[사이언스] 연료전지, 수소-산소 결합해 전기·열 생산..우주선 시작으로 車·발전용 진화

1965년 美 우주탐사에 첫 적용
기술발전 거듭하며 효율 끌어올려
태양광 설비 300분의1 면적서
발전량 6배·CO2 감축은 4배 많아
산업·가정용 차세대 에너지원으로

미국의 달탐사 우주선 아폴로호에 탑재됐던 연료전지(왼쪽). 이를 기반으로 한 연료전지가 이후 미국 우주왕복선 디스커버리호에 실리고 있다(오른쪽). /사진제공=NASA

[서울경제] “1970년 4월11일 미국 플로리다 케네디 우주센터. 새턴 5호 로켓에 실린 아폴로 13호 우주선이 엄청난 화염을 뿜어내며 하늘로 솟구친다. 하지만 달 궤도 진입 전 폭음과 함께 우주선이 요동친다. 기계선의 연료전지(燃料電池)용 산소탱크 안의 코일이 합선돼 폭발하며 산소가 누출된다. 지구의 관제센터는 달의 인력을 활용해 우주선이 달 궤도를 돌고 나온 뒤 착륙선 엔진을 작동시켜 지구로 귀환시키려 하는데···.” 1995년 톰 행크스가 나온 영화 ‘아폴로 13호(Apollo 13)’의 줄거리다.

당시 아폴로 13호는 연료를 분사해 방향을 바꿔 지구로 되돌아올 수 없어 달 궤도를 선회한 뒤 지구로 돌아오려 한다. 산소탱크 폭발로 사령선과 기계선에 있던 연료전지를 쓰지 못해 착륙선의 배터리만 사용해야 해 전력이 부족했다. 당시 관제센터는 전력을 많이 상실한 사령선은 지구 재진입시 활용하고 착륙선을 구명정처럼 쓰기 위해 승무원들에게 사령선에서 착륙선으로 피난할 것을 지시했다. 우여곡절 끝에 사령선도 20A 전류만으로 재가동시키는 방법에 성공한다. 결국 승무원들은 발사 1주일 만에 귀환한다.

이렇게 우주선에 적용되는 연료전지가 기술의 진보에 힘입어 최근 친환경 에너지원으로 각광받고 있다.

주 연료인 수소를 연소시키지 않아 질소산화물과 이산화탄소 등 대기오염물질이 거의 발생하지 않는다. 발전에 필요한 공기를 필터링을 거쳐 사용해 미세먼지를 정화하는 공기청정기 역할도 한다. 1㎿ 연료전지시스템의 경우 성인 2,300명의 호흡량(시간당 6,556㎏)의 공기를 정화한다는 게 산업용 연료전지의 선두주자 중 하나인 두산퓨얼셀의 설명이다.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 수소의 90%가량을 전기에너지와 열에너지로 전환한다. 수소가스를 1~10기압으로 (-)연료극으로 투입해 수소양이온과 전자로 분리(산화)한다. 이어 수소양이온만 수산화칼륨(KOH)으로 된 전해질을 통과시켜 (+)공기극에서 산소와 결합(환원)해 전기와 열, 물을 생산한다. 양쪽의 전극은 표면적을 증대시키기 위해 미세한 구멍이 많은 다공질(多孔質)로 돼 있는데 백금을 촉매로 쓴다. 이런 일련의 과정이 하나의 셀로 돼 있는데 셀이 겹겹이 쌓인 형태의 구조를 스택이라 한다.

연료전지의 원리는 1838년 영국 물리학자인 윌리엄 그로브가 물에 전기를 가하면 수소와 산소로 분리되는 것을 보고 역으로 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 만들기 위한 전지를 만들면서 시작된다. 이후 1950년대 후반부터 소련을 시작으로 미국과 소련이 경쟁적으로 달과 화성 탐사경쟁이 벌어지며 연료전지 연구가 본격화된다. 1965년 미국 제미니 5호 우주선에 연료전지가 처음 적용돼 전기와 물을 공급하게 된다.

연료전지는 산업용·차량용·가정용·드론용 등 여러 분야에 쓰인다. 현대·기아차처럼 차에 연료전지를 적용하면 투싼과 넥쏘처럼 수소전기차가 된다. 두산이나 포스코에너지처럼 국내외 발전용 연료전지 시장을 개척하는 회사도 있다. 앞으로는 마당이나 베란다에 소형 발전기를 설치하면 전기도 얻고 그 열로 난방도 하고 온수도 쓸 수 있으나 아직은 가격이 비싼데다 안전을 우려하는 시각이 걸림돌이다. 인천 동구 주민들의 연료전지발전소 반대가 단적인 예다.

문상진 두산퓨얼셀 전략·해외사업본부장(상무)은 “연료전지는 태양광과 풍력에 비해 에너지 밀도와 설비 이용률이 높다. 태양광 설치면적의 300분의1, 풍력의 30분의1 면적에서 6배의 발전량과 4배의 이산화탄소 감축 효과가 발생한다”고 설명했다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com

[인터뷰] 문상진 두산 퓨얼셀 전략·해외사업본부장 “연료전지, 친환경 발전 최적 대안..기술도 한국이 앞서”

“발전용 연료전지 기술은 친환경 발전의 최적의 대안으로 세계적으로 미국과 한국이 앞서 갑니다. 미국·유럽·중국·일본 등으로 해외시장을 개척하겠습니다.”

문상진(사진) 두산 퓨얼셀 전략·해외사업본부장(상무)은 최근 서울 동대문 두산 사무실에서 가진 본지와의 인터뷰에서 “아폴로 우주선에 연료전지를 공급했던 미국 UTC Power의 연료전지를 2014년 인수해 미국 발전사업에 진출했다”며 이같이 밝혔다.

두산의 연료전지 공장은 미국 코네티컷주 사우스윈저에 있고 2017년에 전북 익산에 국내 최대 규모 공장을 준공했다. 익산에서는 연료전지 발전의 핵심인 셀스택어셈블리(CSA)를 만든다. 수소전기차에는 작은 스택이 들어가지만 발전용 연료전지에는 48개의 스택을 쌓아 높이가 2.5m에 달한다. 그는 “컨테이너 크기의 연료전지발전시스템 1기면 600여가구에 전기를 공급할 수 있다”고 설명했다.

두산이 연료전지 발전용으로 만든 ‘퓨어셀 모델 400’. /사진=두산

두산은 앞서 경기 분당의 남동발전과 부산 해운대 그린에너지에 복층형 연료전지 발전설비를 공급했다. 충남 서산에는 석유화학 공정의 부산물로 생기는 부생수소를 활용한 연료전지 발전소에도 설비를 공급한다. 한 번 충전하면 2시간 비행이 가능한 드론용 수소연료 전지팩도 처음 선보였다. 문 상무는 “지난해 1조2,000억원어치를 수주했고 올해도 1조3,600억원의 수주가 기대된다”고 말했다. 두산은 최근 연료전지와 소재사업을 각각 두산퓨얼셀과 두산솔루스로 오는 10월께 분할해 이후 상장하기로 했다. /고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com