저탄소 녹색발전장치로 부상하고 있는 연료전지는 연료전지 스택, 연료변환장치, BOP 및 제어기술을 포함하는 통합기술이 사업화 성공과 산업 육성의 관건이다.

현재 열병합 발전시 전체 효율이 80% 이상으로 기존화력 대비 이산화탄소 배출량은 40% 수준이며 에너지사용량은 26%가량 감소하는 것으로 알려져 있다.

특히 휴대용 전원과 수송용, 건물용, 분산 발전용 등 다채로운 응용이 가능해 다양한 시장에 진입가능성이 열려 있다.

정부는 연료전지가 가지고 있는 신 산업 창출 능력과 막대한 시장잠재력에 큰 기대를 걸고 있다.

연료전지 산업은 200여개의 연관 산업군과 동반 성장해 새로운 산업체계를 형성할 것으로 전망된다.

오는 2013년 19억달러 규모의 시장을 이룰 것으로 예상되는 가운데 본격적인 시장의 성장이 시작되는 2015년 전후로 폭발적으로 성장, 2020년이면 1,200억달러 수준까지 확대될 것으로 정부는 보고있다.

이에 미국, 일본, EU, 중국 등 주요 국가는 정부의 대규모 지원 하에 기술 개발과 실증사업을 추진 중이며 일본의 경우 이미 지난 2009년 건물용 연료전의 상용판매를 개시한 바 있다.

정부는 연료전지 관련 부품소재 등 핵심 기술의 국산화와 양산화를 통해 가격경쟁력을 확보한다는 전략이다.

▲ 현대자동차에서 개발한 투싼 ix 연료전지 자동차.

국내 업계의 시스템 기술은 이미 선진국 수준에 이르렀지만 핵심 부품과 소재의 공급체계가 미비돼 가격경쟁력에 약점이 노출되고 있어 향후 해당 기술을 보유한 국가에 기술 종속현상을 보일 우려가 높다는 것이 정부의 판단이다.

또한 현재 연료전지 산업화를 위한 모든 기술적 장애요인은 결국 가격과 내구성의 문제로 요약되는 바 가격저감과 내구성 향상을 위한 기술 개발을 적극 지원할 방침이다.

정부는 연료전지 산업의 빠른 산업화와 경쟁력 확보를 위해 보급사업을 통한 초기 시장 창출과 그를 통한 대량 생산체계 구축이라는 구상을 내놨다.

내수시장 창출을 통해 기술 및 가격경쟁력을 강화하고 정부의 연도별 보급계획과 부품소재 표준화를 통해 중소기업의 참여를 유도함으로써 공급체계의 기반을 육성한다는 전략이다.

또한 이산화탄소 감축을 위해 정부 및 기업간의 신재생에너지 의무할당제 협약을 비롯한 신재생에너지 지원을 확대할 계획이다.

정부는 2020년까지 세계 1위의 연료전지 강국으로 도약한다는 비전을 세우고 있다. 핵심소재/부품의 국산화 기술 개발과 가격경쟁력 확보를 위해 촉매, 전극, 전해질, 분리판, 밀봉재, 컨버터 등의 국산화를 추진하고 신뢰성있는 양산기술용도에 따른 시스템 최적화를 통해 건물용/수송용 PEMFS 시스템으로 시장을 창출한다는 계획이다.

다목적/대형 연료전지 시스템 개발을 위해서는 고효율화 기술과 장기 신뢰성을 갖춘 상용화 기술 개발이라는 과제를 해결해야 한다.

이를 통해 연료전지의 내수시장을 강화하는 것은 물론 수출 주도형 산업으로의 육성에 주력하고 다양한 응용분야에 적합한 차별화된 제품을 개발하는 한편 저가·고효율·고내구 연료전지를 개발해 신규시장을 선점한다는 구상이다.

▲ 포스코파워에서 생산한 연료전지 그택.

현재 연료전지 시장은 제품의 저각격화와 내구성 확보를 위한 기술경쟁이 심화되고 있는 가운데 부품소재 등 공급체계 구축이 가장 큰 쟁점사항이며 장기적으로 연료전지에 쓰일 수소(H₂) 공급 인프라를 구축하는 데 상당한 시간과 노력이 필요할 것으로 전망되고 있다.

정부는 시장경쟁력확보를 위해 저가/고효율/고내구 연료전지 시스템 기술을 개발하고 보급 사업으로 국내 시장을 창출해 중소기업의 연료전지산업 진입을 유도한다는 전략이다.

또 중소기업 중심의 공급체계를 구축하고 기술 국산화와 양산화를 통해 가격을 떨어뜨리고 자동차, 조선, 발전소 등 국내 기업들이 세계 시장의 선도적 위치를 유지하도록 뒷받침한다는 구상이다.

정부는 촉매, 전해질, GDL, MEA, 분리판 등 연료전지 공통 핵심기술 부문에서 2030년까지 PEMC DMFC용 고효율/고내구성 부품을 개발하고 2020년까지 고성능 MCFC 용 양·음극재, 전해액, 분리막 개발과 SOFC의 셀분말과 분리막 등 부품소재의 합성 및 제작 기술 개발을 실현한다는 계획이다.

이를 통해 수송용·이동전원용의 경우 5,000시간, 건물용의 경우 4만시간 이상의 운전시간을 확보한다는 것이 정부의 방침이다.

전지에 사용되는 연료의 다변화도 이슈 중의 하나.

정부는 다연료 연료 변환기, 탈황기술, 석유·알콜류 등 대체연료 사용을 위한 촉매개발을 2020년까지 마치고 부생수소를 이용한 연료전지의 개발과 실증을 2030년 이전에 마친다는 계획이다.

또 2015년까지 DMFC하이브리드 시스템 개발과 실증을 완료하고 제품의 저가화와 고효율와 작업을 2020년까지 마친다는 목표를 세웠다.

이를 통해 내구성을 4만시간 이상, 효율은 75% 이상으로 끌어올리고 탄소발생량은 10ppm 이하로 낮춘다는 계획이다.

▲ 동서발전이 일산 열병합발전소에 신설한 연료전지 발전기.

그린홈 연계 SOFC 시스템에서는 출력 1kW에 스택효율 50%, 운전시간 4만시간을 목표로 고효율 모듈 패키징 설계 기술 및 시스템 운전기술, 고온 내산화성 부품 개발 및 스택/부품 규격 표준화 등을 2020년 전후로 완료할 방침이다.

자동차용 고효율·고출력밀도스택 모듈 개발은 스택출력 90kW, 스택출력밀도 2.0kW/l, 시스템 출력밀도 650kW/l. 시스템 효율 60%, 내구성 5,000시간 달성이 목표다.

이를 위해 가변압 스택의 기밀구조 핵심소재, 가스켓, GDL과 운전/진단 기술을 2020년 전에 개발하고 2015년까지 시스템 설계/개발/평가 및 공급체계를 구축할 계획이다.

선박용 시스템에서는 2013년까지 선박/해양 환경대응 스택 설계/제어 기술을 개발하고 이후 2030년까지 보조전원용 PEMFC/MCFC/SOFC 개발과 추진동력용 MCFC/SOFC를 개발할 계획이다.

해상환경 대응 BOP요소 개발 및 선박설계는 2013년까지 마치고 2020년까지 LNG선 컨테이너선을 중심으로 해상환경에서의 실증을 실시한다는 구상이며 10MW급 이상의 용량과 60% 이상의 스택효율, 9만시간 이상의 수명 확보를 목표로 하고 있다.

장기적으로는 대형 발전용 시스템과 IGFC의 상용화를 추진한다.

대형 발전용은 2013년까지 이산화탄소 회수형 MCFC 기반기술을 확보하고 2020년까지 MW급 이산화탄소 회수형 MCFC 시스템을 개발, 실증을 마칠 계획이며 효율은 48% 이상, 이산화탄소 분리율은 90% 이상을 목표로 하고 있다.

IGFC는 2013년부터 핵심 기반기술 개발에 착수해 2030년 이전에 용량 600MW급, 열효율 40%, 전기효율 50% 이상의 IGFC 시스템을 개발한다는 계획이다.