전 세계적으로 2006년에 휴대용 연료전지 신규 제작품의 수는 3천 대를 넘었으며, 2005년의 수량에 비해 8%가 증가했다. 휴대용 연료전지가 상용화될 경우에 기존의 2차전지를 점진적으로 대체할 것이므로 휴대용 연료전지의 세계 시장은 2차전지 세계 시장을 파악하여 예측할 수 있다.

연료전지(Fuel Cell)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환시키는 전기화학 발전 시스템이다(그림 1 참조). 연료전지는 1, 2차 전지에 비해 에너지 밀도가 높고 장시간의 전력 공급과 단시간의 연료 충진·교체가 가능하다는 장점이 있다. 또한 오염물질의 배출이 적은 청정발전 기술로서 태양전지나 풍력발전기 등과 달리 지역적 조건이나 기후조건 등의 제약이 없어 언제든지 전력 생산과 활용이 가능하다.

그림 1. 연료전지의 발전 원리

연료전지는 용도에 따라서 건물용(가정용), 수송용, 휴대용, 발전용으로 적용이 가능하다. 그 중에서 휴대용 연료전지 시스템(portable fuel cell system)은 다른 연료전지 타입에 비해 출력밀도가 상대적으로 낮지만 휴대의 간편성, 작동의 편리성, 연료 교체의 용이성 때문에 휴대가 가능한 수W에서 수백W급의 휴대 전자기기용 전원 시스템으로 개발되고 있다. 즉 노트북 컴퓨터, 원격지 독립전원, 레저 및 군용 휴대전원 등을 예로 들 수 있으며 국방용 전원 등으로 응용하는 데 관심이 높다.
휴대용 연료전지 시스템 상용화를 위해 다양한 연료전지 중에서 직접 메탄올 연료전지(DMFC, Direct Methanol Fuel Cell), 저장 수소형 고분자 연료전지(H2-PEFC, Hydrogen Polymer Electrolyte Fuel Cell) 혹은 개질가스형 고분자 연료전지(Reformer-PEFC, Reformer Polymer Electrolyte Fuel Cell) 등을 개발하고 있다.
저장 수소형 PEFC는 연료로 수소를 탱크에 압축 저장하여 연료전지에 공급하는 시스템이다. 이것은 개질기형 PEFC보다 시스템 구조가 간단하지만 수소를 고압(최고 700기압)으로 압축 저장해야 하므로 저장 탱크의 개발과 안전성 확보, 수소 공급 인프라에 대한 개발이 진행되고 있다.
개질기형 PEFC는 연료로 메탄올, LNG, 가솔린 혹은 디젤을 사용할 수 있다는 장점이 있으나 이들 연료를 개질하여 고순도 수소를 제조하기 위한 개질기의 개발이 우선적으로 이루어져야 한다. DMFC는 액체인 메탄올을 연료로 직접 사용하기 때문에 수소를 연료로 사용하는 연료전지에 비해 주변 장치(BOP)가 줄어들어 시스템이 간단하여 경량화와 소형화가 가능하고 연료 교체가 편리하다는 장점이 있다. 그러나 시스템의 출력밀도가 PEFC에 비해 상대적으로 낮다는 단점이 있다.
휴대용 연료전지는 시장동인, 인프라 의존도, 규제 등에서 타 연료전지에 비해 매우 유리한 시장 환경을 가지고 있기 때문에, 비록 연료전지의 연구개발은 자동차용 → 분산전원용 → 휴대용으로 확산되었지만, 시장의 확대는 그 반대로 이루어질 가능성이 매우 높다.
국외의 휴대용 연료전지의 경우 독일의 SFC Energy사에서는 50W급 DMFC를 레저용, 원격지 충전용 및 군용 전원으로 상품화하여 판매하기 시작하여 시장을 형성하고 있다.
전 세계적으로 2006년에 휴대용 연료전지 신규 제작품의 수는 3천 대를 넘었으며, 2005년의 수량에 비해 8%가 증가했다. Idatech사, Protonex사, SFC Energy사, Voller사 등과 같은 기업들은 생산 능력을 높여 앞으로의 수요에 대응하고 있다. 현재는 전문기업이나 연구기관들이 제품을 구매하고 있는 상태이다.
국방용으로는 유무선 통신용 발전 전원, 군작전용 이동용 전원(디젤발전 대체), 비상발전 (이동 상황실 등), 군사용 장비 배터리 대체(KNN/PRC-77, PRC-99K / VRC-946K 등 무전기 및 주변 장비)용, 군사장비 2차전지 충전용 전원으로 활용이 가능하다. 휴대용 연료전지가 상용화될 경우에 기존의 2차전지를 점진적으로 대체할 것이므로 휴대용 연료전지의 세계시장은 2차전지 세계 시장을 파악하여 예측할 수 있다.
세계의 휴대용 연료전지의 개발 활동은 북미가 약 절반을 차지하고, 개발 기업 수도 가장 많다. 이러한 이유 중에는 미국이 군사 분야에 투자를 많이 하고 이에 관련된 기업의 활동이 높기 때문이다. 유럽에서는 프랑스, 이태리, 독일의 기업이 많으며, 핀란드와 영국에서도 어느 정도 활동이 이루어지고 있다. 유럽에서는 전반적으로 양산화를 위한 노력이 이루어지고 있으며, 특히 Smart Fuel Cell사와 Voller사의 활약이 두드러진다.
휴대용 연료전지 시스템은 수W~수십W급의 소형 전자기기(노트북 등)용 전원, 그리고 수백W급(kW 혹은 그 이하)의 이동용 전원(소형 모터사이클, 소형 지게차, 군용 전원)으로 적용이 가능할 것이다
휴대용 연료전지 시스템으로 가장 적합한 시스템이 어느 것인가에 대해서는 아직 이견들이 남아 있지만, 고분자 연료전지(PEFC)와 직접 메탄올 연료전지(DMFC)의 개발이 거의 비슷하게 이루어지고 있다. DMFC 시스템은 순수한 메탄올을 연료로 사용할 수 있으므로 에너지 밀도가 높아 휴대용으로 적합하다고 알려져 있다.
군용 연료전지는 현재 북미에서 가장 많이 개발되고 있으며, 다음으로 유럽, 아시아, 중동 지역이 차지하고 있다. 북미 지역 개발사의 수가 2006년부터 거의 20% 정도씩 증가하고 있다. 휴대용 연료전지 시스템의 응용 분야는 개발 기관의 거의 절반 정도가 군용 부분에 참여를 하고 있을 정도로 가장 높은 비중을 차지하고 있다. 다음으로 수송용 부분이 거의 40%를 차지하고 있다.
국내에서는 휴대폰과 소형 전자기기 등 IT 관련 제품의 수요 증대에 따라 휴대용 전원에 대한 수요가 증가하고 있기 때문에 고성능 휴대전원의 잠재 시장은 매우 크며, 따라서 여러 기업들이 연료전지 사업 참여를 모색 중이다. 비나텍, 동진세미켐 등에서는 촉매와 MEA, JNTC에서는 GDL 및 MEA, LG화학에서는 MEA 시제품을 개발했으며, 샘플 제공 또는 주문 생산 방식의 판매가 있다.
휴대용 연료전지 시스템의 양산 상용화를 위해서는 DMFC와 PEFC 분야에서는 공통적으로 저소비 전력의 소형 BOP(펌프, 컴프레서, 밸브, 센서 등), 연료전지와 적용 기기의 인터페이스(시스템 제어기술, 회로 설계기술) 기술이 개발돼야 한다. 그리고 DMFC 분야에서는 고농도 메탄올 사용 가능한 고분자막 개발, 촉매량 감소, CO 저항성 고효율 촉매를 비롯하여 MEA의 출력과 내구성 향상이 이루어져야 한다. PEFC 분야에서는 마이크로 개질기, 무가습 멤브레인, 대량 생산·공정 기술, 가격 저감 기술(촉매 사용량)이 개발돼야 한다.
미국해군연구소(NRL ; Naval Research Laboratory)는 별개의 두 가지 기술인 UAV 기술과 연료전지 기술을 융합한 연구 결과물인 Ion Tiger 무인 항공기를 시연했다. 이 비행기는 소형 UAV로 함정에 싣고 다니다가 필요한 경우 띄워서 적진을 탐지하는 스파이 비행기다. 미 해군연구기획청(ONR)은 이온 타이거의 개발 목표를 비행시간 24시간, 이륙 중량 2.2kg로 잡고 있다(그림 2 참조).

그림 2. 미해군의 연료전지 무인 첩보 비행기 ‘이온 타이거’

UltraCell의 메탄올 연료 개질식 군용 연료전지인 XX25 기종(25W)은 병사의 휴대용 전원으로 적합한 충격과 진동에 내구성이 있어 20W급으로 72시간 병사 작전용으로 사용이 가능하며, 중량이 9lbs(4.5kg)으로 기존 군용 2차전지 중량의 75%까지 낮추는 시스템을 제작할 수 있다. 현재 XX25의 군용 현장 시험을 실시하고 있다(그림 3 참조).

그림 3. UltraCell사의 메탄올 연료 개질식 연료전지 시스템

미국의 Oorja Protonics사는 1.5kW 출력 DMFC 시스템을 실내용 지게차(class III)에 적용하고 있다(그림 4 참조).

그림 4. 미국 Oorja Fuel Cells사의 휴대용 DMFC 시스템

현재 이 회사의 DMFC/배터리 Hybrid 지게차는 2009년에 200여 대를 Nissan 등에 판매하여 주로 물류창고, 냉동회사 냉동 창고 작업용, 자동차 회사의 부품 공급용 지게차에 적용되고 있다.
기존의 배터리 전용 지게차는 배터리 충전 혹은 교체 시설을 갖추어야 해서 이에 필요한 작업 시간이 필요했지만, 연료전지/배터리 하이브리드 지게차를 도입하면 이 같은 절차가 필요 없게 되어 연간 운영비용이 약 6,800달러 정도 절감된다. 1.5kW DMFC 시스템은 약 17,000 달러에 판매되고 있다.
독일의 SFC Energy사는 레저, 산업 및 군용 연료전지를 생산하고 있다. Marine Fuel Cell 시스템(AHD-100), EFOY COMFORT 시리즈의 3가지 모델로 기존의 5가지 EFOY 시리즈를 대체했다(그림 5 참조).

그림 5. 독일 SFC Energy사의 휴대용 DMFC 시스템

SFC Energy사의 군용 휴대 DMFC 발전 시스템인 Jenny 600(그림 6 왼쪽 참조)는 전력 원격 제어 장치와 군실 전용으로 설계됐으며, 중량이 1.3kg이고 출력은 25W(효율 25%)이다. 350ml 연료 카트리지(360g)로 350Wh 정도의 에너지를 얻을 수 있다. 72시간 작전용 Jenny 시스템은 카트리지 5개를 포함하여 무게가 3.865kg이고, 이는 12개의 배터리(13kg)을 대체하는 효과가 있다.
SFC Energy사의 EMLY 2200(그림 6 오른쪽 참조)는 무전/통신 기기, 무기 시스템, 전자 광학 시스템 등의 충전 시스템으로 사용할 수 있다. 에너지 밀도가 2160Wh/day(90W, 12/24V, 7.5/3.75A)이며, 시스템의 사이즈는 47.6(L)×20.6(W)×28.2(H)이고 중량은 12.5kg이며, 연료 소모는 0.9L/kWh(1.1L/100Ah at 12V)이다.

그림 6. SFC Energy사의 군용 DMFC  (왼쪽 : Jenny 600, 오른쪽 : EMLY 2200)

독일 Juelich 연구소(Research Centre Juelich)는 2003년부터 kW급의 대용량 DMFC를 개발하여 2005년에 1.3kW 출력의 DMFC 스택을 장착한 스쿠터를 개발했다. 그 후 2007년부터는 이와 유사한 출력의 DMFC 시스템을 실외 물류센터용 소형 전기 지게차(Fork-lift)에 적용하는 개발을 SolviCore, Ebm-papst Landshut, AKG, Hoppecke Batterien사와 공동으로 진행하고 있다. 2011년에 출력밀도를 30W/L, 운전시간을 5,000시간 이상으로 하여 이를 상용화하는 것을 목표로 하고 있다(그림 7 참조).

그림 7. 독일 Juelich 연구소의 DMFC 지게차(Fork-lift)와 DMFC 시스템

FZJ에서는 2010년 8월부터 이 시스템의 장기 내구성 평가를 1년간 실시하여 2만 시간 운전했다.
덴마크의 IRD사는 500W 및 850W급 DMFC 시스템(그림 8 참조)을 개발하여 배터리 및 환경오염이 우려되는 디젤 발전기의 대체 또는 배터리의 충전 용도로 상품화했는데 오지의 텔레콤 타워 비상전원, 레저용으로 응용되고 있다.

그림 8. IRD사의 500W급 DMFC 시스템

일본의 Mitsubishi Gas Chemical(MGC)사는 2008년 신형 배출 가스 제어 시스템(uniqe exhaust gas control system)을 적용한 기액 분리(CO2, H2O) 기술, 나노 레벨 촉매 기술, 반응 효율 및 전극 신뢰성 향상(130mW/cm2)을 통해 출력 300W급 DMFC 시스템을 개발했다(그림 9 참조).

그림 9. Mitsubishi Gas Chemical(MGC)사의 300W급 DMFC 시스템

일본 Hitachi사는 2008년에 일본 NHK 방송에 DMFC 시스템을 사용했으며, 이 시스템의 정격 출력은 120W, 정격 출력 전압은 16.8V(±1V), 중량과 부피는 7kg과 11L(325×214×223mm)이며, 40wt% 메탄올 용액을 사용하고 1미터 거리에서의 소음은 53dB 이하였고, 비상전원, 캠핑용, 요트용 및 원격 전원용으로 개발됐다(그림 10 참조).

그림 10. Hitachi사의 개량된 DMFC 시스템(DMFC-120W-P3C)

대만의 INER(Institute of Neclear Energy Research)는 20W DMFC 전원 팩(100×100×240 mm)을 개발했다(그림 11 참조). 이 시스템의 중량은 2.2kg이고 출력 전압은 13V이다. 200cc의 원액 메탄올 연료로 60~70℃의 온도에서 운전하여 약 8시간 동안 연속 운전할 수 있다.

그림 11. 대만 INER의 20W DMFC 전원 팩

국내의 DMFC 개발은 1994년 한국에너지기술연구원(KIER)이 국책연구기관 자체 사업으로 연구를 시작한 것이 효시이다. 이때는 DMFC를 이동용 전원에 사용할 목적으로 연구가 진행됐으며(200W급 미만), 촉매와 분리막에 대한 기초 연구와 시스템에 대한 연구를 주로 수행했다.
프로파워(주)는 2009년 10월 13일 코엑스에서 열린 ‘2009 대한민국 녹색에너지 대전’에서 (주)S&T, 진우 엔지니어링(주), KIER, KIST, KAIST 등과 공동으로 개발한 연료전지(DMFC) 스쿠터 시제품을 선보였다(그림 12 참조).

그림 12. 프로파워(주)의 DMFC 스쿠터 시스템

KIER에서는 1인승 소형 미니카(1500×700×1600mm, 최대 속도 15km/h, 1인승)에 500W 출력(최고 출력 750W)의 DMFC 스택을 장착하여 DMFC/배터리 하이브리드 미니카(DM-Mini V501)를 개발했다(그림 13 참조). DM-Mini V501의 연료전지/배터리 하이브리드 시스템의 중량(23kg)은 기존 배터리 시스템의 중량(50kg)보다 50% 이하이고, 메탄올 원액 2.5L로 10시간 이상 운전이 가능하다.

그림 13. KIER 개발 미니카(DM-Mini V501), DMFC 시스템 및 스택(2009)

삼성 SDI와 삼성종합기술연구원은 2009년 5월 8일 대구에서 열린 ‘그린에너지 엑스포’에서 세계 최고 수준의 효율을 자랑하는 군사용 직접 메탄올 연료전지(DMFC)를 공개했다(그림 14 참조). 기존 제품 대비 연비가 14%에서 최대 54% 이상 향상된 최고 효율의 연료전지로, 내구성도 7~8배 이상 개선됐다.

그림 14. 삼성에서 개발한 병사용 연료전지 시스템

또한 군사용으로 쓰이는 점을 감안해 360도 어느 방향으로 움직여도 사용 가능한 전방위 방향성을 부여했다. 연료전지는 충전에 필요한 대기 시간 없이 연료 교체만으로 지속적인 전력 공급이 가능하고, 3천 시간 이상의 내구성을 갖는 것도 장점이라고 발표했다. 배터리보다 에너지 밀도가 2~3배 이상 높아 3.5㎏의 연료전지 시스템으로 군인 한 명이 3일 동안 연속 사용 가능한 1800Wh 에너지를 공급할 수 있다. 기존 제품 이상의 성능을 내면서도 무게를 60% 이상 줄였다.
이는 1·2차 전지의 경우 8~10kg 이상 필요한 수준이다. 개발된 연료전지는 미국의 공인 검증기관인 미군 전자통신 연구개발 엔지니어링센터(U.S. Army CERDEC)를 통해 사전 성능 평가를 받았고, 향후 신뢰성 평가 검증 과정을 거친 후 2010년 본격 납품을 위한 필드테스트를 받을 예정이다.
LIG 넥스원에서는 한국에너지기술연구원과 공동으로 무인기의 동력원으로 사용될 1kW급 DMFC 시스템을 개발하고 있다(그림 15 참조).

그림 15. LIG 넥스원에서 개발 중인 무인기용 DMFC 시스템

휴대용 연료전지 시스템의 기술개발과 상용화를 위해서는 우선적으로 크기, 중량, 출력 및 가격 등에 대한 기술이 해결되어야 하며, 또한 생산, 시스템 제작, 응용 분야 개발 및 마케팅 등 다양한 분야의 노력이 요구된다.
연료전지에 필요한 부품(BOP)은 종류가 아주 다양하고 특히 스택과 시스템에 필요한 부품 개발에 대응하기 위해서는 부품 소재 분야의 중소기업 육성을 위한 다각적 노력이 필요하다. 학계나 연구소뿐만 아니라 기업체에서도 휴대용 연료전지 시스템의 성능을 개선하기 위한 요소기술과 시스템 기술개발에 매진하고 있으며 최근에는 일부 제품들이 상용 판매가 시작되고 있으며 성능 향상 기술들이 활발히 발표되고 있으므로 상용화 및 실용화는 더욱 가속화될 것으로 전망된다. 

한국에너지기술연구원 백동현 책임연구원
(주)알티엑스 채근석 연구소장