오랜만에 가족과 함께 외출했는데, 휴대전화·MP3플레이어·디지털 카메라의 전원이 갑자기 나가면 여간 난감한 게 아니다. 휴대전화는 근처 편의점에서 충전을 한다손 치더라도, MP3플레이어나 디지털 카메라는 어디 충전해 주는 곳도 없다.
3~4년만 기다리면 이 문제가 말끔히 사라질 전망. 수소(水素)만 있으면 언제 어디서나 전기를 생산하는 연료전지(電池)기술이 2010년 이후 상용화되기 때문이다. 편의점에서 1회용 부탄가스를 구입해 모바일 IT(정보기술)기기에 끼우기만 하면 전기 걱정을 덜 수 있다.
야외서 디지털카메라 전원 나가도 걱정없어
연료전지(Fuel Cell)는 요즘 전자·자동차·발전 등 여러 분야에서 가장 각광 받는 기술이다. 하지만 연료전지라는 개념이 처음 등장한 것은 영국 산업혁명의 시대인 1830년대로 거슬러 올라간다.
영국의 과학자인 그로브경(卿)은 1839년 수소와 산소를 서로 반응시키면 전류가 발생하는 현상을 처음 발견하고 논문을 작성했다. 이후 한동안 잊혀졌던 ‘그로브 이론’은 역시 영국 과학자인 프랜시스 베이컨에 의해 재발견됐다. 1932년 어느 날 그로브의 논문을 읽던 베이컨은 “이런 이론이 100여 년 동안 잠자고 있었다니 놀라운 일”이라면서, 직접 실증 분석에 나섰다. 베이컨은 30여 년 동안 집요한 연구를 거듭한 끝에 결국 연료전지의 상용화 가능성을 입증했다.
연료전지가 오랜 세월 과학계와 산업계의 지속적인 관심을 끈 것은 수소와 공기만 있으면 전기 생산이 가능한데다가 ‘무공해 발전장치’이기 때문이다. 석유를 태우면 이산화탄소 등 공해 물질이 나오지만, 연료전지는 전기 생산 과정에서 물이 만들어질 뿐이다.
연료전지는 산소와 수소로 분리되는 물 전기분해의 역(逆)반응을 이용한다. 물을 전기분해 하면 수소(H₂)와 산소(O₂)가 만들어진다는 것은 학교 때 배운 상식. 거꾸로 수소나 수소를 포함한 연료(메탄·도시가스·알코올)와 산소를 반응시키면 화학에너지가 나오고, 이 화학에너지는 다시 전기에너지로 바꿀 수 있다.
삼성SDI 부탄가스 이용한 연료전지 개발
연료전지는 이미 1960년대 달 탐사선인 아폴로 우주선에 탑재돼 전원장치로 사용되기도 했다. 아폴로 우주선에 탑재된 MCFC(용융탄산염) 방식의 연료전지는 지금도 화력(火力)발전소를 대체할 목적으로 개발이 진행 중이지만, 600~1000도 이상의 고온에서 작동하기 때문에 일상 생활에선 적용이 힘들다.
현재 산업계에서 활발히 개발 중인 연료전지는 PEMFC(고체 고분자 전해질형) 방식으로, 수 와트급의 소형 모바일 기기부터 수백 ㎾급의 자동차·로봇·건물(주택포함)용까지 광범위한 영역에 적용이 가능하다. 또 일본을 중심으로 수많은 업체가 앞다퉈 개발 중인 DMFC(직접 메탄올형) 방식은 알콜(메탄올)을 연료로 이용하고, 상온에서 전기를 만들 수 있고, 소형화가 가능하다는 여러 장점 때문에 휴대전화·노트북PC 등의 전원용으로 각광받고 있다.
노트북PC용으로 개발 중인 연료전지는 10~20W의 출력에 시스템 전체 부피는 약 1? 정도가 될 전망이다. 앞으로 수 년 이후 연료전지가 상용화될 경우, 메탄올 카트리지 하나로 노트북PC를 약 10시간 정도 구동할 수 있게 된다. 편의점에서 휴대용 가스버너의 부탄가스를 구입해 갈아 끼우듯, 메탄올 카트리지만 준비하면 야외에서도 전원 때문에 걱정하지 않아도 된다.
휴대전화용 연료전지의 경우 최종적으로 휴대폰에 내장해 주(主)전원으로 사용하는 것이 목표지만, 현재는 휴대전화에 탑재된 2차 전지를 충전하기 위한 용도로 개발이 진행 중이다. 특히 일본은 전기·전자 업체뿐 아니라, NTT도코모·KDDI 등 연료전지를 직접 사용하는 이동통신 업체에서 더욱 관심을 갖고 개발을 독려 중이다.
일본은 도시바·NEC·히타치가 적극적이고, 한국은 삼성SDI·LG전자·GS그룹 등 대기업과 KIST·한국에너지기술연구소 등 국책 연구소가 개발에 뛰어든 상황이다. 특히 삼성SDI는 개발에 착수한 지 몇 년 되지 않은 후발 주자지만, 최근 들어 노트북PC·PMP(휴대용 멀티미디어 플레이어)용 연료전지뿐 아니라 부탄 가스를 연료로 이용하는 레저용 연료전지 개발에 성공해 적지 않은 성과를 거두고 있다.
연료전지는 모바일 IT기기뿐 아니라 자동차 전원으로도 개발이 진행 중이다. 도요타·혼다·다임러크라이슬러·현대자동차 등 세계 유수의 자동차 회사가 벌써 수 년 전부터 연료전지 자동차 개발을 위해 많은 예산과 인력을 투입하고 있다.
연료전지 자동차는 지구 환경 오염의 주범으로 꼽히는 자동차 배기가스를 획기적으로 줄일 수 있다. 결국 연료전지 자동차의 등장은 자동차가 환경 오염의 주범의 오명에서 벗어날 수 있게 된다는 의미이기도 하다.
연료전지 자동차 보급이 확산되면 기름을 넣는 주유소(注油所)는 수소를 보충하는 주수소(注水所)로 간판을 바꿔 달아야 할 형편이다. 이미 미국과 일본은 연료전지용 수소를 공급할 수 있는 주수소를 시범적으로 설치했으며, 우리나라는 일본·미국보다 5년 이상 뒤진 상태다.
연료부 핵심요소 가격이 비싸 아직까지 사업화 안돼
연료전지가 100여 년이 넘는 연구 역사와 여러 장점에도 불구하고 아직까지 사업화가 되지 못한 이유는 한마디로 ‘비용 대비 효율성’이 그다지 높지 않기 때문이다. 고가의 막(membrane)·촉매·양극판(Bipolar Plate) 등 발전부를 구성하는 핵심 요소의 가격이 비싸, 아직까지 2차전지나 내연(內燃)기관 등 전기를 생산하는 경쟁 제품에 비해 원가 경쟁력에서 뒤처지는 것이 사실이다.
연료전지가 조기 상용화되기 위해선 관련 분야의 모든 기술이 동시에 발전해야 가능하다. 하지만 기술은 빠르게 변하고 있으며, 진화를 거듭하고 있다. 과거에는 불가능하리라고 생각되던 수많은 기술적 난제(難題)가 시간이 가면서 대거 해결되고 있다.
세계적으로 화석 자원 고갈 문제가 대두되면서, “미래 사회는 에너지가 세계를 지배한다”는 말이 설득력 있게 다가오고 있다. 이런 상황에서 무공해 청정 에너지인 연료전지는 가깝게는 5년, 멀게는 10년 뒤 에너지 문제를 해결할 확실한 대안(代案)이 될 전망이다. 정부의 적극적이고 체계적인 정책과 기업·학교·연구기관의 효율적인 협력 체계가 구축된다면, 연료전지는 현재 한국의 효자 품목인 반도체·휴대전화보다 더 많은 국부(國富)를 창출하는 ‘황금알을 낳는 거위’가 될 것으로 확신한다.
