Update2024.05.13 (월)
원천소재 기술 확보 경쟁 치열
■국가별 동향(미국)
미국은 부시 행정부 시절에 수소에너지 연구개발을 최우선 에너지 정책으로 선정했으며, 국가에너지정책을 발표하는 등 에너지와 환경문제를 집중적으로 다루기 시작했다. 대부분의 연료전지 연구개발은 DOE(Department of Energy)를 통해 이루어지는데 위험성이 높은 초기 연구개발 분야를 중점적으로 지원해 왔다.
고분자 전해질 연료전지 연구개발은 DOE의 Office of Energy Efficiency and Renewable Energy(EERE)를 중심으로 이뤄지고 있으며 전체 Hydrogen Fuel Initiative Program 예산의 약 70%를 차지하고 있다. 시스템 보다는 부품·소재 기술개발에 집중하고 있으며 기본적인 현상 이해 및 원리를 파악해서 가격 및 내구성 측면에서 혁신을 가져올 수 있는 탄화수소계 고분자, 다공성 막을 이용한 강화막, 백금 저감 및 비백금계 촉매 등 신개념의 소재를 개발하고 있다. 현재도 기초 연구와 부품·소재 개발 예산이 매년 증가하는 추세다.
고체산화물 연료전지 연구개발은 DOE 주관으로 1999년에 구성된 정부-연구소-기업-대학의 연합 프로그램인 Solid State Energy Conversion Alliance(SECA) 중심으로 이뤄지고 있다.
DOE는 National Energy Technology Laboratory(NETL), Pacific Northwest National Laboratory(PNNL)과 함께 SECA 프로그램을 기획하고 관리하며 개발계획 Mmilestone·소요예산·연구경험·연구장비 및 설비 등에 대해 종합적으로 평가해 Core Technology Program 및 Industry Team의 연구과제를 정하고 연구결과를 평가하며 각 기관에 피드백을 제공하고 있다.
Core Technology Program의 가장 역점분야 중 하나가 연료전지를 구성하는 소재 및 부품의 성능과 신뢰성을 향상시키는 데 있다.
■국가별 동향(일본)
‘Invitation to Cool Earth 50’국제교류회의에서 세계 전체 CO₂ 배출량을 2050년까지 현재의 1/2로 저감하자는 장기목표를 제안했고 일본이 주력해야 할 에너지 혁신 기술개발인‘21’기술을 선정했다. 그 중 연료전지관련 기술로 연료전지 자동차·정치용 연료전지를 선정했으며, 기준·표준의 제정 및 규제의 재검토와 함께 연료전지의 선도적인 도입을 촉진해 보급에 힘쓰고 있다.
신재생 에너지 도입을 위한 기술개발 지원은 크게 경제산업성(Ministry of Economy, Trade and Industry) 산하기관인 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO : New Energy and Industrial Technology Development)와 기초 연구를 지원하는 문부과학성(MEXT : Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology)에 의해 이루어지고 있다.
연료전지의 개발과 보급을 위해 정치용(고정설치용) 가운데 특히 가정용 연료전지에 대해서는 고분자 전해질 연료전지를 중심으로 2009년도에 본격적인 시장투입이 시작됐고 가정용 연료전지의 도입을 지원해 세계 최초로 본격적인 정치용 연료전지 시장을 창출했다. 동시에 연료전지의 고성능화 및 가격 저감을 위한 기술개발사업도 실시하고 있다. 또한 발전효율이 높은 고체산화물 연료전지를 가정용 연료전지로 응용하려는 연구를 추진하고 있다.
연료전지의 보급과 함께 중·장기적인 관점에서 산업기술종합연구소(AIST) 등의 연구기관을 중심으로 산·학·연 연계를 통해 최첨단 연구개발을 지속적으로 추진하고 있다. 특히 실용화·보급을 위한 요소기술, 기초적·근본적인 현상해석을 위한 첨단기반연구 등을 지원하고 있는데 무가습 전해질막·백금 대체 촉매·저산소분극 촉매 등의 개발과 구성 소재의 열화요인 규명 등의 기초적인 요소기술 연구 등을 지원하고 있다.
美·日, 産·學·硏·官 힘모아 R&D 집중
韓, 2040年 수소경제 구축 목표 연구 진행
■국가별 동향(한국)
◇주요 정책 및 연구개발 프로그램
우리나라는 수소경제 사회를 대비해 수소경제구현 초기단계를 2040년경으로 설정하고, 이를 달성하기 위한 4단계 시나리오를 구성했다.
2004년~2012년은 연구개발 및 보급초기로 충분한 연구개발 투자를 통해 기술의 보급 및 실용화 달성단계이고 2013년~2020년은 연료전지 시장 형성기로 화석에너지에서 필요한 수소를 연료전지에 공급하며 연료전지기술의 경제성을 확보하는 단계이다.
또한 2021년~2030년은 연료전지 시장 확대기로 발전·수송·상업분야에서 연료전지 기술이 보편화되며 확대되는 단계이며 2031년~2040년은 수소경제 진입기로 대체에너지원으로부터의 수소생산 기술이 경제성을 확보하는 단계에 이르는 것을 목표로 하고 있다.
‘그린에너지산업 발전전략’회의를 통해 수소·연료전지 분야를 차세대 성장 동력으로 집중 지원하기로 했다. 이를 통해 선진국과의 기술격차를 조기에 해소하고 R&D부터 수출 산업화까지 전주기적 지원체계 구축을 통해 글로벌 그린에너지 강국 실현을 추진하고 있다.
현재 진행되고 있는 기업주도의 산업화 연구와 함께 신재생에너지기술 개발 사업 및 소재원천기술 개발사업 등을 통해 연료전지 핵심부품에 대한 국산화 및 상용화를 추진하고 있다. 또한 신규 발전소 건설시 발전용 연료전지 설치 의무화 등을 통한 적극적인 보급 추진, 보급실적 및 운전경험 축적, 국내 전문인력 양성 및 활성화, 지속적 기술개발을 통한 재품개선과 경쟁력 확보를 바탕으로 수출산업화 등을 의욕적으로 추진하고 있다.
◇기술경쟁력 분석
‘신재생에너지 RD&D 전략 2030’수립 시 이루어진 설문조사 결과에 따르면 연료전지 분야의 전체적인 국내 기술수준은 선진국과 비교해 약 65% 수준으로 평가된다. 현재 기업이 참여해 실증 중이거나 이미 상용화 단계에 있는 고분자 전해질 연료전지 기술에서는 기술수준이 높게 나타났으나 고체산화물 연료전지의 경우 국내 소재기술의 부재로 인해 기술 수준이 매우 낮게 나타났다.
■국내외 주요 기업의 생산활동
연료전지의 상용화 및 보급의 가장 큰 장벽은 가격이며 본격적인 시장 창출을 위해서는 부품의 저가격화가 필수 요건이다. 현재 가격대에서는 대규모 수요를 창출하기 어렵기 때문에 연료전지의 가격 인하가 필수적이며 업계에서는 현재 가격의 1/10~1/100 수준을 목표로 하고 있다. 기술 선진국의 경우 상업화에 대비하기 위한 부품의 가격을 절감하는 기술 및 대량으로 생산하는 기술을 개발하는데 역량을 집중하고 있다. 부품의 성능을 향상시키기 위한 기술개발에서 가격을 절감하기 위한 기술개발로 방향을 선회하고 있다.
◇고분자 전해질 연료전지소재 생산활동
Gore·DuPont·3M 등 전해질막의 기술을 보유하고 있는 업체들이 불소계 전극막을 경쟁적으로 개발하고 있으며 Johnson-Matthey 등 촉매 전문 업체들도 전극막 제조에 뛰어들고 있다.
향후에는 전해질막과 촉매 업체들이 각각의 전문 분야에 집중할 것으로 예상되며 자동차 업체 및 완제품 제조 업체가 중심이 돼 시스템 요구 조건에 따라 주문 제작하는 방식으로 개발이 진행될 것으로 예상되고 있다. 탄화수소계 전극막은 Honda가 유일하게 적용 중이며 지속적으로 개발이 가속화 될 것으로 판단되고 있다.
기체 확산층의 경우 Toray·Toho·Mistubish 3개의 일본 업체가 탄소섬유 원사의 62%를 생산하고 있어 일본 업체들의 독점 체제에 의해 탄소섬유의 가격이 조정되고 있다. 흑연 소재의 분리판은 팽창 흑연 시트에 성형하는 기술을 독점하고 있는 Graftech사가 기술을 선도하고 있으며 DCX, GM, 현대·기아자동차 등이 금속 분리판 개발에 집중하고 있다.
◇고체산화물 연료전지소재 생산활동
미국의 Nextech Material, Maketech International Inc. 및 Fuel Cell Materials, 일본의 Seimi Chemical, Daiichi Kigenso Kagaku kogyo 및 Anan Kasei 등이 다양한 종류의 연료극, 공기극 및 전해질 분말을 생산해 판매하고 있으나 국내의 경우 소재산업기반이 전무한 실정이다. 특히 국외 업체는 수요자가 원하는 조성비, 입자크기 및 비표면적을 갖는 원료를 여러 가지 방법으로 제조해 공급하면서 시장 점유율을 지속적으로 확대하고 있다. 세라믹 또는 금속 연결재의 경우, 일본의 Semichemical과 미국의 FCM사, Maketech International Inc사가 (La,Sr)CrO₃ 또는 Crofer 금속 분말을 생산해 판매하고 있다.
연료전지, 2015년 26억불 시장 예상
장기적 안목 원천 소재기술 개발 필요
■시장규모 및 전망
조사 기관에 따라 상이한 시장 전망치를 발표하고 있긴 하지만 Global Industry Analysts Inc에서 2010년 발간한 보고서에 따르면 전 세계 연료전지 시장 규모는 2015년 26억달러에 이를 것으로 추정했고 JP Morgan 사는 2020년까지 연료전지에 대한 소비자 수요가 약 1,000억달러에 이를 것으로 전망했다.
고분자 전해질 연료전지의 경우 가정용 MEA(고분자 전해질막-전극 접합체, Membrane-electrode Assembly)의 세계시장 규모는 2015년 5,000억원, 2020년 6조7,000억원, 2025년 16조2,000억원으로 예상되며 수송용 MEA의 시장규모는 2015년 2,000억원, 2020년 3조2,000억원, 2025년 55조원으로 예상되고 있다.
전 세계 고체산화물 연료전지 시장규모는 2000년에 5,600만달러에서 2004년도에는 1만7,400만달러, 2008년에는 3만5,700만달러에 이른 것으로 추정했다. 2000~2008년까지의 연평균성장률은 30.3%로 매우 높은 것으로 나타났다.
한편 국내의 기술평가유통정보시스템에서 제공하는‘연료전지소재’기술시장 정보서에 따르면 2011년 세계 SOFC 시장규모 대비 국내 시장규모를 약 1/10 정도로 추정하고 향후 국내 시장이 세계 시장 성장률에 따라 동반 성장할 것으로 전망하고 있다.
■향후 연구개발 과제
◇원천·핵심 소재 기술 연구 프로그램 필요
선진국의 경우 연료전지 시스템 개발을 지원할 수 있도록 핵심부품·소재 개발을 범정부 차원에서 지원하고 있는데 반해, 국내의 경우 대부분의 연구개발 프로그램이 원천기술보다는 기업주도의 산업화 연구에 지원되고 있다.
이러한 이유로 인해 연료전지 차량 및 가정용 연료전지의 경우 국내 기술로 시제품을 만들어 현재 모니터링 사업을 진행하고 있으나 전극·MEA 등의 핵심 부품 대부분은 수입에 의존하고 있는 실정이다.
연료전지 상업화의 걸림돌인 가격과 내구성 문제를 해결하고 시장 경쟁력을 확보하기 위해서는 소재 단계에서의 혁신과 국산화가 필요하며 이를 지원할 원천·핵심기술 프로그램을 보다 활성화 시킬 필요가 있다.
현재 연료전지 기술은 상용화 또는 상용화 준비 단계이며 상용화는 수많은 소재·부품 산업을 창출할 수 있다. 주요 핵심소재인 전극·전해질·분리판 소재 등에 대한 개발방향을 설정해 향후 연료전지 시장에서 국내 업체들이 경쟁력을 가질 수 있도록 국산 부품·소재의 설계·제조 기술을 확보 해나가야 한다.
◇정부 지원 제도의 탄력적 운영 필요
연료전지 개발 사업은 장기적 접근이 필요한 만큼 위험 부담이 큰 분야다. 특히 부품·소재 개발은 기술 특성상 기술개발이 성공하더라도 사업적 측면에서 상업화 시기 및 생산량 등을 예측하기 힘들다. 따라서 획일적으로 적용되고 있는 연구개발의 기업 부담금 및 기술료 제도의 탄력적 운영이 필요하다.
