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에너지/환경 글로벌 연료전지 시장동향

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2018-12-28 23:02:00
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연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 결합하여 전기, 물, 열을 생산한다. 배터리와 달리 연료전지는 연료원이 공급되는 한 지속적으로 전기를 생산할 수 있다. 또한 연료전지는 연료를 태우지 않기 때문에 조용하며, 공해가 발생하지 않는다. 많은 종류의 연료전지가 광범위한 응용분야에서 활용되고 있으며, 여기에는 용융탄산염 연료전지, 고체 산화물 연료전지, 인산 연료전지 등이 포함된다.

 

- 1970년대 민간차원에서 처음으로 기술개발된 1세대 연료전지인 ‘인산형 연료전지(PAFC, phosphoric acid fuel cell)’ 인산수용액을 전해질로 사용하며, 동작온도는 150~200도, 이렇게 발생되는 열과 전력을 합했을 때 전체 효율은 80%에 이르며, 각 방식들 중 가장 실적이 오래됐다.

 

- 1980년대에 기술개발된 2세대 연료전지인 ‘용융탄산염연료전지(MCFC)’는 탄산리튬((Li2CO3)ㆍ탄산나트륨의 혼합물을 용융시킨 것을 전해질로 사용하며, 수소이온 대신에 탄산이온을 사용한다. 동작온도는 650~700도, 발전효율은 40~50%이다.

 

- 고체산화물 연료전지(SOFC)는 발전효율이 가장 높고 연료의 유연성 등에 장점을 갖췄다. 이에 미국, 유럽, 일본 등은 기술ㆍ개발 및 산업화에 돌입하였다. 국내 SOFC 산업계도 이러한 세계 추이에 맞춰 지난 1980년대 후반부터 산ㆍ학ㆍ연을 중심으로 기술개발을 진행하고 있으나, 고분자전해질 연료전지(PEMFC)와 용융탄산염연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC) 등 보다는 산업화가 늦어지고 있는 실정이다.

 

- 고체고분자 연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 이온전도성 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 이온교환막으로 나피온(Nafion) 등의 프로톤교환막을 사용하는 경우 프로톤교환막연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)라고도 한다. 고체고분자연료전지(PEFC)는 고체고분자막을 전해질로 사용하며, 동작온도는 70~90도이다. 발전효율은 메탄올ㆍ천연가스 등의 개질 가스를 이용한 경우 30~40%이다. 음극에서는 백금을 사용하며, 백금 촉매는 저온에서 수소분자를 수소이온으로 변환한다. 동작온도가 낮기 때문에 다루기 쉬우며 운전조작성이 뛰어나다.

 

 

무엇보다도 연료전지는 연소기술보다 최대 2~3배 효율적이라는 장점이 있다. 연료전지는 연료인 수소와 공기 중의 산소와의 전기 화학 반응에서 전기 에너지를 직접 생산하기 때문에 발전 효율이 높다. 또한 전기와 열을 모두 활용하기 때문에 종합적으로 에너지 효율을 높일 수가 있다.

 

이에, 연료전지의 활용 확대는 대폭적인 에너지 절약으로 연결될 수 있다.

 

<그림> 연료전지의 에너지 효율

자료 : 일본 신에너지ㆍ산업기술 종합 개발기구(NEDO)

 

구체적으로 살펴보면, 연료전지차의 CO2 배출량은 수소 제조의 원료에 따라 다양하기는 하지만 기존의 가솔린 차량에 비해 높은 에너지 효율을 갖는 연료전지 기술은 전기자동차와 마찬가지로 에너지 소비 및 환경 부하의 저감에 크게 공헌할 것으로 기대된다.

 

<그림> 이산화탄소 배출량(Well to Wheel) 비교 (JC08 모드)

자료 : (재)일본자동차연구회, 제3회 수소ㆍ연료전지전략협의회(2014.03.04.)

 

연료전지와 수소전지는 기존 에너지 시장에서 지속적으로 확장되는 분야로, 최근 시설장비, 컨테이너 트럭, 에너지 저장장치 등에 활용될 수 있는지에 관해 연구 개발이 이루어지고 있다. 예를들어 최근의 주요 연구개발 사항으로 혼다에서 Honda Clarity Fuel Cell을 도입하여 연료전지 자동차를 상용화 한 사례가 있다. 이 연료전지 자동차는 지난 2016년 미국에서 1천대, 전 세계에서 3천 대 이상을 판매되었다. 또한 도요타와 에어리퀴드(Air Liquide)는 소매용 수소 스테이션을 캘리포니아 외곽에 설치하여 이후에 코네티컷, 뉴욕, 메사추세츠에 배치할 계획을 발표하였다.

 

 2016년에는 전 세계적으로 약 62,000개의 연료전지 시스템이 출하되었으며, 2015년 60,000에 비해 약간 증가하였다, 메가와트(MW)는 2015년 300MW에서 2016년 500MW로 크게 증가하였다. MW의 성장은 주로 수송 부문에서 발생하였다. 버스를 비롯해 자재 취급과 같은 운송관련 응용분야에서 MW의 증가에 기여하였다.  지역적으로는 중국이 연료저지 버스의 주요고객으로 부상하였으며, 연료전지 제조업체와의 파트너쉽을 통해 더 큰 고객국가로 성장할 전망이다.

 

 

또한 고정식 연료 전지 출하량이 소폭 증가한 것은 아시아 지역의 지속적인 활동에서 그 원인을 찾을 수 있다. 한국의 경우 대형 단위 유니트, 일본의 경우 소형 주거용 연료 전지 시스템이 지속적으로 활용되고 있다..

 

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