I. 연료전지 개요와 원리 연료전지는 수소를 연료로 사용하여 에너지(전기)를 생산하는 기술로, 수소경제 활용 분야에서 핵심적인 역할을 함 Ÿ 수소경제는 크게 수소의 생산, 수송, 저장, 활용으로 나누어지며 연료전지는 수소를 일상생활에서 사용가능하도록 변환해주는 수소 활용 장치 Ÿ 연료전지는 핸드폰, 자동차, 선박, 발전 등 개인 휴대용 디바이스부터 큰 규모의 발전까지 에너지가 필요한 거의 모든 분야에 적용 가능 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기 생성 Ÿ 연료전지의 음극(연료극)에서는 촉매에 의한 수소의 산화반응이 일어나고 그 결과로 만들어진 수소이온은 전해질을 통해 양극으로 이동. 양극(공기극)에서는 수소이온과 산소가 결합하며 물이 생성. 양극과 음극의 반응으로 전자가 이동하며 전류가 흐름. 연료전지는 크게 막전극접합체(MEA), 전해질막, 촉매층, 가스확산층, 가스켓, 분리판으로 구성Ÿ MEA(Membrane-Electrode Assembly)는 음극과 양극을 전해질막에 부착한 것으로 연료전지의 핵심 부품. 산소와 수소의 전기화학 반응이 일어나며 전해질막, 촉매층, 가스확산층으로 이루어짐 II. 연료전지의 종류와 활용 연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC), 알칼리 연료전지(AFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산 연료전지(PAFC), 직접 메탄올 연료전지(DMFC) 등으로 구분 Ÿ PEMFC(Polymer/Proton Electolyete Membrane Fuel Cell): 현재 가장 널리 쓰이는 연료전지로 비교적 낮은 온도(약 80oC)에서 작동하고 약 60%의 효율을 보임 Ÿ SOFC(Solid Oxide Fuel Cell): 연구개발이 활발하게 이루어지고 있는 연료전지로 매우 높은 온도(약 1000oC)에서 작동. 60%의 높은 효율을 보이며 발생하는 열도 활용하면 효율이 85%까지 향상 Ÿ AFC(Alkaline Fuel Cell): 1세대 연료전지 중 하나이며 미 우주 프로그램에서 전기와 물 생산을 위해 사용. 비교적 저온(약 100oC)에서 작동하며 약 60% 정도의 효율을 보임 Ÿ MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell): 2세대 연료전지로 불리며 탄산이온이 전해질을 통해 이동. 비교적 높은 온도(약 650oC)에서 작동하며 효율은 65%, 발생하는 열까지 활용하면 85%까지 향상Ÿ PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell): 기술이 가장 성숙한 연료전지로 평가. 비교적 저온(약 200oC)에서 작동하고 효율이 약 37~42% 정도지만, 발생하는 열까지 함께 이용하면 80%까지 향상 가능 Ÿ DMFC(Direct Methanol Fuel Cell): 연료로 메탄올을 이용하는 연료전지로 저온(약 100oC)에서 작동하고 약 40% 효율을 보임 연료전지 개요와 현황 - 2 - 연료전지는 활용분야별로 휴대형, 수송형, 고정형으로 나누어짐 Ÿ (휴대형 연료전지) 60V 직류 미만의 출력 전력을 공급하는 연료전지로 정의, 메탄올을 직접 사용하는 DMFC 방식이 대표적임 Ÿ (수송형 연료전지) PEMFC가 대표적이며 수소전기차, 버스, 트럭을 위주로 연료전지 중 가장 많은 사용량을 보임 Ÿ (고정형 연료전지) 주로 발전용 연료전지를 의미. 대표적인 제조사는 블룸에너지(Bloom Energy), 두산퓨얼셀, 퓨얼셀에너지(FuelCell Energy) 등이 있고 각각 SOFC, PAFC, MCFC 방식을 주로 사용III. 연료전지 시장과 국가별 경쟁력 연료전지는 한국, 일본, 미국을 중심으로 초기 시장을 형성 중이며 연평균 30%씩 성장할 전망Ÿ 수소를 활용하는 연료전지 수요는 꾸준히 증가하여 2018년 2조2천억원 수준의 시장이 연평균 30%씩 성장하여 2030년에는 약 50조원 규모가 될 것으로 추정 Ÿ 연료전지는 당분간 수소전기차 중심의 수송형 연료전지와 발전용 연료전지 위주로 성장할 전망 연료전지 기술 수준은 미국, 일본, EU, 한국 순으로 높으며 한국은 특히 연료전지 보급이 가장 활발한 나라 중 하나 Ÿ 미국, 일본, 독일은 연료전지의 핵심부품 기술력이 높은 것으로 평가. 연료전지 관련한 특허 출원 건수는 일본이 가장 많으며 일본과 미국이 전체 출원 건수의 50% 넘게 차지 Ÿ 연료전지 종류별 국가 경쟁력은 PEMFC를 제외한 PAFC, MCFC, SOFC, DMFC에서 미국이 가장 앞서 있음 IV. 시사점 경제성이 부족한 수소에너지 활성화를 위해서는 정부 주도의 기술개발과 정책지원이 필수적임Ÿ 연료전지의 시장의 형성·발전을 위해서는 생산비용 절감, 관리 비용 감소, 내구성 향상, 인프라 구축 등 해결과제가 존재 수소연료전지 부품의 성공적인 국산화와 상용화를 위해서는 신뢰성 평가와 인증 제도를 마련하고 지원 방안을 모색해야 함 Ÿ 연료전지는 활용분야에 따라 요구하는 전력량, 크기, 적정가격 등이 다르므로 다양한 종류의 연료전지가 사용될 것으로 예상. 따라서 연료전지 종류별로 체계화된 안전성, 신뢰성 평가 시스템 확보 필요