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<연속기획>수소·연료전지 연구현장을 가다 - ⑦ 두산 퓨얼셀 FCP BU 연구소

연료전지 기술·양산능력 확보…재도약 기대 높아
두산그룹, 새로운 성장동력으로 연료전지 사업 주목
단위 부품은 물론 시스템 전반 제조기술 보유 ‘강점’
연료 개질형에서 순수 수소용 연료전지 개발 병행


[월간수소경제 송해영 기자] 2018년 1월호부터 연재 중인 ‘수소·연료전지 연구현장을 가다’ 일곱 번째 기획으로 찾아간 곳은 두산 퓨얼셀 FCP(Fuel Cell Power) BU(Business Unit) 연구소다.


지난 2014년, 두산그룹이 퓨얼셀 BG(Business Group)을 설립하며 연료전지 시장으로의 진입을 알렸다. 하지만 두산그룹이 연료전지 사업을 주목하기 시작한 것은 그보다 더 이전의 일이다. 두산그룹은 새로운 성장 동력을 확보하기 위해 다방면으로 노력하던 중, 연료전지 사업의 가능성을 발견했다. 풍력 발전, 해수 담수화 플랜트 등의 기존 사업과 시너지 효과를 낼 수 있다는 점 역시 연료전지 사업을 선택한 이유 중 하나일 것이다.


이후 두산그룹은 미국의 연료전지 분야 선도 기업인 클리어엣지 파워(ClearEdge Power)와 국내 가정용 연료전지 시장의 강자인 퓨얼셀파워(Fuel Cell Power)를 차례로 인수·합병하면서 적극적인 행보를 보였다. 이에 따라 두산 퓨얼셀은 PAFC(인산형 연료전지)와 PEMFC(고분자전해질 연료전지)를 아우르는 사업 포트폴리오를 갖추게 되었다.


퓨얼셀 BG는 세 개의 BU로 나뉜다. 각각의 BU에서는 발전용, 가정·건물용, 모바일용 연료전지 개발 및 제조가 이뤄진다. 이번 기획을 통해 찾아간 FCP BU에서는 가정·건물용 연료전지의 연구개발이 진행된다.


국내 최초 가정용 연료전지 설비 인증 취득
두산 퓨얼셀 FCP BU 연구소는 경기도 화성에 위치해 있다. 주요 생산 제품으로는 현재 시판 중인 주택용 연료전지(600W, 1kW), 건물용 연료전지(5kW, 10kW), 순수 수소용 연료전지(1kW, 10kW)가 있다. 연간 1만 대의 제품을 생산할 수 있으며 이는 국내 관련 기업 중 최대 규모다.



지난 2006년 6월에는 국내 최초로 PEMFC 흐름 생산 라인 구축을 완료했으며, 앞으로는 연간 5만 대 대량 생산 체계 구축을 목표로 테스트 베드와 스마트공장을 도입할 예정이다. 인적 자원 면에서도 2020년까지 400여 명의 직원을 채용해 인력을 대폭 보강한다는 계획이다.


연료전지는 작동 온도와 전해질의 종류에 따라 네 가지 기술로 나눈다. 고온형 연료전지에는 용융탄산염 연료전지(MCFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)가 있으며 작동 온도는 600~1,000℃에 이른다. 인산형 연료전지(PAFC)는 저온형 연료전지로 대규모 발전에 주로 활용된다. 두산 퓨얼셀의 400kW급 대형 연료전지 시스템이 PAFC 기술이다.


마찬가지로 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지(PEMFC)는 가정·건물용 소규모 발전이나 수송용으로 활용된다. 두산 퓨얼셀 FCP BU에서 개발한 600W~10kW급 가정·건물용 연료전지가 여기에 해당한다.


두산 퓨얼셀의 가정·건물용 연료전지의 경우 종합효율이 85%에 이른다. 발전효율은 35%, 열효율은 50% 수준이다. 2009년에는 1kW 가정용 연료전지 제품으로 국내 최초의 가정용 연료전지 설비 인증을 취득했으며, 2014년에는 라인업에 5kW 제품을 추가했다. 2015년에는 대량 보급을 위한 600W 연료전지를 추가 출시했다. 현재 두산 퓨얼셀의 가정·건물용 연료전지는 1,000대 가량 보급되어 있다. 연료전지 분야에 지원을 아끼지 않는 일본의 기업을 제외하면 세계에서도 가장 높은 수준의 실적이다.



요소 기술부터 시스템까지, 자체 기술 보유
박정건 두산 퓨얼셀 FCP BU 연구소장은 연구소의 차별점으로 ‘MEA나 스택, BOP 등의 요소 기술부터 시스템에 이르기까지 모든 기술을 자체적으로 보유하고 있다는 점’을 들었다.


박 연구소장은 “개질기와 스택, 연료공급장치 등 다양한 부품으로 구성된 연료전지 시스템은 크기만 작다 뿐이지 하나의 발전소나 마찬가지”라며 “MEA 기술 개발부터 시작해 시스템으로 발전해 나간 이력이 있어 MEA부터 스택, 개질기 등의 요소 기술은 물론 시스템에 대한 기술을 자체적으로 보유하고 있다”고 밝혔다.


순수 수소용 연료전지 제품 개발
최근 연료전지가 직면하는 비판으로는 ‘도시가스를 개질하는 과정에서 이산화탄소 등의 오염물질이 배출된다’는 점이다. 이러한 문제를 해결할 수 있는 것이 바로 부생수소나 재생에너지로 생산한 수소로 발전하는 순수 수소용 연료전지다. 이에 두산 퓨얼셀은 도시가스 개질용 연료전지 시스템을 개발 및 판매하는 동시에 순수 수소용 연료전지 개발도 꾸준히 추진하고 있다.


지난 2003년 두산 퓨얼셀은 1kW, 10kW 출력의 순수 수소용 연료전지를 개발해 울산에 90세대 규모의 수소타운을 구축했다. 수소타운에서는 울산 내 석유화학 단지에서 발생한 부생수소를 연료전지에 공급해 전기를 생산한다. 발전 규모는 195kW/h에 달한다.



현재는 ‘부생수소를 이용한 PEMFC 발전시스템 실증연구’에 참여해 25kW, 100kW의 수소 시스템을 개발 중이다. 해당 정부 과제는 2015년 6월에 시작해 2019년 5월까지 진행된다. 산업통상자원부, 울산시, 에너지공단, 두산, 에스퓨얼셀, 울산대학교 등이 참여하고 있다.


최종 목표는 총 800kW 규모의 수소 시스템을 설치해 부생수소를 이용한 연료전지 발전의 장점을 파악하고 이를 활용할 수 있는 사업 모델을 구상하는 것이다. 이번 과제에서 두산 퓨얼셀은 25kW, 100kW 규모의 순수 수소용 연료전지 시스템 개발을 담당하고 있다.


박정건 연구소장에 따르면 “이 정도의 대규모 시스템을 운영할 수 있는 기회는 그리 많지 않다”며 “이번 과제를 통해 대규모 시스템에 대한 운영 경험을 쌓고 부생수소를 활용한 사업 모델을 구상할 것”이라고 전했다.


이어 “오랜 기간 사업영위를 통해 확보된 연료전지 기술과 양산능력을 토대로 이제 재도약의 기회를 만들 것”이라면서 “시스템 가격 저감과 고출력 등의 신뢰성 향상을 위한 기술개발 노력을 꾸준히 진행해 왔고 시장 역시 우호적으로 변화고 있어 그 시기가 좀 더 빠르게 다가올 것으로 기대하고 있다”고 말했다.


<미니인터뷰 - 박정건 두산 퓨얼셀 FCP BU 연구소장>


연료전지 개발, ‘고출력화’와 ‘순수 수소 연료전지’로 나아갈 것
“과제는 가격 절감을 위한 기술 개발과 신뢰성 확보”



일본의 가정용 연료전지 ‘에너팜’ 보급이 이미 20만 대를 넘어섰고 최근 연료전지가 탑재된 수소전기차가 큰 반향을 보이고 있는 등 연료전지기술에 대한 관심이 어느 때보다 높은 것 같다.


수소전기차나 건물용 연료전지 등이 보급되면서 연료전지가 ‘미래 기술’이라는 인식을 벗을 수 있게 되었다. 제품으로서 안전을 담보하면서 경쟁력까지 갖춘 제품이 나오면서 사람들의 관심 또한 높아지고 있는 것 같다. 


또 다른 이유로는 ‘청정에너지 보급’을 들 수 있다. 태양광이나 풍력 등 재생에너지가 보급되면 반드시 따라붙는 것이 ‘전력수급’ 문제다. 우리나라 역시 재생에너지 보급률이 10~15%에 이르면 시간대나 날씨, 계절 등에 따른 변동성 문제가 화두로 떠오를 것이다. 결국 수소·연료전지가 ESS의 역할을 수행해야 한다. 신재생에너지원 가운데 연료전지만큼 출력밀도가 높으면서도 공간을 적게 차지하는 것이 없다.


FCP BU가 다른 연구소와 차별화되는 점은 무엇인가.


MEA부터 스택, 개질기 등의 요소 기술부터 시스템에 대한 기술까지 자체적으로 보유하고 있다. 연구 장비 역시 부품 평가 장비부터 시스템 평가 장비까지 다양하게 구비하고 있다. 가장 큰 비중을 차지하는 것은 시스템 평가 장비다. 연구 인력도 소재, 전기전자, 기계, 화학공학 등 다양한 분야의 전공자들로 구성되어 있다. 심지어 풍력 발전 등의 에너지 분야와 같이 그룹 내 다른 사업에 몸담고 있던 인력이 FCP BU로 합류하는 경우도 있다. 다양한 경험을 가진 사람들이 모여 시너지 효과를 내는 것이다.



또 두산퓨얼셀은 지금까지 1,000대 이상의 연료전지 시스템을 판매했다. 일본 기업을 제외하면 1,000대 가량의 시스템을 운영 중인 기업은 많지 않을 것이다. 현재 필드에서 구동 중인 시스템을 모니터링하면서 다양한 구동 데이터와 운전 평가, 문제 발생 시 개선 사항 등을 축적하고 있다. 이는 곧 기술적 자산의 축적을 의미한다.


향후 연료전지 개발 방향은.


‘고출력화’와 ‘순수 수소 연료전지’로 정리할 수 있을 것이다.


출력 면에 있어서는 고출력 제품에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 여기에 대응하기 위해 두산 퓨얼셀 역시 고출력 제품 개발을 진행 중이다.


연료 면에서 보면, 아직까지는 대부분의 매출이 도시가스 개질을 통한 연료전지 시스템에서 발생하고 있다. 수소 인프라 보급이 아직 초기 단계에 머물러 있기 때문일 것이다.


최근 들어 우리나라에서도 순수 수소 연료전지 개발에 대한 움직임이 조금씩 나타나고 있다. 두산퓨얼셀은 앞서 이야기한 ‘부생수소를 이용한 PEMFC 발전시스템 실증연구’와 연구소 내 자체 개발을 통해 순수 수소 연료전지 시스템 개발을 추진 중이다.


연료전지 연구개발 부문에서 앞으로의 목표는.


연료전지는 높은 출력밀도, 친환경성 등 많은 장점을 갖고 있다. 높은 기술력과 합리적인 가격만 뒷받침된다면 빠르게 보급될 것이라고 생각한다. 지금까지 연료전지 시스템 자체를 개발해 제품화하는 것에 중점을 뒀다면, 앞으로는 가격을 낮출 수 있는 기술을 개발하고 제품의 신뢰성을 높이는 데 집중할 것이다.




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