[가스신문 = 최인영 기자]  전해질과 작동온도에 따라 분류

현재 가장 널리 쓰이는 연료전지 타입은 PEMFC(고분자전해질연료전지)다. 약 80℃에서 작동하기 때문에 저온형으로 분류된다. 약 60%의 효율을 보이고 있다.

작고 가볍게 만들 수 있고, 시동시간이 짧기 때문에 가정, 상업건물, 수송, 휴대용 제품 등에 쓰이고 있다.

최근 연구투자가 활발한 타입은 SOFC(고체산화물연료전지)다. 약 1000℃에서 작동하는 고온형 연료전지다. 연료전지의 열까지 활용하면 효율은 85% 수준이다.

개질기와 같은 외부장치 없이 LNG, LPG 등을 연료로 쓸 수 있다. 소음도 적다. 상시발전을 하는 건물에 적합하다.

그린뉴딜로 ‘분산전원’ 실현 기대

저탄소‧분산형 에너지확산을 추구하는 그린뉴딜 정책에 힘입어 가정‧건물용 연료전지 시장도 성장할 것으로 전망하고 있다. 분산형 전원을 확대해 맞춤형 인프라를 구축하는 것이 핵심이기 때문이다.

전기와 열을 생산할 뿐 아니라 태양광, 풍력 등 재생에너지와 달리 시‧공간의 제약도 극복할 수 있다. 태양광, 풍력 등의 잉여전력으로 수소를 생산하면 재생에너지의 이용률도 높일 수 있다.

안정적인 전력공급을 위해 현재의 중앙 집중식 전력 공급체계를 개편하는 과제가 아직 남아 있다.

정부는 전력계통 부담완화를 위해 전기요금 특례제도 등 인센티브 연장과 함께 신축건물 연료전지 설치 의무화를 확대하고 있다.

지난 2019년 정부가 발표한 수소경제활성화로드맵에는 올해까지 누적 50㎿ 규모의 가정‧건물용연료전지를 보급한다고 명시돼 있다. 오는 2040년까지 2.1GW(약 94만가구)를 보급하기 위해 보조금 등 정부의 정책이 필요하다. 소비자가 경제성을 얻지 못하기 때문에 구매혜택뿐 아니라 이용‧관리 측면의 지원책도 필요하다고 볼 수 있다.

수소와 산소의 전기화학반응으로 전기와 열을 만드는 수소연료전지. 천연가스(CH₄)에서 추출한 수소를 사용하고 있지만 최근 청정수소에 대한 관심도 높아지고 있다.

이에 국내 제조사도 연료전지에 수소를 직접 공급하는 모델을 개발‧출시하고 있다. 천연가스 개질 시 나오는 탄소를 줄이기 위한 기술과제도 수행하고 있다. 이산화탄소(CO₂) 등 대기 오염 없는 청정발전원으로 거듭나기 위해서다.

분산전원이자 비상전원으로써의 가치를 지닌 가정‧건물용연료전지. 현재 세계에서 가장 많은 보급량을 기록한 국가는 일본이다. 지난 2011년 동일본 대지진 이후 정부가 분산발전 정책을 펴면서 가정용 연료전지(Ene Farm) 확산에 기여했다. 지난 2009년 5월 파나소닉사가 천연가스 개질방식의 연료전지를 세계 최초로 선보인 이후 일본 정부는 보조금에 기반해 현재까지 누적 40만대 이상의 연료전지를 보급했다. 온수 사용량이 많고, 지진 등 자연재해가 잦은 환경여건도 연료전지 확대를 이끌고 있다.

우리나라는 2년 연속 수소전기차와 발전용 연료전지 시장에서 세계 1위를 기록하고 있다. 하지만 가정‧건물용연료전지 시장은 아직 초기단계다. 올해부터 가스요금 인상도 불가피할 것으로 전망되면서 연료전지 시장에 악재로 다가오고 있다. 연료전지의 연료비용이 일반 전기요금보다 비싸기 때문에 소비자 입장에서 경제성을 얻기 힘들다는 해석이다.

국내 가정‧건물용 시장을 이끄는 제조사에는 두산퓨얼셀파워, 범한퓨얼셀, 에스퓨얼셀, 미코파워, STX에너지솔루션, 에이치앤파워 등이 있다.

저온형(PEMFC)와 고온형(SOFC) 양대기술을 중심으로 시스템을 선보이는 국내 가정‧건물용 연료전지제조사들은 올 한해 어떠한 사업계획을 구상하고 있을까.

친환경과 에너지효율, 두 마리 토끼를 모두 잡기 위해 한 걸음씩 도약하는 국내 시스템 6개 제조사의 그간의 성과와 향후 계획 등에 대해 알아본다.

연료전지 원천기술 보유한 두산퓨얼셀파워

세계 최고 효율의 10㎾급 SOFC 출시

PEMFC 제품군을 시작으로 최근 SOFC제품까지 선보인 두산퓨얼셀파워(BU장 김덕현)는 세계에서 유일하게 PEMFC, SOFC의 원천기술을 보유하고 있다. 두산그룹에 속한 두산퓨얼셀의 PAFC(인산형연료전지)까지 더하면 연료전지 전방위 기술력을 갖는 셈이다.

주요 제품군에는 1㎾급 가정용과 5㎾, 10㎾ 규모의 건물용 연료전지가 있다. 10㎾급은 PEMFC 타입 중 단일기기 기준 가장 큰 용량이다. 두산퓨얼셀파워의 제품 중 효율도 가장 높다.

정부지원사업에 따른 소비자시장(B2C)뿐 아니라 의무화제도에 기반한 기업(B2B)도 주요 고객군으로 갖고 있다.

최근 의무화시장이 빠르게 성장하면서 국내 건설회사들도 많은 관심을 보이고 있다. 서울을 중심으로 한 수도권 건축시장과 그 궤를 함께하고 있는 것이다.

탈탄소 시대를 맞아 수소 전용 제품도 보유하고 있다. 용량은 1㎾, 10㎾, 25㎾, 100㎾ 등이 있다.

특히 올해에는 10㎾급 건물용 SOFC제품의 출시를 앞두고 있다. 전기효율 53.8%, 열효율 45%를 기록하고 있다. 현재 세계 최고 수준의 효율이다. 기존 PEMFC 제품보다 전력발전효율은 40% 이상 높은 반면 크기는 시중 5㎾급 제품과 유사해 설치공간을 50% 가량 줄일 수 있다. 지난해 9월 제품 개발을 완료했다.

PEMFC 강자를 넘어 SOFC 시장까지 진출하는 셈이다. 자체 연료전지 생산공장, 직영서비스기술팀 등을 보유한 점도 시장에서 인정받는 부분이다.

지난해 기준 누적 3000여 세대에 연료전지제품을 보급한 두산퓨얼셀파워는 일반건물에도 약 3㎿를 설치한 바 있다.

두산퓨얼셀파워는 서울시 재건축 단지를 비롯한 대형건축물에 연료전지를 보급한 경험을 바탕으로 24시간 가동에도 문제없는 연료전지 보급에 주력하고 있다.

잠수함 이어 건물용까지 범한퓨얼셀

SOFC시스템과 메탄올개질기 개발

독일 지멘스사에 이어 세계 두 번째로 잠수함용 연료전지 상업화에 성공한 범한퓨얼셀(대표 정영식)이 건물용 PEMFC 시장에서도 두각을 나타내고 있다. 건물용 PEMFC 시장에 10여 년 늦게 뛰어들었지만 보급률은 낮지 않다.

지난 2019년 제품 첫 출시 이후 지난해까지 의무화시장 약 20곳, 정부지원사업을 통해 40여 곳에 제품을 설치한 것이다.

범한퓨얼셀은 도시가스와 수소전용 제품 모두를 시장에 선보이고 있다. 현재 5㎾급(수소용, 도시가스용)과 6㎾급(도시가스용) 두 가지 제품군을 보유하고 있다. 올해 상반기 10㎾급에 이어 하반기에는 25㎾급 모델을 내놓을 예정이다.

이와 함께 SOFC시스템과 메탄올 개질기도 개발하고 있다. SOFC시스템은 발전효율 60% 이상을 목표로 지난해부터 산업부 과제를 통해 연구하고 있다. 캐스케이드 스택을 활용한 10㎾급 SOFC시스템 개발이다.

연료 이용 안정화를 위해 SOFC스택을 캐스케이드 방식으로 구성, 1차 스택에서 배출한 가스의 수증기를 응축‧제거해 2차 스택에 공급하는 기술이다. 연료이용률을 높여 발전효율까지 제고한다는 전략이다.

현재 한국에너지기술평가원의 공공건물 대상 수소추출기 연계형 연료전지 안전실증과 중소벤처기업부의 수소연료전지 추진시스템을 적용한 친환경 소형선박 개발‧실증, 가정‧건물용 수소연료전지 발전시스템 실증 등의 과제도 수행 중이다.

범한퓨얼셀은 연료전지 분야에서 가장 높은 기술력을 요구하는 잠수함용 연료전지 기술력을 토대로 건물용 연료전지, 수소충전소 구축사업, 수소선박, 무인잠수정, 드론, 수소전기차 등 사업영역을 확장하고 있다.

정부의 2050 탄소중립에 기여하고자 모기업인 범한산업의 압축기기술을 활용해 수소충전소의 핵심설비인 수소압축기 국산화에도 나서고 있다.

건물용 연료전지 대표기업 에스퓨얼셀

비상전원용 의무화 시장 공략 나서

국내 시장점유율 50% 이상으로 파악되는 PEMFC계의 강자 에스퓨얼셀 (대표 전희권)은 가정‧건물용연료전지에서 수소발전시스템에 이르는 제품군을 보유하고 있다.

국내 최초로 한국에너지공단의 5㎾급 건물용 PEMFC시스템 설비인증을 획득한데 이어 지난 2016년에는 연료전지 KS 인증도 취득했다. 2018년에는 수소연료전지기업 최초로 코스닥에도 상장했다.

건물용 연료전지의 연간 생산‧판매량은 600~700대에 이른다. 지난해 3분기까지 누적 약 8.7㎿를 설치했다. 신재생에너지공급의무화 제도에 따른 공공‧민간의무화시장과 주택‧건물지원사업에 따른 정부지원시장을 주요 고객군으로 갖고 있다.

대표 제품군에는 ‘Ecogener’ 시리즈가 있다. 전기효율 35%, 종합효율 85% 이상으로 LNG, LPG 등을 연료로 사용하고 있다.

에스퓨얼셀은 올해 4분기에 연료전지 신제품을 판매할 계획이다. 더불어 수소전문기업으로서의 입지를 다지기 위해 건물 비상전원용 의무화 시장 공략에도 나선다.

수소‧도시가스 범용 모델을 비롯해 수소충전소 전용, 수소전용 연료전지제품도 개발하고 있다.

그동안의 PEMFC 기술력을 살려 모빌리티 시장에도 진출하고 있다. 드론, 선박, 지게차 등에 쓰이는 수소연료전지파워팩과 SOFC 기술 개발도 한창이다.

추출수소가 갖는 대기오염물질 배출문제를 해결하기 위해 국책과제인 이산화탄소(CO₂) 포집 연계형 연료전지 개발사업에도 참여 중이다.

연료전지 스택(Stack), 시스템설계, 수소추출기 등 핵심기술을 독자 개발한 경험을 바탕으로 에스퓨얼셀은 연료전지 기술강화, 생산단가 절감, 수소 가치사슬(Value Chain) 고도화 등 수소경제 전반의 경쟁력 확보에 주력하고 있다.

추출기술 토대로 SOFC도 잡은 에이치앤파워

발전용과 충전인프라까지 사업 확장

천연가스에서 디젤, 가솔린, 수소에 이르는 추출기술력을 바탕으로 에이치앤파워(대표 강인용)는 지난해 상반기 3㎾급 SOFC제품을 시장에 출시했다. 단위시스템을 블록형태로 연계한 에너블럭(ENERBLOCK)이다.

에너블럭은 전기효율 51.7%, 열효율 35%의 고효율 제품으로 열회수장치도 내재하고 있어 연료를 다변화할 수 있다. 모듈형으로 설계해 3㎾ 단위로 최대 20㎾까지 용량 스케일업을 할 수 있다. 건물환경에 맞춰 유연하게 설치할 수 있다.

지난해까지 총 66㎾를 보급했다. 경기, 경북, 충남, 대전 등에 국책과제를 통해 15㎾, 민간사업으로 33㎾를 설치한데 이어 현재 18㎾ 규모를 국비지원을 받아 설치하고 있다.

에이치앤파워는 올해 10㎾급 SOFC를 제작‧시운전할 계획이다. 현재 시스템 설계는 완료했다.

산업부 과제를 통해 올해부터 25㎾급 발전용 SOFC시스템도 개발하고 있다. 내년에는 150㎾급 제품을 개발해 발전용 연료전지 시장을 공략한다는 전략이다.

이를 위해 생산설비도 자동화하고, 인력과 설비용량을 늘려 연료전지 생산용량 증대를 뒷받침할 계획이다.

에너블럭과 연계한 모니터링시스템도 개발하고 있다. 기술신뢰도와 유지보수의 안정성을 높이기 위해서다.

가스 개질 기술력을 바탕으로 10N㎥/h급 수소추출기 Hy G-10도 개발하고 있다. 소형패키지 충전시스템과 연계해 제조식(On Site) 수소충전소에 공급할 계획이다. 발전용 수소생산에도 쓰일 수 있다.

에이치앤파워는 SOFC 분야의 후발주자이지만 공공‧민간의무화 시장을 중심으로 제품보급에 힘 쏟고 있다. 수소 생산에서 활용에 이르는 전주기 기술개발에 나서면서 외연을 확장하고 있다.

세라믹 기술력으로 SOFC 선보인 미코파워

비상발전용 연료전지 연구개발

반도체 핵심기술인 세라믹소재 전문성을 토대로 지난 2008년부터 SOFC 개발에 뛰어든 미코는 기초소재, 스택, 단전지, 시스템에 이르는 전주기 공정의 자체제작기술을 보유하고 있다. 일괄생산체계도 갖추고 있다.

지난해 1월 연료전지사업의 역량강화를 위해 물적분할을 통해 미코파워(대표 하태형)를 설립했다.

2020년에는 연료전지업계에서 유일하게 NEP(신제품인증)도 취득하면서 기술력을 인정받고 있다. 최근에는 스마트팜 시장에도 진출하면서 사업다각화를 모색하고 있다.

SOFC 분야 국내 1호 KS인증이라는 성과도 거두면서 공공기관 우선‧의무구매뿐 아니라 민간시장에서도 경쟁력을 얻고 있다. 지난해 서울시가 녹색건축물 설계기준에 SOFC를 반영하면서 서울시 민간의무화 시장 진출도 모색하고 있다.

미코파워의 SOFC 모델명은 ‘TUCY’다. 현재 2㎾급과 8㎾급의 제품군을 보유하고 있다. 종합효율은 2㎾급 99.9%, 8㎾급 99%로 고효율을 기록하고 있다. 서울 물연구원, 명동 센터포인트, 여의도 오피스텔, 대진대학교, 씨엔씨티에너지, 울산과학기술원, 경남 농업기술원, 부안군 수소하우스 등에 설치돼 있다.

미코파워는 전기효율 향상을 위해 2㎾와 8㎾ 모델에 연료재순환시스템을 적용한 모델을 새롭게 개발하고 있다. 올해 안에 제품 개발을 완료할 계획이다. 8㎾급의 후속 모델로 50㎾시스템도 개발하고 있다. 내년도에 제품을 선보일 예정이다.

건물용 연료전지가 갖는 비상발전원으로써의 가치를 높이기 위해 국내 연료전지사 최초로 전력변환시스템도 개발하고 있다. 평상 시에는 한전 계통연계로 발전하고, 비상 시에는 한전 계통과 분리해 독립운전하는 연료전지시스템이다. 현재 서울시와 이에 대한 설치기준을 마련하고 있다.

국내 유일 평관형 방식 SOFC 만드는 STX에너지솔루션

연료전지 연계기술인 수소추출에 투자

지난해 6월 STX중공업 신사업센터에서 물적분할해 설립한 수소‧연료전지 전문기술기업 STX에너지솔루션(대표 이동원)은 평관형 방식의 SOFC를 제작하고 있다. 스택과 개질기를 일체형으로 구성하기 때문에 열관리가 간편한 장점을 지니고 있다.

건물용 SOFC시스템인 ‘encube’가 주력사업이지만 STX에너지솔루션은 수소추출기, 소형가스터빈 등도 개발하고 있다. 지난 10여년 간의 기술 노하우를 토대로 친환경 에너지 분야의 전문성을 쌓고 있다.

지난 2018년에는 국내에서 처음으로 SOFC시스템의 KGS인증도 획득했다.

주력제품 encube는 1㎾급 모델이다. 발전효율 45%, 열효율 45%, 종합효율 90% 이상을 기록하고 있다. 부품국산화율도 95%에 이른다. 정부 지원 등에 힘입어 지난 2016년 이래 지난해까지 총 30㎾를 설치했다.

STX에너지솔루션은 올해 건물용 연료전지 시장 확보에 나설 계획이다. 그 기초모델로 현재 5㎾급 SOFC시스템을 개발하고 있다.

5㎾급 제품은 스택에서 미반응한 고온의 잉여연료를 재활용하기 위해 재순환 송풍기를 적용하고 있다. 설계 단계에서 발전효율은 약 57% 정도로 예상하고 있다. 개질기 부문에는 고압 영역에서의 운전가능성을 높이도록 설계하고 있다.

연료전지시스템 출력증가에 대응하는 수소추출기 라인업도 다양화할 예정이다. 건물용 중대형 연료전지와 제조식(On Site) 수소충전소에 적용하기 위해 기술 개발에 집중하고 있다.

최근에는 한국가스공사의 지원과제를 수행하면서 개질기술 고도화와 연료전지 운용성 향상도 꾀하고 있다.

자체 기술특허를 바탕으로 블루수소(Blue Hydrogen) 생산시스템 개발을 위해 핵심기술도 연구하고 있다. SOFC시스템에 들어가는 습식 개질기술과 대형 플랜트용 수소생산시스템에 적용한 기술을 접목하고 있다.

이밖에 NEP인증과 수소전문기업 선정을 위한 준비도 하고 있다.