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<연속기획> 수소경제, 주목되는 기술·제품 - ② 아크로랩스의 ‘AEM 수전해 기술’

AEM 수전해 기술 활용 ‘친환경 융복합전지’로 신시장 개척
AEM 수전해, 알칼라인·PEM 수전해 단점 동시 극복
소용량 일체형(수전해+연료전지) ESS 기반기술 확보
이차전지 등 기존 방식 대비 시스템 신뢰성 및 가격경쟁력 우위
공장·건물 등 비상 전원 및 데이터센터 백업 전원으로 활용 가능


[월간수소경제 이종수 기자] 정부가 지난 1월 발표한 수소경제 활성화 로드맵에 따라 중장기적으로 화석연료 개질 수소(그레이 수소)에서 재생에너지와 수전해 기술을 이용한 친환경 수소(그린 수소)로 수소생산 패러다임이 전환될 전망이다. 수소경제 로드맵이 차질 없이 진행된다면 오는 2022년부터 수전해 수소생산·공급이 시작된다.

이에 따라 수전해 기술개발의 중요성이 커지고 있다. 친환경 융복합전지 전문기업 ‘아크로랩스’가 주목되는 이유다.

지난 2017년 1월 설립된 아크로랩스(대표 김호석)는 친환경 융복합전지 원천 기술인 음이온교환막(AEM) 및 자가가습형 고분자전해질(PEM) 수전해 스택 기술, 친환경 융복합전지 통합 운영기술을 확보했다.

회사 설립 후 짧은 기간 동안 이러한 기술을 확보할 수 있었던 배경에는 김호석 대표의 수소·연료전지 연구개발 및 사업 경험이 크게 작용했다.

한양대학교 재료공학 학사·석사 학위를 취득한 김 대표는 삼성종합기술원 전문연구원, 미국 미시간대학교(Univ. of Michigan) 객원연구원, 삼성전기(주) 전문연구원을 지내고 2001년 3월부터 퓨얼셀파워에 근무하면서 연료전지 스택 및 개질기, 시스템을 개발했다. 2014년 두산에 합병된 이후 두산퓨얼셀에서 PEMFC 사업총괄을 담당한 바 있으며 2017년 1월 아크로랩스를 설립했다.



이처럼 20여 년간에 걸친 다양한 PEMFC 시스템 연구개발 경험을 보유하고 있으며, 관련 특허 국내·외 등록이 70여 건에 이른다. 퓨얼셀파워와 두산퓨얼셀 근무 당시 LNG를 연료로 사용하는 1kW, 5kW, 10kW 주택·건물용 연료전지시스템 사업화 경험도 중요한 자산이다. 이밖에 바이오가스를 이용한 20kW 연료전지발전시스템 실증 및 수소타운 프로젝트 운영 경험도 보유하고 있다.

그러나 두산퓨얼셀에서 독립해 설립한 아크로랩스의 주력 사업분야는 수전해 기술이었다. 이와 관련해 김 대표는 수소·연료전지의 활성화를 위해서는 연료(연료비) 및 수요처 다변화가 중요하다. 연료인 수소에 대한 접근성이 쉬워야 하고, 수요처 다변화를 위해서는 핵심기술이 필요하다는 얘기다. 그래서 선택한 것이 수전해라고 이유를 설명했다.

그는 이어 “수전해는 전기와 물만 있으면 되고, 연료전지와 달리 BOP(연료전지에서 스택을 제외한 구성 부품 또는 주변 기계 장치)가 없는 등 유틸리티가 복잡하지 않은 장점을 지니고 있지만 고효율·저비용의 수전해 기술개발이 관건이다”고 덧붙였다.     

AEM 수전해 기술 보유 
김 대표는 퓨얼셀파워 근무 시절 ‘AEM 수전해’ 연구 경험을 살려 AEM 수전해 기술개발부터 착수했다.

수전해 방식은 크게 △알칼라인(Alkaline) △고분자전해질(PEM; Polymer Electrolyte Membrance) △고체산화물(Solid Oxide) △음이온교환막(AEM; Anion Exchange Membrane)으로 구분된다. 전 세계적으로 알칼라인과 PEM 방식이 주로 사용되고 있으며, 고체산화물과 AEM 방식은 연구개발 단계다.

김 대표에 따르면 알칼라인 방식은 수전해 기술 중 가장 오래되고 이미 상업적으로 검증됐지만 유틸리티가 복잡하고 KOH(수산화 칼륨) 용액으로 인한 부식문제, 고압작동 어려움, 추가 정제 과정이 필요한 점 등의 한계가 있다.

PEM 방식은 효율이 높고 고순도의 수소를 생산할 수 있지만 비싼 귀금속 촉매 사용으로 비용이 많이 들고 추가 건조가 필요한 게 단점이다.

아크로랩스는 알칼라인과 PEM 방식의 단점을 동시에 극복할 수 있는 AEM 수전해 기술을 개발하는 데 성공하고 올 하반기부터 1Nm³ AEM 수전해 스택을 본격 출시할 계획이다.



김호석 대표는 “AEM 수전해는 알칼라인의 장점인 저가 촉매 사용으로 비용을 낮출 수 있고, 압축기 없이도 고압에서도 작동이 가능해 효율 및 순도가 높다”라며 “국내에서 AEM 수전해가 아직은 생소한 기술이지만 최근 미국, 중국 등에서 AEM 수전해 기술 특허가 증가하는 추세”라고 밝혔다.

이에 따라 국내에서도 국가적으로 AEM 수전해 기술개발에 관심을 가져야 한다는 게 김 대표의 지적이다.

김 대표는 “세계 최고 성능의 AEM 수전해 MEA(Membrane Electrode Assembly) 공정기술과 단독운전 연료전지시스템 기반기술을 확보하는 등 소용량 일체형(수전해+연료전지) 에너지저장장치 기반기술을 보유하고 있는 점이 회사의 역량”이라고 밝혔다.

아크로랩스의 AEM 수전해 타깃 시장은 ‘산업용 수소’와 ‘친환경 융복합전지’ 시장이다.

친환경 융복합전지 개발 집중
아크로랩스는 지난해 12월부터 친환경 융복합전지 개발에 집중하고 있다. 올해 말까지 5kW급 친환경 융복합전지 개발을 완료한다는 목표다.


친환경 융복합전지는 계통전원이나 재생에너지 잉여전력을 사용해 수소를 생산하는 AEM 수전해 스택과 연료전지 스택, 각종 BOP, 컨버터 및 통합제어기로 구성된 장치로, 공장 등 산업현장과 건물에서의 비상 전원, 재생에너지 전력 저장, 통신기지국 및 데이터센터 백업 전원 등으로 활용이 가능하다.

김 대표는 “친환경 융복합전지는 비 귀금속계 촉매를 사용하고 압축기가 필요 없는 저가형 AEM 수전해 방식과 기동정지가 빠르고 내구성이 우수한 수냉식 PEM 연료전지를 채택해 시장에서 요구하는 비상 전원으로서의 역할은 물론 수소저장용기의 용량만 늘리면 장시간 사용이 가능하다”라며 “기능 부품 단순화 및 공용화로 대량생산 시 기기가격 저감을 실현할 수 있다”고 설명했다.

김 대표는 이어 “기존의 백업 전원과 에너지저장장치(ESS)로 사용하는 납축전지·이차전지 등의 배터리는 충·방전에 따른 교체 주기와 유지보수 비용, 폐기 시 유해물질 발생, 장시간 사용 시 투자 비용 증가 등의 문제점이 있다”라며 “AEM 수전해를 적용한 친환경 융복합전지는 건물 등 비상 발전기나 데이터센터 및 통신기지국 백업 전원, 풍력·태양광 등 신재생에너지원의 출력 불안정성을 완화하는 ESS로 활용할 수 있다”고 밝혔다.

아크로랩스는 이미 확보한 ‘주파수 조정용 친환경 에너지저장시스템’에 대한 특허를 기반으로 친환경 융복합전지시스템 제품화를 추진할 계획이다. 친환경 융복합전지 통합제어(수전해 전압, 연료전지 전류) 알고리즘의 최적화를 통해 수전해 충전전력량과 연료전지 방전전력량을 조절, 각각 수소생산량과 전력생산량을 제어할 수 있도록 한다는 것이다.

친환경 융복합전지는 운전 온도(-20℃~50℃), 수명(10년 이상), 낮은 자가 방전율 등의 시스템 신뢰성은 물론 모듈화로 용량 확장성이 용이하고, 폐기 시 유해물질이 없는 장점을 갖고 있다.



김 대표는 “친환경 융복합전지는 피크부하 감소용으로 하루 4시간 작동 시 납축전지, 이차전지, 디젤 발전기 등 기존 방식 대비 시스템 신뢰성과 유지보수 측면에서 가격경쟁력 우위를 보일 수 있다”고 밝혔다.

특히 계통전원의 경부하 시간대 전력에 주목하고 있다. 심야전기 등 경부하 시간대 전기료가  저렴하기 때문이다.

김 대표는 “통상 수전해를 통해 수소 1Nm³를 생산하는 데 전기료가 1,000원이 넘는데 아크로스의 AEM 수전해 기술을 이용하면 240원 정도 수준으로 저렴하다”며 “재생에너지 전력을 활용한 수전해는 MW급의 경우 전기료가 비싸 경제성을 확보하기 힘들다. 지금은 재생에너지 잉여전력보다는 경부하 시간대 전력을 활용하는 데 많은 관심을 갖고 있다”고 말했다.

아크로랩스는 한국중부발전, 한국가스안전공사, 한국에너지기술연구원, 지필로스, 두진 등과 함께 국책 연구개발과제인 ‘풍력에너지 잉여전력 활용을 위한 500㎾급 하이브리드 수소변환 및 발전시스템 기술개발’에 참여하고 있다.

이와 관련해 참여기관들은 지난해 12월 신재생-수소 융합사업 공동 추진을 위한 업무협약을 체결했다. 원천기술을 확보한 다음 협약기관과의 산학연 연구센터 개설과 함께 수소생산 및 판매를 위한 SPC를 설립한다는 계획이다. 아크로랩스의 친환경 융복합전지가 이번 기술개발에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되고 있다.
 
연료전지시스템 개발 병행  
아크로랩스는 이미 개발을 완료한 순 수소용 10kW 연료전지시스템 상용화에도 나선다는 계획이다. 이와 함께 오는 7월까지 순 수소용 5kW 연료전지시스템에 대한 신재생에너지설비 인증 획득을 목표로 하고 있다. 내년에는 순 수소용 5kW 연료전지시스템에 개질기를 붙여 도시가스를 연료로 사용하는 연료전지시스템도 개발할 계획이다.


김 대표는 사업과 관련한 연구시설·장비 60종 이상을 보유할 만큼 연구시설·장비에 욕심이 많다. 올해 17종 정도의 연구 장비를 추가로 도입할 예정이다.

한편 김 대표는 회사를 운영하면서 대외적으로 한국에너지기술평가원 연료전지(에너지기술개발 분야) 과제 기획위원, 산업통상자원부 국가기술표준원 수소기술(ISO TC197) 표준 전문위원, 한국에너지기술연구원 TSG(Technology Sensing Group) 자문위원, 한국기계연구원 부설 재료연구소(KIMS) KIMS 2025 연구계획 자문위원, 한국에너지공단 수소·연료전지 커뮤니티(신재생에너지코리아) 좌장 등을 겸임하며 수소·연료전지 관련 활동도 활발하게 펼치고 있다.



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