마그네슘.핸드폰 컴퓨터

2017년까지 400만~500만대 수량 보급 예상

유럽서 본격적인 시장경쟁 이뤄질 것으로 전망

연료전지는 디젤 발전기와 같은 내연기관이나 배터리보다 더 나은 기술 방식으로 인식되고 있어 다수의 시장을 구축하고 있다.

연료전지시장은 지속적으로 성장하고 있으며 2012년에 총 4만5700대에 근접하여 전년대비 2배 이상의 성장을 기록했다. 또 2013년 신규 주문량은 전년대비 47% 증가한 6만7000대 정도로 추산된다.

소형 연료전지시스템의 급격한 판매 증가에도 불구하고 2년 연속 APU(보조동력장치) 부문의 매출 감소로 인해 휴대용 연료전지의 판매는 감소했다.

특수목적차량용 연료전지의 경우, 연료전지와 배터리의 하이브리드 시스템 형태로 연구개발이 활발히 진행되고 있으며 현재 상용화에 성공해 지속적으로 판매되고 있는 제품이 있는데 연료전지시스템을 적용한 지게차가 대표적이다.

 

■ 휴대용 연료전지

2013년 연료전지시장 예측결과 가전제품시장을 목표로 하는 휴대용 연료전지의 수주가 증가할 것으로 전망됐으나 2012년 1만8900대 보다 적은 1만3000대가 출하됐다. 현재 휴대용 연료전지는 레저용, 군용, 소형가전충전용으로 응용분야가 나뉘며 각 분야마다 새로운 콘셉트의 제품들이 출시되고 있다.

• 보조동력장치(APU)

BOC社는 영국에 기반을 둔 회사로 히메라(Hymera)라는 제품을 출시했다. 히메라(PEMFC)는 150W의 출력으로 LED와 같은 고효율 제품에 사용할 수 있으며, 다른 연료전지와 마찬가지로 디젤 발전기에 비해 조용하고 매연, 질소산화물 등의 오염 물질을 배출하지 않아 친환경적이다. 10㎏의 수소실린더(hydrogen cylinders)를 사용하면 24시간 동안 3㎾h의 용량을 제공한다.

일본은 휴대용(Portable) 분야에 상당한 관심을 가지고 있다. 일본회사인 나비코(NaBiCo)社는 2013년 10월 PGMH-33(PEMFC)를 출시했다. 정격출력은 33W(최대 40W)이며, 연료인MgH2(마그네슘 하이드라이드)를 교환해주면 연속 운전이 가능하다. 연료 MgH2는 수소화 마그네슘을 가수 분해하여 최대 15.2%의 고순도 수소를 공급할 수 있으며, 열화가 거의 없어 장기간 저장, 수송 및 공급이 가능하다. 또 컴퓨터 1기의 충전이 가능하고 스마트폰 5대를 동시에 충전할 수 있어 야외에서 사용이 가능하고 재해 시 비상전력으로도 활용할 수 있다.

이와 함께 독일의 SFC社는 레저(leisure)활동에 적용 가능한 ‘EFOY 콤포트(DMFC)’ 제품라인을 가지고 있다. 내부에 인버터가 포함되어 이동식 주택(Caravan), 객실(Cabin) 혹은 보트 등에서 전원공급장치로 사용 가능하다. 최근 웨스턴마린(Western Marine Company : 캐나다 곳곳의 도매업체에 해상부품이나 액세서리 등을 판매하는 회사)은 안전하고 친환경적이며 조용한 전원공급기를 캐나다 marine sector에 제공하고자 SFC社의 EFOY 콤포트를 선택했고, 2014년 1월에 열린 국제 보트쇼에 전시하며 판매 계획을 밝혔다.

이밖에 일본의 산업기술종합연구소(AIST)에서는 LPG 카트리지를 연료로 하는 휴대용 SOFC 연료전지시스템 프로토 타입을 개발했다. 개발된 SOFC 연료전지는 나노구조로 제어되는(nanostructure-controlled) 전극의 개발로 급속 가동(Start-up) 기술을 실현하였고, 2분 내로 400℃에 도달하며 이때에 USB 장치를 실행시킬 수 있는 출력을 낸다. 향후 SOFC 모듈의 내구성과 발전효율 향상을 목표로 하고 있으며, 비상사태나 재난 등에 전원공급으로 응용하기 위해 연료개질과 연료전지 제어 유닛을 결합한 휴대용 연료전지시스템 개발에 주력하고 있다.

• 가전제품(Consumer Electronics)

2009년 개발돼 제품으로 출시된 미니팩(MINIPak)은 휴대용 충전 장치로 세계시장을 잡고 있다. 또 소매자와 대량구매자의 고객 요구에 맞춰 소비자 선택권을 제공하고 있다. 미국 내에서 아웃도어 캠핑용품을 파는 브런턴(Brunton)이란 업체에서 지금까지도 지속적으로 판매하고 있으며, 등산용품 등을 판매하는 레이(REI)라는 업체에서도 꾸준히 판매하고 있다. 하이드로 스틱(Hydro Stick)을 미니팩에 꽂으면 30초 후 바로 충전되며 USB로 간단하게 충전할 수 있다. 하이드로 스틱은 크리스털 형태 안에 메탄 스펀지 안에 수소가 저장되어 있고 1A~0.6A를 제공한다. 하이드로 스틱을 다 쓴 경우에는 하이드로필 스테이션(Hydrofill station)에 증류수만 부어서 충전할 수 있다. 수소를 저장하는데 소요되는 충전시간은 4시간 정도이다. 미니팩은 159유로, 하이드로 스틱은 10유로, 하이드로필은 399유로이다.

▲ (왼쪽부터) BOC社, SFC社, Horizon社의 휴대용 연료전지시스템

■ 특수목적용 연료전지

• 이륜 수송(Two-Wheeled Transport)

일본 스즈키(SUZUKI)社와 인텔리전트 에너지(Intelligent energy)社가 합작으로 만든 PEMFC 스쿠터가 런던에서 출시됐다. 연료전지차량 중 처음으로 EU 통합인증(Whole Vehicle Type Approval)을 받았으며 2.5㎾ PEMFC와 배터리의 하이브리드 스쿠터로 약 220마일 주행이 가능하다. 또한 HyTEC Project(Hydrogen Transport in European Cities, 저탄소 자동차를 보급하는 프로젝트)에 포함돼 런던과 코펜하겐에 두 개의 큰 공급센터를 만들어 보급할 예정이다.

이와 함께 일본 아츠미텍(Atsumitech)은 배기가스에 포함된 미량의 미사용 연료를 이용해 발전할 수 있는 연료전지를 개발하고 열전변환소자와 조합해 배기가스로부터 전기에너지를 효율적으로 생산하는데 성공했다. 배기가스 중 미연소 성분인 수소 등을 활용한 SOFC로 전기를 생산한다. 이 연구 결과는 400cc 엔진에서 배출하는 배기가스 에너지의 2.5%를 에너지로 회수할 수 있다는 것을 의미하며, 400W급 발전유닛을 이용해 라이트 등에 전기를 공급할 수 있다.

 

•물류운반차(MHV)

연료전지 파워팩을 장착한 물류운반차(Material Handling Vehicle)는 일반 배터리에 비해 충전시간이 짧아 시간을 효율적으로 사용할 수 있으며, 배터리보다 수명이 길어 경제적인 이득까지 얻을 수 있기 때문에 가장 활발하게 보급되어 상용화된 제품군이다.

상용화에 성공한 북미지역의 연료전지 지게차 및 파워팩의 보급 현황을 살펴보면 지난 2월 27일 기준으로 총 78개 구역에 6227대가 보급 중이며, 이 중 4500대 이상이 미국 내 물류센터, 창고, 공장 등에서 사용되고 있다.

▲ 북미지역에서 연료전지지게차를 사용하는 업체(선 위)와 연료전지지게차를 개발 및 판매하는 업체(선 아래)

연료전지 지게차에 사용되는 연료전지 종류는 PEMFC와 DMFC이며, 개발업체들마다 운전을 위한 연료 및 연료주입 방식은 조금씩 다르다.

대부분의 연료전지 지게차는 PEMFC 시스템을 사용하고 있으며, 대표적인 시스템이 플러그파워(Plug Power)社의 젠드라이브(GenDrive)이다. 젠드라이브는 정격출력이 1.5~3㎾이며 작업장 내에 수소스테이션을 만들어 두고 수소를 충전해 사용하는 방식이다. 내부에 35MPa 압력용기를 포함하고 있어 한번 충전으로 5시간 연속운전이 가능하며 PEMFC 스택은 발라드(Ballard)社로부터 공급받고 있다. 플러그파워는 다양한 형태의 파워팩 모델을 생산하며 기존 배터리팩을 손쉽게 교체할 수 있도록 제작해 현재 북미지역에 가장 많은 보급률을 차지하고 있다.

일본의 토요타(TOYOTA)는 2005년부터 국가과제로 30㎾급 지게차를 개발했으며, 그 과제의 연장선으로 8~10㎾ (최대 32㎾)의 출력을 내는 FCHV-F 프로토 타입을 개발해 현재 2대를 테스트하고 있다. 이 프로토 타입의 연료는 수소이고, 2015년에 본격적으로 상용화에 나설 예정이다.

연료전지 지게차에 DMFC 시스템을 사용하는 업체는 미국의 오르자(Oorja)社와 한국의 프로파워(PRO-POWER)社가 있다. 오르자의 파워팩은 기존에 사용 중인 배터리팩에 추가로 장착해 배터리 재충전 없이 장시간 운전이 가능하도록 도와주는 전력 보조 장치로 개발됐다. DMFC의 출력용량이 정해져 있어 주로 소형 물류운반차에 사용하고 있으며, 2013년까지 북미 11개 지역에 총 429대를 보급했다.

프로파워의 경우 DMFC시스템과 리튬배터리의 하이브리드를 통해 연료전지 지게차를 성공적으로 운행한 이력을 바탕으로 올 5월에 DMFC 파워팩 시스템이 적용된 지게차를 D사의 물류공장에서 시험 운행한다. 또 DMFC 파워팩 시스템을 제작한 경험을 바탕으로 지게차용 PEMFC 파워팩 시스템도 연구 개발 중이다.

▲ (왼쪽부터) 플러그파워社, 토요타社, 프로파워社의 지게차용 연료전지 파워팩 제품

■ 앞으로의 시장

휴대용 연료전지 시장은 응용분야가 매우 넓기 때문에 발전 가능성이 클 것으로 예측되고 있다.

2017년까지 약 400~500만대의 수량이 보급될 것으로 예상되는데 이는 2011년 대비 237% 성장하는 것이다.

많은 연료전지 산업 종사자들은 핸드폰 충전기 등과 같은 개인 가정용 소형 연료전지와 레저활동 및 비상시에 사용 가능한 전원공급장치의 성공적인 시장 진입을 기대하고 있다.

북미 지역의 지게차 보급 사업에 참여했던 많은 업체들은 컨소시엄을 구성해 북미 지역의 보급 경험을 바탕으로 유럽 시장에 진출하고 있다. 에어리퀴드社와 플러그파워社는 Hy-Pulsion이라는 합작투자회사를 설립해 프랑스 리옹(Lyon)에 있는 이케아 물류센터에 20대의 지게차와 수소충전소를 공급했다. 또 Infintium fuel cell systems와 ITM Power도 유럽진출을 위해 이 분야에서 공동 개발을 진행 중이다.

유럽의 물류운반차 시장은 북미지역보다 56% 이상 큰 규모이기 때문에 북미에서의 실증 경험을 바탕으로 유럽에서 본격적인 경쟁이 이루어질 것으로 예상된다.

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