⑧ 전기, 열생산으로 에너지효율 80%달성 수소연료전지

수소를 만드는 방법은 다양하다. 아직 수소가 발견되기 전 유럽에선 연금술사들이 강산에 금속을 집어 넣어 만들었다. 17세기 돼서야 물을 전기분해할 때 산소와 수소가 나온다는 사실을 알았다.

지금은 개질, 수전해, 바이오매스 이용, 광생물학적, 광전기화학적 방법 등 여러 가지 기술들이 개발됐다.

개질은 가스나 석탄에 열이나 촉매를 사용해 탄화수소를 변화시키는 방법이며 수전해는 물을 전기분해하는 방법이다.

이 가운데 상용화된 기술은 개질과 수전해 방식이다. 바이오매스, 광생물학적, 광전기화학적 기술은 아직 연구 중이다. 바이오매스, 광생물학적, 광전기화학적 기술은 수소 외에도 다른 화학물질도 나오기 때문에 C1 리파이너리, 일렉트로케미칼 등으로 불린다.

가장 일반적인 수소 추출 방법은 천연가스(LNG)에 수증기를 쐐 수소를 추출하는 방법이다.

천연가스는 메탄(CH4)이 90% 이상 차지하고 약간의 에탄, 프로판, 부탄 등이 들어있기 때문에 개질을 말할 때 보통 메탄 개질을 의미한다.

▲수전해(Electrolysis)와 연료전지(Fuel Cell)의 반응 차이

메탄의 개질은 탈황, 수증기 개질, 수성가스 전환공정, 선택적 산화 과정을 거친다.

수증기 개질은 메탄에 수증기가 가해져 수소와 일산화탄소로 분리되는 과정이다. 수성가스 전환공정은 독성물질인 일산화탄소에 수증기를 쐐 수소와 이산화탄소로 분리하는 과정이다. 선택적 산화과정도 일산화탄소를 이산화탄소로 변화시키는 공정이다.

일산화탄소는 촉매를 오염시키기 때문에 반드시 수성가스 전환공정과 선택적 산화과정을 거쳐야 한다.

천연가스 개질 과정을 정리하면 우선 탈황 처리된 메탄가스와 700도 가량의 수증기와 공기가 만나 수소 60%를 생산하고 일산화탄소 10%, 공기 6%, 이산화탄소 19%를 발생한다. 이 혼합가스는 수성가스 전환공정을 거쳐 75%의 수소와 0.5%의 일산화탄소로 변하고 남은 0.5%의 일산화탄소는 선택적 산화과정을 통해 대부분 제거되고 오직 수소 75%가 남는 과정을 거친다.

실용적으로 많이 사용되는 촉매는 Fe-Cr, Co-Mo, Cu-Zn계 촉매이며 백금 촉매도 사용된다. 메탄 모두가 개질되는데 필요한 온도는 704도다.

메탄에서 수소가 개질되는 비율은 1:4로 천연가스(혹은 메탄) 1N㎥당 4N㎥ 정도의 수소가 생산된다.

또 다른 수소 추출방법은 수전해(electrolysis)이다.

수전해는 메탄 개질과 달리 일산화탄소와 이산화탄소가 생기지 않는 것이 특징이다. 다만 전기자극을 가해줘야 하는데 이때 드는 에너지가 수소보다 비용이 더 든다는 문제가 있다. 수전해에 사용되는 전기는 태양광이나 풍력 등 신재생에너지여야 한다는 주장이 나오는 이유가 때문이다.

연료전지는 수소를 공급받아 공기 중의 산소와 결합하며 전기와 물을 생산하는 장치다. 수전해와 반대 방향이다.

연료전지의 주요 연료는 천연가스다. 우리나라는 일본에 이어 세계 2위 천연가스 수입국이기 때문에 일찍이 연료전지 산업을 육성해왔다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라 인산염연료전지(PAFC), 고분자전해질연료전지(PEMFC), 용융탄산염연료전지(MCFC), 고체산화물연료전지(SOFC)로 나뉜다.

인산염연료전지는 1세대 연료전지라고 불린다. 효율이 47%에 이르고 수명이 6년인 장점이 있다. 고분자전해질 연료전지는 2세대 연료전지로 불린다. 희귀금속인 백금을 촉매로 사용하기 때문에 규모화에 한계가 있다. 가정용이나 차량용 연료전지로 사용된다.

포스코에너지가 개발한 용융탄산염연료전지는 650도 이상에서 발전하며 재료가 모두 철이다. 미국 퓨얼셀에너지가 원천기술을 갖고 있다. 소형은 불가능하고 MW급 대형에 적합하다. 현재 1~2MW급이 개발돼 있고 향후 10MW급 개발이 기대된다. 수명이 5년, 효율은 45%다.

고체산화물연료전지는 차세대 연료전지로 불리며 전세계에서 가장 뜨겁게 연구되고 있다. 700∼800도 고온에서 발전하지만 효율이 50∼60%에 달한다. 스택용 소재 비용이 값싸 생산비용이 저렴한 단점이 있다. 셀 크기가 1000cm에 이르면서도 신뢰성을 갖춘 기술 개발이 관건이다.

2014년 말 국내 연료전지 기업은 포스코에너지, LG퓨얼셀시스템즈, 두산FC로 재편됐다.

포스코에너지는 용융탄산염연료전지(MCFC) 생산공장을 준공한 뒤 안정적으로 제품을 생산하고 있고 (주)두산은 퓨얼셀파워와 미국 클리어엣지파워를 인수해 (주)두산 퓨얼셀 BG를 설립했다.

연료전지분야의 선구자로 2014년 두산그룹에 합병된 퓨얼셀파워는 이미 1990년대초부터 고분자전해질 연료전지(PEMFC)를 개발해 왔다. 퓨얼셀 파워의 신미남 사장과 홍병선 부사장은 각각 경영과 연구개발을 맡으며 연료전지 상용화에 매진해왔다. 고분자전해질 방식의 (PEMFC)의 10kW이하 가정용 연료전지 개발에 주력했다.

두산은 2014년 7월 퓨얼셀파워을 합병하고 미국 클리어엣지파워를 인수해 두산 퓨얼셀BG(Business Group)를 설립하기 이르렀고 신 사장과 홍 부사장은 각각 두산 퓨얼셀BG FC Korea BU(Business Unit)를 맡게 됐다. 퓨얼셀파워는 고분자전해질 연료전지, 미국 클리어엣지파워는 인산염연료전지(PAFC)가 주력이다.

포스코에너지는 용융탄산염연료전지(MCFC) 개발에만 10년의 시간과 5000억원의 투자금을 들였다. 현재까지 매출이 2600억 원대로 앞으로도 투자금액 회수에 상당기간 걸릴 예정이다.

LG퓨얼셀시스템즈도 고체산화물연료전지를 개발 중이다. 2012년 LG그룹이 롤스로이드퓨얼셀시스템즈 지분 51%를 인수한 후 사명을 LG퓨얼셀시스템즈로 바꿨다.

화학물질을 다룰 때 가장 많이 쓰이는 단위가 N㎥다. ㎥는 가로, 세로, 높이가 각각 1m인 사면체다. 그런데 화학물질은 무게가 같더라도 온도나 압력에 따라 무게가 다르다. 그래서 사람들은 정상(normal)상태를 정의하고 여기에 맞춰서 화학물질을 서로 비교한다. 정상상태란 1기압(atm), 0도가 기준이다. 
그래서 N㎥는 1기압, 0도일 때 가로, 세로, 높이가 각각 1m인 사면체를 말한다. 흔히 누베라고 일본식으로 읽는데 노멀 입방미터라고 부르는 것이 맞다. 참고로 1㎥는 1000리터다. 그러니 1 N㎥는 1기압, 0℃ 상태에서 1000리터를 말한다.



[에너지경제신문 안희민 기자]