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친환경 정책 따라 연료전지 기술력 확보 관건

PEM 연료전지 고출력, 우수한 내구성으로 상용화 추진 

[가스신문=이경인 기자] 최근 글로벌 자동차 기업들이 전기와 수소자동차에 투자를 이어가며 친환경 자동차 개발에 집중하고 있다. 정부는 국내 수소자동차 보급을 확대하기 위해 오는 2020년까지 국내 고속도로와 거점도시 100곳에 수소충전소를 설치하고, 2030년까지 520개소로 확대한다는 방침이다. 더불어 정부의 신재생에너지 보급과 확대 정책에 따라 수소 연료전지 기술에 대한 적극적인 지원이 늘면서 연료전지에 대한 관심이 높아지고 있다.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 에너지 변환 장치로 사용되는 전해질 종류에 따라 구분된다. 
고분자 전해질 연료 전지(PEMFC :Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 방식은 고출력, 저온 작동, 빠른 응답특성, 우수한 내구성 등의 장점을 갖춰 상용화가 빠르게 진행되고 있다. 이는 자동차 동력원이나 가정용, 이동용 전원에 적합해 제품 개발에 용이하기 때문이다. 
그러나 수소 중의 불순물은 촉매의 활성화를 막고 연료전지의 성능을 저하시킨다. 이 때문에 출력이 감소하거나 운행 중인 차량이 갑자기 도로에서 멈추는 상황이 발생할 수 있어 불순물 관리가 필요하다. 따라서 연료전지용 수소연료의 품질확보는 필수라 할 수 있다. 
이미 미국과 일본 등 선진국에서는 연료전지용 수소연료에 대한 품질과 품질관리 표준화가 진행되고 있고, 이에 대한 관심과 기대 역시 나날이 증가하는 추세에 있다.

품질검사 통해 저품질 수소 차단, 수소산업 안정성 향상 견인 기대
가스안전공사는 올해 최초 고압가스(연료전지용 수소)품질검사를 국내에 도입해 품질 기준을 마련하고, 올해 3분기를 기점으로 제조사·충전소를 대상으로 검사를 실시하고 있다. 
아직, 수소충전소 등의 인프라가 형성되지 않은 점을 감안해 품질검사 13개 항목은 3개년에 걸쳐 순차적으로 확대될 예정이다.
하지만 연료전지에 사용되는 수소의 경우, 극미량이어도 치명적인 결과를 초래할 수 있는 만큼, 불순물 분석에 대한 측정 소급성 및 신뢰성이 개선되고 국제 품질기준에 부합되는 품질관리를 위해서는 인프라 강화나 분석 기술에 대한 보완이 필요하다. 
이에 가스안전공사는 수소품질검사를 시작과 함께, 올해부터 2020년까지 가스품질검사센터를 중심으로 시료전처리, 자체 인증표준물질(CRM:Certified Reference Materials) 개발 등을 포함한 자체 분석 기술 확보를 위한 프로젝트를 진행할 예정이다. 
분석 기술에는 초고압(700bar) 수소 시료 채취법 최적화, 0.004 ppm 이하의 미량 전유황 검출을 위한 농축시스템 개발 등도 포함된다. 또한 현재 국내에서 따르고 있는 ISO 14687 또는 SAE J2719에 명시된 13개의 분석 항목 외에 수소 충전소의 오일식 압축기의 오일전이 여부 검사까지 추가해 총 14개 불순물에 대한 ‘Global Top’분석 시스템을 구축해 수소품질분석과 관련한 최고기술을 확보한다는 전략이다. 
‘PEM방식 연료전지의 셀 손상 불순물 검출 기술’이 개발 완료되면 저품질 수소연료 공급을 사전에 차단해, 국내 수소산업 안전성이 높아지는 것은 물론 수소 제조·충전소의 품질관리 기술 보급으로 공공성 향상의 효과를 기대할 수 있을 것으로 전망된다.

▲ 수소연료전지 모형 및 품질검사 방식. Polymer electrolyte membran(왼쪽-출처:Wikipedia)와 수소 샘플링 시스템(오른쪽-출처:CDFA 자료).

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