■ 기술의 개요

◇ 기술의 정의

연료전지(Fuel Cell) 기술은 1839년 영국의 월리엄 그로브(William Grove, 1811~1896)에 의해 발명됐다. 연료전지는 연료의 화학에너지를 열과 기계적인 에너지 변환과정을 거치지 않고 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시킨다. 연료전지는 연료전지 스택, 연료변환장치, 운전장치(BOP) 및 제어기로 구성된다.

연료전지는 발전효율이 높고 광범위한 분야에 적용할 수 있으며 다양한 연료를 사용할 수 있다. 연료전지는 친환경성으로 소음과 유해 배기가스 배출이 거의 없어, 화석연료 고갈과 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 녹색 신성장동력이다.

▲ 연료전지의 장점.

◇ 기술의 분류

연료전지는 작동온도에 따라 고온형과 저온형으로 구분된다. 먼저 인산형 연료전지(PAFC), 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC)는 상온에서부터 200℃ 이하에서 작동돼 저온형으로 분류된다. 저온형 연료전지는 시동시간이 짧고 부하변동이 뛰어나지만, 효율이 상대적으로 낮고 고가의 백금을 전극으로 사용하는 점이 단점이다. 반면 용융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지(SOFC) 등 고온형은 600℃ 이상에서 작동된다. 고온형 연료전지는 전극촉매로 니켈과 같은 일반 금속촉매를 사용하며, 발전효율이 높고, 고출력이지만 시동 시간이 오래 걸리는 점이 단점이다.

현재 국내에서 주로 개발 중인 연료전지로는 PAFC·MCFC·PEMFC·DMFC·SOFC가 있으며, 이 중 MCFC는 주로 분산발전용으로 PEMFC는 가정용 및 상업용/수송용으로 SOFC는 가정용부터 분산발전용까지 좀 더 넓은 응용분야에서 사용되고 있다.

▲ 연료전지의 분류.

■ 환경변화와 기술의 중요성

◇ 국제적인 환경오염 규제

탄산가스 배출에 따른 지구 온난화 현상으로 지구 곳곳에 기상이변이 속출하고 있다. 공기오염과 산성비로 인한 환경파괴가 날로 심각해지면서 환경 친화적인 청정에너지원의 개발은 전 세계적인 이슈가 됐다. 범세계적으로 추진되고 있는 환경오염에 대한 규제 움직임은 궁극적으로는 탄소세 도입 등 경제규제로 발전할 것으로 예상된다. 따라서 이에 대비한 청정에너지원의 개발은 필수적이다.

◇ 에너지 안보의 중요성

우리나라는 2011년 에너지 소비량 세계 10위, 석유 소비량 6위권의 에너지 다소비 국가다. 에너지 소비의 약 97%, GDP의 8.2%를 수입에 의존하고 있는 우리나라는 국가적 에너지 안보가 매우 취약하다. 현 시점에서 전 세계 에너지 소비량을 예측해보면 2015년까지 56경3,000조 BTU(British Thermal Unit, 1lbs(파운드)의 순수한 물의 온도를 1℉ 상승시키는데 필요한 열량, 1BTU=1.055KJ=0.252Kcal) 2030년까지는 70경2,000조 BTU의 에너지가 소비될 것이며 에너지 소비가 연평균 2% 씩 증가할 것으로 예상된다. 이로 인해 전 세계적으로 에너지 공급과 사용에 대한 녹색혁명이 진행 중인데 최근 G8 정상회의에서는 이산화탄소 배출량을 2050년까지 현 수준의 50%로 감축하는데 합의하고, 에너지효율 극대화와 저탄소화 기술개발에 박차를 가하고 있다.

이러한 에너지효율 향상과 저탄소화 측면에서 가장 주목받고 있는 기이은 발전용 연료전지 기술이다. 연료전지 발전은 기존 화력발전 대비 온실가스의 주범인 이산화탄소를 약 40%까지 감소시키며 동시에 약 26%의 에너지가 절감되는 효과를 얻을 수 있는 신에너지 기술로 미국·일본·EU에서 미래의 녹색산업으로 선정해 경쟁적으로 개발하고 있다. 특히 연료전지 발전은 천연 가스, 메탄올 등 수소 포함 연료와 하수처리 가스, 매립지 가스 등 부생가스도 연료로 사용이 가능해 연료 다변화를 통한 수급 안정화 및 석유 대체효과도 기대할 수 있다.

◇ 에너지 패러다임의 변화

전 세계적으로 에너지 경제 구도가 화석에너지로부터 수소경제로 전환되는 에너지 패러다임 대변환 시대에 진입하고 있다. 발전용 연료전지 산업은 궁극적인 수소경제 사회로의 안정적 진입을 가속화한다. 또한 대체 에너지원으로 기존 화력발전소를 대체할 경우 전 세계 시장 파급효과가 막대할 것으로 전망된다. 특히 연료전지는 설비 가동률이 95%로 타 신재생에너지에 비해(태양광 12%, 풍력 20%) 우월한 경쟁력을 가지고 있어 신재생에너지 보급목표 달성 및 환경정책에도 기여할 것으로 기대된다.

◇ 국가 성장 동력 산업

이와 같이 대체에너지 기술 중 가장 각광받고 있는 연료전지 기술은 미국·캐나다·독일 등 선진국에서는 이미 부분적으로 상용화됐다. 우리나라에서도 대기업과 연구소를 중심으로 활발한 연구가 이루어져 최근 선진국과의 기술격차를 상당히 좁히고 있다. 특히 우리나라는 2003년도에 연료전지를 10대 성장동력의 하나로 선정해 기술개발에 관심을 기울이고 있어 기술우위를 통한 국가경쟁력 향상에 이바지할 것으로 예상된다.

이러한 차세대 발전방식인 연료전지 기술의 조기 도입을 통해 발전효율 증가에 따른 에너지 절감, 분산발전에 따른 전력손실 감소 등 직접적인 에너지 수입 절약 효과를 얻을 수 있다. 또한 추후 엄청난 규모로 확장이 예상되는 중국, 인도 등 개도국들의 분산발전 시장에 진출함으로써 에너지 수출국으로서 국가경쟁력을 확보해 나갈 수 있을 것으로 예상된다.

■ 기술분야별 동향

나노기술은 1991년 일본의 Ijima에 의해 직경이 나노 크기인 탄소튜브(carbon nanotube)가 발견되면서 연구개발이 시작됐다. 이후 일정 크기 이하로 제조된 물질이 가지는 성질을 이용하기 위해 금속 및 무기물 분말, 탄소흡착제 등의 분야에서 지난 10여 년간 꾸준히 연구됐다. 그간 나노소재기술은 나노소재가 나타내는 새로운 물성 또는 나노구조화된 내부구조를 갖는 소재가 나타내는 현저히 향상된 물성의 활용에 기반을 두어 왔다. 특히 나노소재의 경우 연료전지나 배터리 등 전기화학장치에 필요한 높은 전기적 물성 및 전기화학적 특성 등이 보고되고 있어 미래 에너지·환경 분야의 중심기술로 응용될 전망이다.

그간 연료전지·이차전지와 같은 기존 전기화학시스템을 구성하는 소재는 전기적·광학적 물성의 한계로 인해 에너지 전환효율이 낮았다. 이러한 점을 극복하기 위한 방법으로 나노기술이 활용돼 왔다. 소재의 나노복합화는 활성반응면적을 극대화할 수 있으며, 소재 자체의 나노구조화는 이온 및 전자구조를 변화시켜 기존 재료보다 획기적으로 향상된 임계성능 이상의 전기적·전기화학적 특성을 구현할 수 있을 것으로 기대된다.

◇ 저온형 연료전지용 나노소재

PEMFC와 DMFC 등 저온형 연료전지의 핵심기술에는 금속촉매(catalyst) 및 촉매담체(catalyst support)를 포함하는 양극(+)과 음극(-), 고분자 화합물을 사용하는 전해질(membrane) 및 양극, 음극 및 전해질을 결합시킨 MEA(Membrane Electrolyte Assembly) 기술이 있다. 또한, MEA를 양쪽에서 탄소판이나 금속판으로 덮어 보호하는 양극판(bipolar plate), 전기적 제어부품(control part) 및 수소저장 기술 등이 있다.

현재 저온형 연료전지기술의 상용화에 있어 최대 장애요인은 가격 및 내구성에 있다. 이를 극복하기 위해 공기·열·물 관리 적용시스템의 규격과 배열(form factor) 최적화, 발전용 연료전지의 연료 유연성 확보, 저가 고성능 시스템 구성을 위한 촉매와 전해질 등 소재 상용화에 집중하고 있다. 특히 경제성을 결정짓는 촉매(백금저감 촉매, 백금 대체 촉매) 등 소재기술 개발에 가장 많은 예산이 투입되고 있다.

▲ 저온형 연료전지 주요 연구대상 분야.

PEMFC나 DMFC와 같은 저온형 고분자 전해질 연료전지의 경우 각 구성 요소에 나노기술이 접목될 수 있다. 특히 촉매전극 분야의 경우 기존의 나노기술로 제조 가능한 촉매를 사용하기도 하며, 분리판에서도 나노섬유 제조기술이 응용되기도 한다.

저온형 연료전지에 사용되는 가장 대표적인 나노기술은 금속촉매의 금속을 나노 크기의 분말로 제조하는 것으로 적은 양의 금속으로 더 큰 효과를 발현하기 위해 사용된다. 촉매담체 분야에서는 나노 크기의 기공으로 표면이 이루어져 높은 표면적을 갖는 탄소소재를 이용해 높은 분산력을 나타내는데 나노기술이 사용되고 있다.

저온형 연료전지의 전해질은 대부분 고분자화합물로 구성되나 DMFC의 경우 반응하지 않은 메탄올이 전해질을 통과하는 현상을 막기 위해 무기물 나노 분말을 고분자화합물과 혼합해 전해질을 제조하는데 사용하기도 한다. 양극판의 경우 탄소 나노튜브나 탄소 나노분말을 이용해 경량이면서 높은 전도성을 가지게 된다. 탄소 나노튜브는 연료전지뿐만 아니라, 수소에너지의 상용화에 필수적인 수소저장물질로도 이용되고 있다.

◇ 고온형 연료전지용 나노소재

고온형 연료전지인 SOFC는 연료전지 기술 중 가장 높은 효율 및 출력/에너지 밀도(열병합발전의 경우 효율 ~90%)를 구현할 수 있고 수소 이외에도 천연가스, 프로판, 휘발유 등 연료선택의 자유성도 우수하다. 또한 귀금속 촉매가 불필요해 경제성이 높으며 고체상으로 이루어져 있어 화학적 안정성과 디자인 유연성이 우수해 가장 상용화 가능성이 높은 차세대 연료전지로 전망되고 있다.

그러나 SOFC는 통상 800~1,000℃에 이르는 고온에서 운전되기에 구성 재료의 물성악화와 고가 내열재료 사용에 따른 경제성 악화로 인해 상용화에 어려움을 겪고 있다. 현재는 작동온도를 낮춰 신뢰성·내구성·경제성을 확보하는데 연구개발 노력이 집중되고 있다. 하지만, 작동 온도의 저하에 따라 전해질의 전도도나 전극의 활성이 낮아져 성능의 감소가 초래될 수 있다. 이를 상쇄하기 위한 신소재의 채용이나 구조 변화 노력이 필요한 상황이다.

▲ 고온형 연료전지 주요 연구대상 분야.

저온작동에 따른 재료물성의 저하, 전기화학적 활성 감소를 극복하는데 기존의 소재기술로는 한계가 있다. 나노기술과 같은 새로운 기술을 효과적으로 접목해야만 SOFC의 고효율화·고성능화를 달성할 수 있을 것으로 예상된다.

지금까지 SOFC의 구성 성분을 나노복합화 하면 활성반응 면적을 극대화 할 수 있으며, 소재 자체의 나노구조화를 통해 이온 및 전자구조를 변화시켜 기존 재료보다 획기적으로 향상된 임계성능 이상의 전기적·전기화학적 특성을 구현할 수 있을 것으로 예상해 왔다. 그러나 나노복합소재/구조를 실제 SOFC 구성소재에 적용해 그 활용가능성을 검증해 본 사례는 거의 없다. 오히려 일부 보고에서는 나노복합화에 의해 소재물성이나 구조적인 안정성이 떨어져 저온성능을 악화시킨다는 보고도 있다. 이러한 해석은 나노구조화 또는 나노복합화에 따른 소재물성이나 구조적인 특성을 제대로 파악하지 못한데 기인한다. 기본적으로 나노소재에서의 특이현상에 대한 학문적인 이해가 부족한데 따른 것이다.

나노복합화의 구현과 관련 특성 파악이 제대로 이루어지지 않아 나노복합화 이론을 실제 디바이스에 적용·확장하기가 불가능했었다. 이로 인해 나노소재 또는 나노구조체에서 예상되는 막연한 장점을 기대하며 소자를 제조하는 경우가 많았다. 하지만 소자의 성능은 기대치보다 오히려 낮은 경우가 많아 나노기술에 대한 불신만 키우는 결과를 낳았다.

지금까지 SOFC에 나노기술을 접목하기 위해 시도된 연구들의 유형을 살펴보면, 기존의 분말공정을 개선해 나노복합구조체를 획득하는 것은 시작물질과 공정온도의 제약으로 구조체 형성자체가 성공적이지 않았다. 또한 박막과 같은 아주 제한적인 나노구조체의 물성을 평가하고 해석하기 위한 시도가 있었으나 나노스케일에서의 현상을 평가할 수 있는 실험적 기법이 확립되지 못해 데이터의 신뢰성을 얻지 못했다. 지금까지는 단순히 나노스케일의 구조체를 형성해 나노효과가 복합적으로 혼재된 겉보기 물성만을 평가함으로써 나노복합체의 구조를 원천적으로 설계하고 해석할 수 있는 아이디어는 제공하지 못했다.
또한 나노복합체를 구현하기 위해 널리 시도돼 온 박막공정을 이용하는 경우, 공정상의 제약으로 대부분 단일상 나노구조체를 구현하는데만 성공했다. 이 또한 SOFC의 고온 작동환경에서 단일상 나노구조체의 구조적 불안정성으로 인해 일회성 성능측정에 그쳤다. 이로 인해 현재 SOFC용 나노소재 개발과 관련한 연구는 제한된 실험실 규모로 일부 연구팀에서 진행되고 있는 정도이며 나노소재와 나노 구조의 특성을 이해하지 못한 채 형태를 구현하는 데만 급급해 분포가 큰 성능결과가 보고되고 있다.

美·加·獨 등 선진국, 이미 부분적 상용화

韓, 시스템 위주 성장…소재부분 육성 必

■ 기술개발 주요이슈

◇ 저온형 연료전지용 나노소재기술

고분자를 기반으로 하는 저온형 연료전지용 전해질막은 수소이온 전도성이 우수하고, 전기전도성이 없어야 하며, 기체 투과도가 낮고, 기계적 강도가 높으며, 화학적 안정성이 높아야 한다. 이러한 전해질 개발의 기술적인 이슈는 전해질 소재의 저가화·저가습화·고내열화·고성능화에 있다.

▲ 저온형 연료전지용 나노소재 이슈.

◇ 고온형 연료전지용 나노소재

세라믹을 기반으로 하는 고온형 SOFC용 소재기술의 최대 이슈는 고온작동에 따른 재료열화를 막기 위해 소재성능을 향상시켜 작동온도를 저하시키는 것과 이러한 작동조건에서도 장기적으로 성능저하가 나타나지 않는 고온 내구성을 확보하는 것이다. 지금까지는 기존 전해질·전극소재의 물성 및 구조를 개선해 적용하기 위한 노력이 있었지만 기존 소재기술이 가지는 재료물성상의 한계 및 고온에서의 구조적 안정성 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 아이디어의 부재로 인해 더 이상의 기술진전은 없었다.

최근 이러한 현안들을 해결할 수 있는 획기적인 원천소재 기술로 SOFC 구성성분을 나노구조화 해 기존 재료보다 월등히 향상된 임계성능 이상의 전기적·전기화학적 특성을 구현하기 위한 연구가 진행되고 있다. 대표적으로 반도체 공정기술인 물리기상 및 화학기상증착과 같은 박막기술과 MEMS 기술기반의 연구를 들 수 있다. 그러나 셀 제조과정이나 고온 작동조건 하에서 열-기계적 안정성과 신뢰성을 확보하지 못해, 합리적 수준의 작동 신뢰성과 수명을 가지는 소자를 아직 제작하지 못였다.

▲ 고온형 연료전지용 나노소재 이슈.

■ 해외동향-미국

◇ 연구개발 현황

미국 에너지부(DOE)의 수소연료전지 프로그램은 PEMFC 개발 위주의 ‘수소 프로그램(Hydrogen Program)’과 석탄이용을 목적으로 하는 고온 연료전지(SOFC) 플랜트 개발 프로그램인 ‘SECA(Solid State Energy Conversion Alliance)’로 나누어 진행 중이다. ‘수소 프로그램’ 중 연료전지 분야에는 PEMFC의 가격저감과 내구성 향상을 위해 재료와 스택 요소, 부품(BOP) 연구개발 및 시스템 해석 연구에 2009년 약 1억7,000만달러 중 7,640만달러가 지원됐다.

현재 DOE는 발전용·휴대용·수송용 연료전지 등 분야별 상용화 목표를 설정하고 시스템의 개발과 시범운전 등 목표달성을 위한 기술개발 과제를 진행 중이다. 그 대상 분야는 자동차, 열병합발전(CHP), 트럭 등 대형 자동차의 연료 소비량과 공해를 줄이기 위한 보조전원(APU), 직접메탄올 연료전지를 사용하는 휴대용 전원, 재해 방지를 위한 백업전원 등 매우 다양하다.

미국의 SOFC 연구개발은 1999년 시작된 SECA 프로그램에 의해 주도돼 왔다. 프로그램의 최종 목표는 경제성 있는 kW급 SOFC 개발과, 석탄연료를 기반으로 MW급 SOFC 발전 플랜트 기술을 개발하는 것이다. 구체적인 가격목표는 2010년까지 SOFC 제작가격을 $400/kW 이하로 낮추는 것으로, 2011년에는 기 달성된 기술을 FutureGen에 적용하고, 2015년까지는 발전효율이 50% 이상인 환경 친화적이고 깨끗한 석탄가스화복합 SOFC 발전 플랜트(100MW 이상)를 개발하는 것이 목표다.

▲ 연료전지 - 미국의 선도 기관.

■ 해외동향-일본

◇ 연구개발 현황

일본의 연료전지 연구는 1974년부터 주로 국가프로그램으로 진행됐다. 현재는 New Sunshine 과제(1993~)가 국립연구소 및 경제산업성 산하의 NEDO(신에너지산업기술종합기구)에 의해 진행 중이다. 연료전지 분야는 크게 PEMFC, SOFC, 수소 및 실증연구 등의 프로그램으로 구성돼 있으며 참여기업, 대학, 국가연구소를 지원 및 관리하고 있다. 현재 NEDO의 연료전지 프로그램에서는 기술개발 외에도 대규모 모니터링 사업 및 설치 보조금 지원제도를 실시하고 있다. 주로 건물용 연료전지와 연료전지자동차에 대한 기반 확립과 보조금 지원을 통해 보급 확대 정책을 실시중이다.

건물용 연료전지의 최대강국인 일본은 수소·연료전지 관련 중장기 계획을 통해 기초기술 개발과 함께 실용화 기술개발, 상용화를 위한 보급사업, 표준화 계획을 진행 중이다. 건물용 연료전지의 경우 현재까지 168억엔의 보조금이 지원됐으며, 연료전지 투자비의 30% 내 무상 지원과 연료전지 발전 시 연료비의 최대 11% 할인을 지원하고 있다. 일본의 가정용 연료전지시스템은 2009년 초기 도입시점에 200만엔(시스템 제조업체 출하가격)을 넘었지만, 본격적인 제조 설비를 도입한 후 양산 효과와 기술 혁신에 의해 보급기(2015년)에는 50~70만엔, 보급 확대기(2020년)에는 40만엔대, 본격보급기(2030년)에는 40만엔 이하를 목표로 연구개발을 추진 중이다.

일본은 2008년부터 조기시장 도입을 위해 소용량 시스템을 대상으로 실증연구를 진행하고 있다. 중·대용량시스템을 포함해 연료전지의 내구성·신뢰성 향상을 위한 기초연구를 수행하고 있으며, 원료·부품재료·셀 스택·모듈의 가격저감 기술을 개발했다. 또한 운용성 향상을 위한 기동정지 기술, 초고효율 운전을 위한 고압 운전 기술 등을 NEDO 프로젝트로 진행하고 있다. 현재 내구성·신뢰성 연구는 실증 단계로, 2010년 초 기준으로 최장 운전시간은 2만시간(연속운전) 및 4만시간을 예상하고 있다. 연료다양화에 응하기 위해 LPG와 등유를 연료로 운전해 LPG에는 6,000시간, 등유에는 5,000시간의 운전실적을 축적했다.

일본은 2015년 수소연료전지 자동차의 상용화를 목표로 연구개발을 추진하고 있다. 2015년까지 연료전지자동차 2000대 및 수소충전소 15기, 2025년까지 연료전지자동차 200만대 및 충전소 1,000기를 보급할 계획을 가지고 있다.

▲ 연료전지 - 일본의 선도 기관.

■ 해외동향-유럽

◇ 연구개발 현황

EU는 다른 선진국과 마찬가지로 연료전지를 통해 지구온난화의 주범인 CO₂ 배출량을 줄이고, 탄화수소계 화석연료 수입량을 감소시켜 경제 성장에 기여하는 것을 목적으로 수소연료전지 공동 프로젝트(Fuel Cell & Hydrogen Joint Undertaking, FCH JU)를 추진 중이다. 특히 FCH JU는 연구·기술개발과 실증(Research, Technological development and Demonstration, RTD)을 위해 다년도 기술개발 계획(Multi-Annual Implementation Plan, MAIP)을 수립했다. 기술개발 계획은 수송 및 연료공급 기반시설, 수소 생산과 보급, 분산발전과 열병합발전(CHP), 조기 시장의 4대 응용분야로 구분된다.

▲ 연료전지 - EU의 선도 기관.

■ 국내동향

◇ 연구개발 현황

지금까지 선진국은 물론 많은 제3세계 국가들이 친환경 성장을 강조하며 차세대 청정 발전기술인 연료전지 기술개발에 뛰어들면서 배타적인 기술개발 및 기술보안에 많은 신경을 쓰고 있다. 하지만 최근 전 세계적인 경제 불황이 닥치면서 기술선진국들이 제3세계 후발주자와의 기술 및 자본제휴 등을 통해 시장 확보에 나서고 있는 상황이다. 국내에서도 최근 포스코·SK·LG 등 대기업 위주로 선진기술을 받아들여 사업화를 추진하고 있다.

선진기술국들의 경우 소재·부품·시스템·유통 등의 공급망(supply chain)이 잘 형성돼 있으나, 국내는 관련 공급망 형성이 미숙한 편이다. 최근 국내에서는 기술종속에 대한 우려 속에 부품 국산화, 시스템 설계·제작·운전기술 개발을 중심으로 투자를 확대하고 있다. 건물용·분산발전용·자동차용 연료전지의 경우 시스템 업체들을 중심으로 투자가 확대되고 있으며, 부품 및 소재를 위한 연구개발이 증가하고 있다.

연료전지 시스템의 구성요소·스택·모듈 분야는 국내 일부업체에서 제작이 가능하지만, 양산 경험 및 설비가 매우 부족한 실정이다. 시스템/BOP 기술 분야에서는 시스템 통합 기술력은 보유하고 있지만 BOP 등 대부분의 핵심제품을 외국제품에 의존하고 있는 실정이다.

현재 PEMFC 기술에 기반한 건물용 연료전지는 그린홈 보급사업과 연계해 핵심기술 국산화, 양산기술 개발과 시범 보급 사업을 추진하고 있다. 시범 보급사업 확대를 통해 국내 가치사슬 형성 및 산업기반 확립이 될 것으로 기대된다. 반면 SOFC 기술의 경우는 최근 포스코·삼성·한국전력·STX 등 대기업들이 발전 시스템 국산화를 서두르고 있으나 핵심 소재 및 부품의 국산화율이 50%도 되지 않고 있는 상황이다.

▲ 연료전지 - 국내의 선도 기관.

■ 기술경쟁력 분석

국내의 경우 미국 DOE 수소연료전지 프로그램과 달리 가시적 성과를 내기위해 시스템 위주의 기술개발이 추진됐다. 따라서 핵심 부품 소재기술 분야의 전문 중소기업 육성이 미흡하며, 부품·소재 개발이 상대적으로 미흡한 상태다. 이로 인해 현재 국내 기술 수준은 시스템 기술의 경우 60~90% 수준이나 부품소재 분야는 60% 이하로 낮은 편이다.

최근에는 기술개발과 보급을 위한 예산의 편중 방지 및 효율화를 위해 점차 대기업 위주의 시스템 분야 투자에서 벗어나 부품소재 산업의 경쟁력 향상과 공급망 확립을 위한 부품·소재 기술 개발 투자에 대한 비중이 높아지는 추세다.

연료전지 시스템 세계시장 2020년 13조·2025년 66조

조속한 시장 창출·원천기술 확보·전문 中企 육성 필요

■ 산업 및 시장동향

◇ 산업동향

연료전지는 고효율 및 친환경 발전장치로 화석연료의 고갈, 고유가 지속, 기후변화 협약 등에 대응하기 위해 전 세계적으로 산업화 주도권 확보 경쟁이 치열하다. 현재 일본·미국·EU·중국 등은 기술개발과 자국의 산업 정착을 위해 정부 지원확대 및 기업의 참여를 독려하고 있다. 연료전지는 도시형 집단주택, 수출형 산업구조, 고도의 재료/공정기술, 자동차 및 가전산업 등 제조 산업이 튼튼한 한국과 일본에 유리한 산업으로 다양한 응용분야에서 수출산업화의 전망이 밝다.

○ 발전산업

발전 산업의 경우 화석에너지 사용에 따른 환경오염 문제와 온실가스 배출에 따른 지구온난화 현상으로 인해 친환경 발전시스템에 대한 수요가 증가하고 있다. 특히 노후화된 발전시설을 대체할 신규 발전설비의 건설이 부지선정이나 환경문제로 어려움을 겪고 있으며 원자력 발전 또한 안정성 문제로 제약을 받고 있다. 따라서 수요처에 근접 설치가 가능하며 안정적이고 고품질의 친환경적인 분산전원 시스템에 대한 수요가 늘어나고 있는 추세다.

따라서 친환경 발전시스템이면서 독립형 분산전원 시스템으로 적합한 연료전지 시스템이 개발돼 널리 보급될 경우, 환경보전 뿐 아니라 산업의 기초가 되는 에너지 수급에도 중요한 역할을 할 것으로 보인다. 전기수요는 물론 가정이나 건물에서 필요로 하는 열원까지 공급가능한 연료전지를 이용한 열병합 발전시스템의 도입은 세계적인 추세이다.

○ 자동차/수송기 산업

환경오염 물질이나 온실가스 배출량에 있어 가장 큰 비중을 차지하는 자동차산업에 대한 규제가 날로 증가하며 새로운 친환경 차량에 대한 수요가 급증하고 있는 추세이다. 친환경 차량의 연구는 단기적으로는 차량의 연비를 개선해 환경오염 물질의 저감을, 장기적으로는 오염물질의 배출이 전혀 없는 연료전지를 동력원으로 하는 무공해 차량개발을 목표로 하고 있다.

선박의 경우도 기존 디젤발전기의 낮은 발전효율, 환경오염물질 방출 및 소음발생으로 인해 연료전지를 적용하기 시작했다. 소형선박·비행체·캠퍼·요트 등 레저용 보조전원(APU, Auxiliary Power Unit)의 경우에도 친환경, 저소음, 늘어난 작동시간으로 인해 연료전지가 고가의 보조전원 장치로 응용되기 시작했다. 특히 선박에서 배출되는 CO₂는 전 세계 배출량의 2%, NOx는 10~15%, SOx는 4~6%로 기타 수송 설비에 비해 많은 양의 오염물질을 배출하고 있다. 특히 질소산화물의 경우 국제해양오염방지협약(MARPOL 73/78 Annex VI)에 따라 모든 상선이 2016년까지 현 수준의 80%를 의무적으로 감축하도록 돼 있어 최근 연료전지를 기반으로 한 친환경·고효율 선박 개발에 대한 수요가 증대하고 있다.

◇ 시장규모 및 전망

연료전지 시스템의 세계시장은 2020년 13조원, 2025년 66조원 규모로 추정된다. 2010년까지 누적 7만5,000대 이상의 연료전지가 보급됐으며, 2010년에는 발전용(주택·건물용 포함), 휴대용 및 수송용 연료전지시스템 등 약 3만대가 보급됐다.

▲ 세계 연료전지 시장 규모 전망.

○ 발전산업 시장

전 세계의 전력소모는 2020년까지 연평균 2% 이상의 증가율을 보일 것으로 예측됨에 따라, 세계 각국은 안정적이고 저가격이며, 효율적인 전력을 생산·공급하기 위한 기술 개발에 집중하고 있다. 세계 발전 시장의 흐름을 살펴보면 미국·일본 등의 선진국들은 대규모 중앙집중식 발전 방식에서 탈피해 소규모 분산 발전 형태로 옮겨가고 있는 추세이다. 가스터빈·마이크로터빈·디젤엔진·연료전지·태양광·풍력발전 등의 분산발전 방식을 서로 비교해보면, 가격 측면에서는 가스터빈, 엔진류의 발전 방식이 상대적으로 연료전지에 비해 우수하지만 효율 및 친환경성 측면에서는 연료전지가 상대적으로 우수하다.

이러한 발전시장 분야에서 연료전지 상용화 초기에는 CO₂ 절감, 원유 절감 정책을 시행하는 선진국에서 먼저 도입될 것이며, 다음으로는 에너지 자원 부족국가, 원자력 발전을 도입하기 어려운 국가의 분산발전 시장으로 점차 확대될 것으로 예상된다.

현재 전 세계 중대형 발전 시장규모는 대략 190억달러 규모로 그중 약 63%가 분산형 전원, 가정용 전원 등의 거치형 전원(stationary power)인 것으로 추정된다. 특히 1~10 kW급 중소형 전원장치 시장은 고품질 전원 및 친환경 에너지원의 요구에 따라 증가 추세를 보이고 있다. 일본이 현재 시장의 약 80% 비중을 차지하고 있으며, 유럽은 최근 가정용 보일러 대체 시장을 형성해가고 있어 아시아 다음의 최대 시장이 될 것으로 전망된다. 최근 중소형 연료전지 시장의 급속한 성장과 함께, 북미와 일본에 2015년 1,000MW, 2020년 3,200MW이상의 연료전지 시장이 형성될 것으로 예상되고 있다.

○ 자동차/수송기 산업시장

연료전지 차량의 경우 안정된 수소 공급이 조기 상용화의 최대 변수이다. 2010년부터 시범 차량이 운행될 것으로 보인다. 부분적인 상용화는 2015년부터, 본격적인 상용화 및 시장 확대는 2020년 이후 이루어질 것으로 보인다. 안정된 수소 공급을 통해 본격적인 상용화가 이루어지면, 기존 내연기관 자동차는 시장에서 완전히 사라질 것이며 하이브리드 자동차의 경우에는 상당기간 시장에 남아 있을 것으로 보인다.

선박용의 경우 전 세계 선박용 보조전원 시장 규모는 연간 7,581MW 정도이다. 최근 약 10년간 우리나라는 국제해양오염방지협약의 대상이 되는 대형 상선 시장에서 전 세계 수주량의 약 50%(연평균 500척)를 건조해 왔다. 대형 선박 분야에서 연료전지 선박의 조기 상용화에 성공한다면 우리나라는 조선 강국으로서의 지위가 더욱 확고해질 것으로 기대된다.

▲ 기술분야별 상용화를 위한 주요 연구방향.

■ 미래의 연구방향 및 국내 산업이 나아갈 방향

◇ 미래의 연구방향

수소연료전지 기술 개발의 최종목표는 신성장동력 산업으로서 수출 산업화를 이루는 것이다. 이를 위해 국내 수소연료전지 기술을 세계 최고 수준으로 확립하기 위한 장단기 연구개발 플랜을 설정해야 한다.

현재까지 파악된 연료전지 분야별 상용화의 공통 이슈는 내구성 및 성능 향상과 가격 절감이다. 분야별 애로기술을 극복하기 위해서 열화분석 등 기초 기반기술 개발은 물론 핵심부품 및 혁신소재 개발, 양산화기술 개발, 신규시장 창출을 위한 실증과 시범보급 등의 체계적인 전주기적 기술개발 및 보급 프로그램이 필요하다. 특히 상용화 및 세계시장 선점을 위한 전략 단계를 단기·중기·장기로 나누고, 단계별 목표로서 반드시 이루어야 할 마일스톤을 설정해 이를 구현하기 위한 국가 연구개발 전략을 확립하고 지속적으로 검토하기 위한 기반 계획 확립이 필요하다.

◇ 국내 산업이 나아갈 방향

○ 조속한 시장창출 추진

초기 시장 창출이 빠를수록 해당 국가의 기술경쟁력 확보 가능성이 크다. 따라서 조속한 시장 창출 전략수립이 필요하다. 이를 위해 초기 시장의 수요창출을 위한 고부가가치 제품 개발과 대형화·복합화를 통한 원가절감이 요구된다. 또한, 소재·부품의 규격화와 장기 운전평가 및 열화기구 규명으로 기술의 신뢰성과 수명을 향상시키는 것이 필요하다.

기술개발 추진에서도 기술별 시스템 성능지표 가이드라인의 설정이 필요하다. 이러한 성능지표는 연료전지 시스템 상용화 목표로 국가 그린에너지 전략로드맵과 미국·일본·EU 등 해외 주요 국가의 기술개발 목표의 비교 분석을 통해 설정해야 한다.

○ 원천기술 확보를 위한 장기적인 연구개발 전략 마련

미래 연료전지 기술의 다양한 요구 조건을 동시에 만족하면서 기존 시스템에서 구현할 수 없는 임계성능 이상의 고성능 구현을 위해서는 나노기술의 접목이 필요하다. 다중 조성의 나노 복합화/구조화 소재를 사용할 경우 획기적으로 향상된 전기적 물성 및 전기화학적 특성 발현이 가능하리라 기대된다. 그러나 이러한 나노기술을 접목한 소재기술은 기술 및 제품개발에 비교적 오랜 기간이 소요되기 때문에 장기적 안목의 접근이 필요하다. 따라서 단기 성과위주의 연구보다는 정부차원의 지원 아래 산·학·연·관 연계 프로젝트를 통해 요소 기술을 개발하고 기술특허를 확보하며, 이를 유기적으로 연관시켜 원천기술을 완성해야 한다.

또한 점차 중요성이 커지고 있는 연료전지 기술 표준과 특허 확보를 위해 국제 표준 주도와 지적 재산권으로의 연계를 위한 전략이 필요하다. 이를 위해 IEC·ISO 등에서 수행되는 국제 표준에 적극 대응하고 새로운 표준을 국내에서 도출하기 위해 연구 개발단계부터 국제 표준화를 위한 전략을 실행해야 한다.

○ 전문 중소기업의 육성과 정부의 자원 정책 마련

국내 기술경쟁력을 높이기 위해 부품 소재혁신을 통한 가격절감과 내구성 향상이 필요하다. 연료전지 핵심요소인 MEA, 촉매 등에 대한 비중을 높이기 위한 노력과 함께 대기업들의 지원하에 기술력을 갖춘 중소기업 위주로 부품·소재의 상용화 기술개발 지원을 확대해야 한다.