업등 여러 산업분야에 응용가능성이 크고 환경 친화적인 에너지원으로 경제적, 환경적, 사회적 측면에서 중요한 대체에너지중의 하나로서 환경중시 21세기의 중요한 공익 기반기술이다.
연료전지용 소재개발은 발전효율 향상 및 저비용화, 장수명화를 목표로 한 연료 전지의 상용화를 앞당기는 주요한 근본이 되며 그 동안 국내에서 주로 연구해 온 셀 및 스택 제조기술과 연관하여 볼 때 소재개발은 꼭 필요한 추진 타당성을 가지 고 있다.
연료 전지가 시장에 진입하기 위해서는 현재 고가의 제조비용을 현실성 있는 가 격으로 줄여야 낮추어야 한다. 현재 비교적 고가의 연료 전지로서 시장에 진입 가 능한 이동형 및 휴대용 전자기기의 전원용 연료전지에 대한 집중적인 연구가 필 요할 것으로 생각되며 차세대 대체에너지 기술을 위한 정부의 주도적인 역할이 필수적이다.
이동형 및 휴대용 전자기기의 전원용 연료전지가 시장에 성공적으로 진입하기 위해서는 아직까지도 리튬 이차 전지에 비해 매우 고가인 연료 전지를 저가이 며 고성능의 연료 전지가 개발되어야 할 것이며, 이를 위해서는 제조 단가의 40 ～ 60%를 차지하는 촉매전극 및 전해질 등의 핵심 소재의 가격을 낮추거나 성능을 획기적으로 향상시키는 기술 개발이 우선되어야 할 것으로 판단된다.
연료전지의 실용화를 위해서는 기술적 장벽으로서는 연료전지의 효율과 안정 성을 획기적으로 향상시켜야 하는데 이의 핵심기술은 바로 경제적인 고효율 촉 매 및 전해질 박막 등의 핵심 소재의 개발이 우선되어야 하는데 현재까지 이 분 야에 대한 체계적인 프로그램이 없어 연료전지 소재의 개발 및 기반 기술 구축 이 시급히 추진되어야 하고 이를 위한 집중적인 지원이 요구된다.
2002년 8월 정부는 “2차전지 산업 중장기 발전전략”을 확정한 바 있으나 연료 전지와 연관하여 부품소재등 연관 기술에 대한 구체적인 대응책 제시가 없는 실정이며 그 동안 셀, 스텍개발 위주로 연구개발이 진행되어 부품소재 산업등 에 기술개발 투자가 미흡한 상황으로 이들의 체계적인 연구가 진행될 수 있는 구체적인 계획이 필요한 시점에 있다.
국내 연료 전지 개발 수준은 선진국 기술 대비 60 ～ 70% 수준인 것으로 추정 되며, 특히 주요 핵심 소재의 개발 수준은 선진국의 50%에도 미치지 못하는 열 악한 수준이다. 그러나 그 동안 정부의 지원으로 연료전지 스택 기술과 시스템 기술 중 일부는 가시적인 성과가 있으므로 이성과를 보다 적극적으로 연계 활 용할 경우 최소한의 기술 투자로 외국과 경쟁 할 수 있는 기술의 상용화가 가능 할 것으로 전망되어 진다.
IT용 소형 연료전지항목
한국수준
외국 최고수준
상품화수준
휴대용 DMFC
촉매 사용량
3～10 mg/cm2
3～20 mg/cm2
1 mg/cm2
MEA 출력밀도
(수동형/능동형)8
30 / 100 mW/cm2
20 / 100 mW/cm2
100/300 mW/cm2
메탄올 투과도
(나피온 대비)
30%
10%
< 5%
전해질막 이온전도도
0.1 S/cm2
0.1 S/cm2
0.1 S/cm2
스택 출력밀도
40W/L (수동형)
na
120W/L (수동형)
스택 에너지밀도
80 Wh/L (수동형)
na
300 Wh/L (수동형)
그래파이트 분리판
100S/cm
두께=3 mm
100S/cm
na
100S/cm
na
휴대용 PEMFC
촉매사용량
0.2～0.7 mg/cm2
0.1～0.6 mg/cm2
0.1 mg/cm2
MEA 출력밀도
0.2 W/cm2
0.3 W/cm2
0.5 W/cm2
스택 밀도
100 W/L
300 W/L
500 W/L
전해질막 이온전도도
0.1 S/cm
0.1 S/cm
0.1 S/cm
일산화탄소 농도
na
0.1%
10 ppm
수소 생산속도
na
4. 결론
연료전지는 무공해, 높은 에너지 효율, 에너지원의 다양화, 무소음 등의 많은 장점을 가지고 있으며 점점 심각해지는 대기오염에 대한 우려와 환경의 중요성에 대한 인식에서 점점 강화되어 가고있는 환경규제 법안의 대책으로 수송 및 산업분야에서 또한 소형 전자기기의 급성장에 따른 고성능 전원의 수요가 크게 증가하는 휴대용 분야에서 그 기술이 요구되고 있다.
연료전지 시작품의 제조원가(US$ 300/kW)가 지나치게 높다. 양산시 이 가격은 많이 낮아질 것으로 예상되지만 현존하는 발전기술과 경쟁해서 시장 점유율을 확보할 수 있는가 하는 문제 때문에 양산을 위한 투자가 어렵다. 도시버스에 적용되는 PEMFC 와 같은 틈새시장이 존재하지만, 현재 기술이 불충분하거나, 극히 낮은 효율을 보이는 1～10 kW 발전 분야 등을 목표로 하는 것이 합리적인 전략으로 보인다. 이 전략은 미국 에너지성의 Solid State Energy Conversion Alliance 가 택한 전략인데, 5 kW SOFC modular 스택으로 US$400/kW 으로 발전시키는 것을 목표로 하고 있다. 이 소규모 기술이 성공하고, 원가 목표를 달성하면 동일한 기술로 대규모 unit 이 정지형 전력생산과 이동형 전력생산 시장에 침투할 수 있을 것이다.
휴대용 전자제품의 전원으로서의 연료전지 개발 분야도 점점 더 많은 관심을 모으고 있다. 배터리가 휴대용 제품에서 요구되는 전력 요구를 만족시키기 위해 노력하고 있지만, 반도체 산업에서 발전된 기술을 이용하여 조립된 혁신적인 DMFC 는 현재의 리튬 이온전지의 3～5 배의 에너지를 공급할 수 있다. 휴대 전화 등 비교적 낮은 전력(～ 1 W)을 요구하고 높은 부가가치를 가지는 분야는 시장 진입 기회를 제공할 것이다.
이와 같은 연료전지의 실용화를 위해서는 연료전지의 효율과 안정성을 좀 더 향상시켜야 하는데 이의 핵심기술은 바로 경제적인 고효율 나노 촉매 및 막 소재의 개발이 필요함에도 불구하고 국내는 연료전지 스택 기술과 시스템 기술에 치중해 있으며 소재 개발에 있어서는 연구개발이 미미한 수준이다. 따라서 연료전지 소재에 대한 기술수준은 선진국에 비해 아직 초보단계이나 관련기술, 즉 고분자 전해질 개발, 전기화학, 나노소재개발, 촉매기술, 소재평가기술 등을 고려할 때 시급히 소재 및 부품 개발에 적극적인 투자가 이루어진다면 선진국과 경쟁이 가능할 것으로 예상되어 진다.