 위해 대부분 재생이 불가능한 탄화수소 개질법을 이용하고 있어 친환경적인 공정을 개발하는 것이 관건이었다.

연구팀은 테트라페닐실란 기능기를 도입하여 기존 최고 효율의 이리듐 착체 감광제와 비교하여 분자활성을 2배 이상 끌어 올릴 수 있는 감광제를 비롯해, 이 감광제가 만든 에너지로 물을 분해해 수소를 생산할 수 있는 시스템을 개발해냈다.

개선된 감광제는 물 1리터에서 100리터 이상의 수소 기체를 생산할 수 있는 수준의 분자활성(Turn Over Number) 17,000을 기록했다. 이는 기존 유기금속 착체 감광제 중 가장 높은 수준이다.

감광제의 분자활성을 높여 수소생산 효율을 향상시킴으로써 기존 탄화수소 개질법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 분자활성 개선의 핵심은 감광제의 광안정성을 증진시킨 데 있다.

기존 감광제는 물이나 유기용매로 인해 분해되어, 더 이상 감광제로서의 역할을 하지 못하는 한계가 있었다. 그러나 본 연구에서 부피가 큰 테트라페닐실란 작용기를 도입한 결과, 물 혹은 기타 유기용매의 공격으로부터 감광제를 보호해 수소생산 효율을 장시간 유지시킨다는 사실을 확인했다. 특히 테트라페닐실란 도입에도 불구하고 전기적, 광학적 특성에는 영향을 거의 주지 않았다. <출처: 미래창조과학부>