Special 차세대 연료전지 및 전해전지 개발 동향(1)

발전용•건물용 연료전지 개발 현황 

양재춘_한화솔루션 연구소 상무

1. 서론

21세기 들어 글로벌 에너지 시스템은 두 가지 거대한 전환에 직면하고 있다. 하나는 기후변화 대응을 위한 탈탄소화(decarbonization) 요구이며, 다른 하나는 디지털 문명, 특히 AI의 급속한 발전에 따른 전력 수요의 폭발적 증가이다.

  2050년 탄소 중립(Net Zero)을 달성하기 위하여 탄소 배출이 없는 태양광, 풍력, 지열 등과 같은 신재생에너지의 비중이 증가하게 되면, 신재생에너지의 간헐성과 대용량의 에너지 저장의 어려움으로 인한 전력 수급 불일치가 발생하게 되고 이에 따라 대량의 전력 손실이 발생할 수 있어 탄소 배출이 없고 장기간의 에너지 저장이 가능한 수소를 활용한 분산 발전 시스템이 대안으로 제시될 수 있다. 

  최근 생성형 AI(Generative AI) 및 대규모 언어 모델(LLM)의 상용화는 전력 수요 전망을 근본적으로 바꾸어 놓았다. 2035년까지 미국 내 AI 데이터센터의 전력 수요는 2024년 기준 4 GW에서 123 GW 이상으로 30배 이상 증가할 것으로 예측된다[1]. 이러한 전례 없는 전력 수요 증가는 기존 전력망의 확충 속도를 크게 앞질러 전력망의 병목 현상을 초래할 수 있을 것으로 예상된다. 

  발전용 및 건물용 연료전지는 연료인 수소가 가지고 있는 화학에너지를 대기중의 산소와 전기화학적 방식으로 전기를 생산하는 방식이다. 이 때문에 에너지 전환 과정에서 발생하는 에너지 손실이 적어 효율이 높고 연료의 연소과정이 없어서 이산화탄소(CO₂), 일산화질소(NOx), 이산화황(SOx)과 같은 오염 물질 발생이 기존 발전 방식에 비해 적으며 연료 유연성이 뛰어나고, 재생에너지 대비 24시간 365일 안정적 전력을 공급할 수 있다는 장점이 있어 탄소 중립과 AI 보급 확대에 따른 급격한 전력 수요 대응 문제를 해결할 수 있는 핵심 솔루션으로 제시될 수 있다. 

  본고는 발전용 및 건물용 연료전지의 기술 개요, 주요 기술 유형별 특성 비교(PEMFC, PAFC, MCFC, SOFC), 글로벌 및 한국 시장 현황과 주요 기업 동향과 기술·시장적 도전 과제 및 향후 전망에 대해 정리하였다.

2. 발전용•건물용 연료전지 기술 개요

발전용 연료전지는 1970년대 석유 파동을 계기로 에너지 안보와 효율 개선에 대한 관심이 높아지면서 개발이 본격화되었다. 미국 에너지부(DOE)와 가스 유틸리티 기업들이 공동으로 인산 연료전지(PAFC) 실증 프로그램을 추진하였으며, 1991년 일본 Fuji Electric은 병원, 대학, 호텔 등에 전력과 열을 동시에 공급할 수 있는 인산형 연료전지를 개발하였다. 이후 용융탄산염 연료전지(MCFC) 및 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개발이 추진되었는데 특히 SOFC는 고온 작동을 통한 높은 발전 효율과 다양한 탄화수소 연료가 사용 가능하여 미래의 주력 기술로 주목받고 있는 상황이다. 

  연료전지는 전해질 종류에 따라 네 가지 유형으로 분류된다(표 1). 각각의 연료전지들은 작동 온도, 연료 유연성, 발전 효율, 응용 분야에서 뚜렷한 차이를 보이며, 각각의 특성에 맞는 응용 분야에 적용되고 있다. 

표 1. 연료전지 주요 기술 유형

  고분자전해질 연료전지 (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 고분자 막을 전해질로 사용하며 60~80°C의 저온에서 작동한다. 빠른 시동 특성과 높은 전류 밀도로 연료전지 자동차와 같은 모빌리티 분야에 주로 활용되고 건물용 및 데이터센터의 비상 전원 및 백업 전원으로도 활용되고 있다. PEMFC는 고온형 연료전지 대비 낮은 발전 효율로 인하여 대형 발전용으로 적용에는 한계가 있으나, 향후 그린 수소 공급망이 구축된다면 무탄소 발전 솔루션으로서의 가능성은 높다고 할 수 있다.

그림 1. 발전용•건물용 연료전지 구조

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 8월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>