과학(Science)/산업 (Industry)

연료전지(Fuel Cell)

SURPRISER - Tistory 2023. 11. 8. 10:12

0. 목차

  1. '연료전지'란?
  2. '연료전지' 산업
  3. '연료전지'의 발명
  4. '연료전지'의 메커니즘
  5. '연료전지'의 종류
  6. '연료전지' 기술 발전 트렌드
  7. '연료전지' 보급의 전제조건
  8. '연료전지' 관련 기업

연료전지(Fuel Cell)

1. '연료전지'란?

 '연료전지(Fuel Cell)'는 수소를 포함한 연료와 공기 중의 산소가 전기화학 반응에 의해, '화학에너지(Chemical Energy)'를 '전기에너지(Electric Energy)'로 직접 변환하여 공해 없이 전기를 생산하는 친환경 청정 발전기이다. '연료전지(Fuel Cell)'의 기본 구성은 '연료극(Fuel Electrode)', '전해질층(Electrolyte Layer)', '공기극(Air Electrode)'으로 접합되어 있는 셀(Cell)'이다. 다수의 '셀(Cell)'을 적층하여 '스택(Stack)'을 구성함으로써 원하는 전압 및 전류를 얻을 수 있다. '양극(연료극)'에 주입된 수소가 '수소 이온(H+)'과 '전자(Electron)'로 분리되고, 음극에서 주입된 공기로부터 '산소 이온'과 전자(Electron)'가 분리된다. 이때 분리된 전자의 이동으로 전기가 발생하게 되고 수소와 산소가 만나 물이 생성되면서 열을 발생시킨다. 전기발전효율은 30~40%, 열효율은 40% 이상으로, 총 70~80%의 높은 효율을 갖는다.

 '연료전지(Fuel Cell)'는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 '전기 에너지'와 '열 에너지(Heat Energy)'를 생산하는 고효율·친환경 발전 시스템이다. 기존 발전기와 달리 연료의 '연소(Combustion)'를 통한 에너지 변환 과정을 거치지 않고 바로 전기를 생산하기 때문에, 에너지 손실이 적어 발전효율이 높다. 아울러 친환경적이며 '분산형 전원(Dispersed Generation)'으로 활용이 가능한 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. '연료전지' 제품의 대부분은 에너지원보다는 '백업 전원(Backup Power)' 또는 '보조 전원(Auxiliary Power)'으로 설치·적용되는 제품이 다수이다. '연료전지(Fuel Cell)'의 특징으로는 주로 '고효율', '친환경', '높은 가동률', '확장성(공간 효율성)'을 꼽을 수 있다.

  1. 고효율: '연료전지(Fuel Cell)'의 발전 효율은 '운전 장치 사용 전력' 또는 '열 손실' 등을 감안하더라도 35~60% 이상이다. '열병합 발전(Steam Supply and Power Generation)'까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상으로 현존 발전설비 중 최고 수준이다. '디젤 엔진(Diesel Engine)', '가솔린 엔진(Gasoline Engine)', '가스 터빈(Gas Turbine)'의 경우 출력 규모가 클수록 발전 효율이 높아지는 경향이 있으나, 연료전지의 경우 출력 크기에 상관없이 일정한 높은 효율을 얻을 수 있다.
  2. 친환경: '연료전지'는 기본적으로 수소와 산소를 전기화학적으로 발전시켜 전기를 발생하는 발저 장치이다. 때문에 화력 발전이나 디젤 발전기에서와 같은 연소과정이 없으며, '전기', '물', '열'만 발생한다. 현재는 '천연가스', '석탄' 등의 화석연료로부터 수소를 얻고 있으나, 궁극적으로 '풍력(Wind Power)', '태양광' 등의 재생에너지를 사용하여 물을 전기분해하여 수소를 얻게 되면 연료전지는 '이산화탄소', '질소산화물(NOx)', '황산화물(SOx)' 배출이 전혀 없는 무공해 에너지 시스템으로 자리매김할 전망이다.
  3. 높은 가동률: '연료전지'는 1년 365일, 하루 24시간 쉬지 않고 전기를 생산한다. 운용 신뢰도가 높아 '비상 전원(Emergency Power Source)', '무정전 전원(Non-Interrupting Electric Source)', '보조 전원 장치(Auxiliary Power)' 등으로 적합하다. 90% 이상의 높은 가동률로 운용 조건에 제약이 많은 재생에너지의 약점을 보완할 수 있다.
  4. 확장성(공간 효율성): '연료전지'는 모듈 형태로 제작이 가능하기 때문에, 발전 규모 조절이 용이하고, 최고의 공간 효율성을 갖추고 있어서 '옥외', '지하', '옥상' 등 설치 조건에 제약이 없다. 일반적으로 '연료전지'는 규모에 따른 에너지 전환 효율의 변화가 크지 않아, 소형에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있다. 이 때문에 연료전지는 수W 급에서 수십 MW 급까지 다양한 용도로 사용하는 것이 가능하다.
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2. '연료전지' 산업

2-1. '연료전지'의 산업의 특징

 '연료전지(Fuel Cell)' 산업의 특징은 '융복합 산업', '높은 정책 민감도', '지속적인 유지 보수 필요', '기술집약적 산업', '환경친화적 특성, '도입기 산업'으로 요약할 수 있다.

  1. 융복합 산업: 연료전지 산업은 시스템 생산자를 정점으로 다수의 부품 및 소재 생산자가 참여하는 융복합 산업으로, 고용 창출 효과가 크게 기대되는 산업이다.
  2. 높은 정책 민감도: 연료전지 등 '신재생에너지(Renewable Energy)' 산업은 '가정용 연료전지 구매 보조금 지급', '신재생에너지 공급 의무화(RPS: Renewable energy Portfolio Standard)' 제도와 같이 정부 주도에 의해 시장이 형성되는 특성을 가지고 있다.
  3. 지속적인 유지 보수 필요: 연료전지 시스템 설치 후, 지속적인 유지 보수와 관리를 필요로 하는 경우가 많으며, One-Stop 융합 서비스가 이루어지는 경향이 높은 산업이다.
  4. 기술집약적 산업: '새로운 촉매 개발', '내구성 확보를 위한 기술', '효율 향상', '원가 절감' 등 다양한 분야에서는 높은 수준의 기술력을 필요로 한다.
  5. 환경친화적 특성: 연소과정이 없으며, 배출되는 것은 전기, 물, 열이어서 친환경적이다.
  6. 도입기 산업: 발전 등 일부 분야에 도입되는 초기 단계이며, 범용화를 위해 '수소 제조 단간 개선', '저가의 핵심부품 개발', '연료 인프라 증대' 등 연료전지 상업화의 핵심인 경제성 확보가 필요하다.
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2-2. '연료전지'의 산업의 구조

 연료전지는 '모듈(Module)' 형태로 제작되어 '수송용', '이동 전원', '백업 전원', '가정용 열병합 발전 시스템'으로 주로 사용된다. 따라서 '후방 산업'은 연료전지의 부품 소재인 '금속 및 세라믹 분말 소재', '금속 박판 소재', '전해질막(Electrolyte Membrane)', '전극 촉매', '분리판(Separator)', '연료 변환 촉매', '스택(Stack)', '연료 변환기', '센서(Sensor)', 'E-BOP(Electrical Balance of Plant)', 'M-BOP(Mechanical Balance of Plant)', '제어 프로그램(Control Program)' 관련 산업으로 규정할 수 있다. 한편 '전방 산업'은 '발전 산업', '주택 산업', '수송 산업' 등의 다양한 용도로 활용되는 산업을 포함한다.

전후방 산업 세부
후방 산업 금속 및 세라믹 분말 소재
금속 박판 소재
전해질막(Electrolyte Membrane)
전극촉매
분리판(Separator)
연료 변환 촉매
스택(Stack)
연료 변환기
센서(Sensor)
E-BOP(Electrical Balance of Plant)
M-BOP(Mechanical Balance of Plant)
제어 프로그램(Control Program)
블로워(Blower)
'펌프(Pump)' 관련 산업
연료전지 연료전지(Fuel Cell)
전방 산업 발전 산업
주택 산업
수송 산업

3. '연료전지'의 발명

3-1. 물의 전기 분해

 기체 수소와 전기의 관계를 처음으로 알아차린 사람은 영국의 외과의사 '앤서니 칼라일(Anthony Carlisle, 1768~1840)'과 화학자 '윌리엄 니콜슨(William Nicholson, 1753~1815)'이라고 한다. '앤서니 칼라일(Anthony Carlisle)'과 '윌리엄 니콜슨(William Nicholson'은 1880년 갓 발명된 '볼타 전지(Voltaic cell)'를 조립하고 있었다. '볼타 전지(Voltaic cell)'란 이탈리아의 물리학자 '알레산드로 볼타(Alessandro Volta, 1745~1827)'가 1800년에 발명한 '전지(Battery)'이다.

 '볼타 전지(Voltaic Cell)'의 조립을 끝낸 '앤서니 칼라일(Anthony Carlisle)'과 '윌리엄 니콜슨(William Nicholson)'은 전지의 도선을 제대로 접촉시키기 위해, 전극과 도선의 접촉 부분에 '물(H2O)'를 한 방울 흘렸다고 한다. 회로의 접촉을 개선하기 위해 접촉 부분에 물을 떨어뜨리는 방법은 당시에는 일반적으로 이루어진 것 같다. 그리고 두 사람은 회로를 연결해 전류를 흐르게 하는 실험을 시작했다. 전기를 흐르게 하는 실험을 한창 하는 동안 '앤서니 칼라일(Anthony Carlisle)'과 '윌리엄 니콜슨(William Nicholson)'은 회로의 접촉 부분에 떨어뜨린 물방울 안에서 무수히 작은 거품을 발견했다. 이 작은 거품은 물방울에 전기가 흐름으로써 발생한 기체 수소였다.

 물에 전기를 흐르게 하여, 물 분자(H2O)'를 분해해 기체 '수소(H2)'와 '산소(O2)'를 발생시키는 반응을 '물의 전기 분해(Electrolysis of water)'라고 한다. 물을 전기 분해할 때는 '전해질(물에 녹으면 양이온과 음이온으로 나뉘는 물질)'을 물에 녹여 두어야 한다. '순수한 물'에는 전기가 흐르지 않기 때문이다. 예컨대 전해질인 '황산나트륨(Na2SO4)'를 녹인 물에 전기를 흐르게 하면, 물 분자가 음극으로부터 '전자(Electron)'를 받아들여 '수소 원자(H)'와 '수산화 이온(OH-)'으로 나뉜다. 수소 원자는 불안정하기 때문에, 곧바로 2개가 들러붙어 안정된 '수소 분자(H2)'가 된다. 이 수소 분자가 물을 전기 분해할 때, 음극에서 발생하는 기체가 수소이다. 한편, 양극에서는 '물 분자(H2O)'가 전자를 남기고 '산소 원자(O)'와 '수소 이온(H+)'으로 나뉜다. 산소 원자는 불안정하기 때문에, 곧바로 2개가 들러붙어 안정된 '산소 분자(O2)'가 된다. 이 산소 분자가 양극에서 발생하는 기체 산소이다.

볼타 전지(Voltaic cell)

3-2. '연료전지'가 발명되다.

 기체 '수소'와 기체 '산소'로부터 전기를 만들 수 있다는 사실을 처음으로 증명한 사람은 영국의 물리학자 '윌리엄 그로브(William Grove, 1811~1896)'이다. 당시 '윌리엄 그로브'는 전해질인 '묽은 황산(H2SO4)'을 녹인 물을 '전기 분해(Electrolysis)'해서, 음극에 발생하는 기체 수소와 양극에 발생하는 기체 산소를 전극에 씌워진 시험관에 모으는 실험을 하고 있었다. 어느 날, 보통 때와 마찬가지로 물의 전기 분해를 하던 그로브는 실험의 마지막에 기묘한 현상이 일어나는 것을 알아차렸다. 물을 전기 분해한 회로에서 전원의 전지를 벗기고 회로를 다시 연결하자, 어떻게 된 노릇인지 반대 방향으로 흐른 것이다. 이것은 시험관에 모인 기체 '수소(H2)'와 '산소(O2)'가 각각의 시험관 속에서 '물(H2O)'로 돌아가 전기가 반대 방향으로 흐르는 것을 의미했다.

 '윌리엄 그로브(William Grove)'는 그 후에도 실험을 거듭해, '전기 분해(Electrolysis)'의 반응을 거꾸로 진행하면 전기가 발생함을 알아냈다. 그리고 영국의 학술 잡지 'Philosophical Magazine'의 1839년 2월호'에 발표했다. 이리하여 기체 수소와 산소로부터 전기를 만드는 '연료전지(Fuel Cell)'가 발명되었다. '윌리엄 그로브(William Grove)'가 발명한 연료전지는 기체 수소와 산소가 전극에 씌어진 시험관 속에 갇혀 있었다. 하지만 현대의 '연료전지(Fuel Cell)'는 기체 수소와 산소를 전극에 계속 보냄으로써 계속해서 전기를 만든다.

 '연료전지(Fuel Cell)'는 '윌리엄 그로브(William Grove)'가 발명한 가스 전지가 시초이며, 이후 우주 분야를 중심으로 개발이 진행되었따. 그 이유는 우주선을 작동시키기 위해서는 많은 양의 에너지를 제한된 공간에서 오염물질이 발생하지 않아야 하는데, 그 조건을 충족한 것이 연료전지였다. 이로 인해 1960년대 미국에서 우주 항공 프로젝트에 활용되었고, 이후 1970~1980년대 에너지 파동과 환경문제가 대두되며서 본격적인 개발이 시작되었다. 200년대에 이르러 미국 등 에너지 선진국을 중심으로 발전되어, 현재는 '발전용', '건물용', '가정용', '차량용' 등에서 상용화가 이루어졌으며, 다양한 분야에 적용 가능성을 타진하고 있다.

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4. '연료전지'의 메커니즘

 '연료전지(Fuel Cell)'의 원리 자체는 대단히 단순하다. 연료전지에 필요한 것은 2장의 전극과 그들 사이에 끼워진 '전해질(Electrolyte)'이다. 이 전극에 희소 금속인 '백금(Pt, 원자번호 78번)'이 사용된다. '전해질(Electrolyte)'이란 '이온(원자나 분자가 전하를 띤 것)'은 통과시키지만 '전자(Electron)'는 통과시키지 않는 물질이다.

 '연료전지(Fuel Cell)'의 발전 원리는 다음과 같다. '연료전지'의 음극에 보내진 기체 '수소(H2)'는 음극에 함유된 백금이 '촉매(화학 반응의 속도를 높이지만 그 자체는 변하지 않는 물질)'로 작용해, 수소 원자에서 전자를 벗겨내 수소 이온(H+)'이 된다. 이때 생기는 '수소 이온(H+)'은 전해질을 통과할 수 있으나, 전자는 전해질을 통과하지 못하고 남는다. '수소 이온(H+)'은 '전해질 수용액(농도가 95% 정도인 인산 수용액)'에 녹아 이동한다.

 한편, '연료전지(Fuel Cell)'의 양극에 보내진 산소(O2)'는 양극에 함유된 '백금(Pt)' 등이 '촉매(Catalyst)'로 작용함으로써, 전자를 받아들여 일단 산화 이온(O2-)'이 되었다가, 곧 수소 이온과 결합해 '물 분자(H2O)'가 된다. 기체 수소가 연료전지의 '음극(Cathode)'에 넘긴 전자는 연료전지 외부의 회로를 이용해, 연료전지의 '양극(Anode)'에서 기체 산소에 받아들여진다. '전자(Electron)'가 '연료전지'의 외부 회로를 이동한다는 것은, 외부 회로에 '전기(Electricity)'가 흐른다는 뜻이다. 이리하여 '연료전지'는 기체 수소와 산소로부터 '물(H2O)'과 '전기'를 만든다. 연료전지'는 연료와 산화제를 밖에서 계속 보내는 한, 전기를 계속 만들어 낸다. 그런 의미에서 '연료전지(Fuel Cell)'는 '전지(Battery)'라기보다는 '발전 장치(Generating Set)'로 이해하는 편이 적합하다.

  1. '기체 수소'와 '기체 산소'의 공급: 기체 수소를 '음극(-)'으로 보내고, 기체 산소를 '양극(+)'으로 보낸다.
  2. 기체 수소가 '음극(-)'에 전자를 넘긴다: 음극에서는 '기체 수소(H2)'가 음극에 전자를 넘기고 '수소 이온(H+)'이 된다. 수소 이온은 전해질막에 녹아 이동한다. 기체 수소가 음극에 넘긴 전자는 도선을 통해 연료전지의 외부로 나간다.
  3. '수소 이온(H+)'이 이동한다: 전해질막에서는 '음극(-)'으로부터 수소 이온이 들어오고 '양극(+)'에서 '수소 이온'이 나간다. 전해질막에 들어오는 수소 이온의 수와 나가는 수소 이온의 수는 같다.
  4. 기체 산소가 양극에서 전자를 받아들인다: 양극에서는 기체 '산소(O2)'가 '양극(+)'에서 전자를 받아들여, '산화 이온(O2-)'이 된다. '산화 이온'은 전해질 수용액 속의 '수소 이온(H+)'과 곧바로 들러붙어 '물 분자(H2O)'가 된다.

연료전지(Fuel Cell)

4-1. '연료전지' 기술 분류

 '연료전지 시스템(Fuel Cell System)'은 'M-BOP(Mechanical Balance of Plant)', '스택(Stack)', 'E-BOP(Electrical Balance of Plant)'로 구성된다 '

  1. M-BOP(Mechanical Balance of Plant): M-BOP(Mechanical Balance of Plant)'는 연료 공급기로서 LNG/바이오가스 등으로부터 생성된 수소와 공기 중의 산소를 '스택(Stack)'에 공급하는 역할을 한다. M-BOP 등 '필터(Filter)', '탈황기(Desulfurization Machine)', '가습기(Humidifier)', 'Pre-Converter', '연료 개질기(Fuel Reformer)' 등으로 구성된다.
  2. 스택(Stack): '스택(Stack)'은 '연료극(Fuel Electrode)', '전해질(Electrolyte)', '공기극(Air Electrode)'으로 구성되며, 수소와 산소와 전기화학 반응으로 '전기', '열', '물'을 발생시키는 핵심 파트이다. 다수의 단위 전지(Cell or MEA)'를 직렬로 적층하여 구성되며 발생되는 '전류(Electric Current)'는 '셀(Cell)'의 면적에 비례하고, '전압(Voltage)'은 '셀(Cell)'의 적층 수에 비례한다.
  3. E-BOP(Electrical Balance of Plant): E-BOP는 전력변환기로서, '스택(Stack)'에서 발생된 직류 전기를 교류 전기로 변환해서 수요처에 전기를 공급하는 역할을 한다.
연료전지 기술 분류 설비
M-BOP '필터(Filter)', '탈황기(Desulfurization Machine)', '가습기(Humidifier)', 'Pre-Converter', 연료 개질기(Fuel Reformer)' 등
스택(Stack) '연료극(Fuel Electrode)', '전해질(Electrolyte)', '공기극(Air Electrode)' 등
E-BOP AC/DC 인버터, DC/DC 컨버터', '수소 센서(Hydrogen Sensor)', '제어 프로그램(Control Program)'

연료전지 발전 원리

4-2. '연료전지'의 장점

 '연료전지(Fuel Cell)'의 연료로 유력한 수소는 바닷물을 이용해 물에서 꺼낼 수 있기 때문에, 무한한 자원이 될 수 있다. 게다가 수소를 연료로 사용하는 경우, 연료전지에서 배출되는 것은 깨끗한 물뿐이며, 지구 온난화를 촉진한다는 '이산화탄소(CO2)'를 전혀 배출하지 않는다. 수소는 '탄화수소(CxHx)'나 '물' 등의 형태로 지구상에 풍부하게 존재하지만, 그 홑원소인 물질은 수소 가스는 자연계에는 거의 존재하지 않는다. 따라서 수소가스를 '연료전지'의 연료로 사용하려면, '탄화수소'나 '물' 등의 재료에서 수소 가스를 만들어내야 한다. 그래서 자연 에너지를 사용해 물을 전기 분해해서 수소를 얻는 방법이 장래의 '수소 제조법'으로 기대된다. 장래에는 값싸게 손에 넣는 수소로 온갖 에너지를 조달하는 '수소 에너지 사회'가 올지도 모른다.

 또 한 가지 '연료전지(Fuel Cell)'의 최대 장점으로는 발전 효율이 매우 좋다는 점을 꼽을 수 있다. 약 550℃의 증기를 사용하는 '화력 발전'의 경우, 이론적인 최고 발전 효율은 60% 정도이다. 그러나 수소를 사용하는 '연료전지'는 실온에서도 이론상으로는 최고 발전 효율이 83%에 이른다. 화력 발전에서는 연료가 가진 '화학 에너지'를 우선 '열 에너지'로 바꾸고, 또 그것을 '전기 에너지'로 바꾼다. 이런 에너지의 변환에는 손실이 따르기 마련이다. 특히 '열 에너지'에서 '전기 에너지'까지 변환되는 과정에서 많은 열에너지가 달아나 버린다. 이것이 화력 발전의 발전 효율을 낮추는 원인이다. 하지만 연료전지는 연료가 가진 화학 에너지를 직접 전기에너지로 바꿔, 열에너지를 거치지 않기 때문에 에너지의 손실이 적다.

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5. '연료전지'의 종류

 '연료전지(Fuel Cell)'는 '전해질(Electrolyte)'의 종류에 따라 '알칼리 연료전지(AFC: Alkaline Fuel Cell)', '인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)', '용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)', '고체 산화물 연료전지(SOFC: Sold Oxide Fuel Cell)', '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)', '직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)' 등으로 구분된다. '연료전지(Fuel Cell)'는 '휴대용', '가정용', '수송용', '발전용'으로 응용 분야가 매우 광범위하며, 이에 따라 각 연료전지에 요구되는 '성능 조건', '상업화를 위한 가격', '기준치' 등을 정의하고 다양한 시장 수요를 만족시키기 위한 연구개발이 지속되고 있다.

 이들은 작동온도에 따라 다시 '고온형 연료전지'와 '저온형 연료전지'로 구분된다. 일반적으로 고온에서 작동할수록 발전 효율이 높은 출력을 낼 수 있지만, 워밍업 때문에 작동에 시간이 걸린다. '고온형 연료전지'인 MCFC'와 'SOFC'는 고온에서 반응성이 우수하기 때문에, 전극 촉매로 '니켈(Ni)'을 비롯한 일반 비귀금속계 촉매를 쓸 수 있고, 높은 발전 효율의 장점이 있다. 그러나 기동 및 정지 시간이 길며, 열충격에 취약한 단점이 있어, 장기 운전에 적합한 발전소나 대형건물 등에 적합하다. PEMFC, DMFC, PAFC, AFC는 저온형 연료전지로 분류되며, 시동 시간이 짧고 부하 변동성이 뛰어나고 소형화가 가능하다는 장점이 있다. 그러나 고가의 백금 촉매의 사용이 필요하며 비교적 낮은 효율이 단점이다. 기동·정지가 용이한 '수송용', '이동 전원', '백업 전원', '가정용 열병합 발전 시스템'으로 사용되고 있다.

구분 알칼리 연료전지(AFC) 인산형 연료전지(PAFC) 용융탄산염 연료전지(MCFC) 고체 산화물 연료전지(SOFC) 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 직접 메탄올 연료전지(DMFC)
전해질 수산화칼륨(KOH) 인산염[인산(H3PO4)등] 용융탄산염 세라믹 이온교환막 이온교환막
전해질을 통과하는 이온 수소 이온(H+) 수소 이온(H+) 탄산이온(CO32-) 산화물 이온(O2-)    
촉매 니켈(Ni) 백금(Pt) 페로브스카이트 니켈(Ni) 백금(Pt) 백금(Pt)
동작온도(℃)
 120℃ 이하 250℃이하(200℃부근) 700℃이하(650℃ 부근) 1200℃이하(1000℃ 부근), 더 저온에서 작동하는 것도 개발중 100℃이하 100℃이하
저온형 저온형 고온형 고온형 저온형 저온형
효율(%) HHV 85% 70% 80% 85% 75% 40%
용도
 우주발사체 중형 건물 중대형 건물 소·중·대용량 가정·상업용 소형 이동
전원 (200kW) (100kW~MW) 발전(1kW~MW) (1~10kW) (1kW 이하)
기동 시간   조금 느림 느림 느림    
사용할 수 있는 연료 수소 수소, 천연가스, 나프타, 메탄올 수소, 일산화탄소, 석유, 천연가스, 메탄올, 석탄가스 수소, 일산화탄소, 석유, 천연가스, 메탄올, 석탄가스 수소, 메탄올, 천연가스  
특징 - CO 내구성 큼, 열병합대응 가능 내부개질 가능, 열병합대응 가능 내부개질 가능, 복합발전 가능 고출력 밀도 고출력 밀도
과제 전해질에서 누수현상 방지 재료부식, 인산유출 재료부식, 용유염휘산 고온열화, 열파괴 고온운전 불가, 재료비·가공비 높음(고가의 촉매 및 전해질), 낮은 효율 고온운전 불가, 재료비/가공비 높음, 메탄올 크로스오버 문제
적용 대상 우주 분야 열병합발전 열병합발전, 선박 열병합발전, 선박 자동차, 열차, 선박, 비행기  
국내기업 - 두산, 에스퓨어셀 포스코에너지 STX중공업, 미코, 경동나비엔 두산, 에스퓨어셀 프로파워

5-1. 알칼리 연료전지(AFC: Alkaline Fuel Cell)

 '알칼리 연료전지(AFC: Alkaline Fuel Cell)'은 '전해액'으로 수산화칼륨 용액을 사용하며, 연료전지 중에서 효율이 가장 높다. 이유는 산소의 반응이 산성 전해질에서보다 알칼리 전해질에서 더 빠르기 떄문이다. 수산화칼륨 용액을 사용하므로, 순수한 수소와 산소만으로 작동시켜야 한다. 순도가 낮은 연료를 사용할 경우, 공기에 포함된 '탄산가스(CO2)'가 '알칼리성 전해질(수산화칼륨 요액)'과 반응하여 '탄산칼륨'을 생성하고, 사이클 과정을 차단하기 때문이다. 순수 수소로 작동하는 '알칼리 연료전지(AFC)'는 다른 어떤 연료전지보다 전압이 높다. 그리고 '비출력(kW/kg)', '비에너지(kWh/kg)' 및 '수명(Lifetime)'도 다른 형식의 연료전지에 비교해 높다. 주로 우주항공 및 군용으로 사용한다. 정상 작동온도 범위는 60~120℃, 수명은 약 4000시간, 효율은 약 60% 정도이다.

5-2. 인산형 연료전지(PAFC)

 '인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)'는 1967년에 개발이 시작된 '연료전지(Fuel Cell)'이다. 200℃ 정도에서 운전하기 때문에, 반응에는 '백금(Pt)' 등의 촉매가 필요하다. '인산형 연료전지(PAFC)'는 전해질 수용액에 95% 정도의 진한 '인산 수용액'을 사용한다. '인산 수용액'에는 '인산(H3PO4)'으로부터 나누어진 '수소 이온(H+)', '인산2수소 이온(H2PO4-)', '인산1수소 이온(HPO42-)', '인산 이온(PO43-)' 등이 들어 있다.

 '인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)'의 전극은 '카본지(Carbon Paper)', '촉매(Catalyst)'는 '백금(Pt)'을 사용한다. '전해질(Electrolyte)'인 '인산(H3PO4)'은 전도성이 낮지만 안정도가 높고, 연료전지에 적합한 수명을 갖는 유일한 물질로 알려져 있다. 또한 증기압이 낮아 40℃에서 응고되기 쉬우므로 운전 온도는 150~200℃ 정도이며, 순수 발전 시 40% 내외, 열병합발전 시 최대 85%까지 효율을 높일 수 있다. 인산의 가격이 싸고 매장량이 많아 오래전부터 사용해 기술의 발전이 많이 이루어져, 장시간 사용 시에도 안정된 성능을 보장한다. 그러나 고가의 백금촉매 등을 사용해야 하고, 지속적으로 공급되는 액체 전해질이 부식성이라는 단점이 있다.

5-3. 고체 산화물 연료전지(SOFC)

 '고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)'는 1980년부터 본격적인 개발이 이루어진 '연료전지(Fuel Cell)'이다. '전해질(Electrolyte)'로 이용되는 것은 '지르코니아(ZrO2)' 등 산소 이온에 대한 전도성이 있는 금속산화물을 성분으로 하는 '고체 세라믹스(Solid Ceramics)'이다. 800~1000℃라는 고온으로 하면, 세라믹스에 따라서는 산화물 이온 또는 수소 이온이 그 속을 통과할 수 있게 된다.

 '고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)'의 작동 온도는 금속산화물이 산소 이온에 대해 충분한 전도성을 가질 수 있도록 800℃ 이상이다. '전해질'은 '지르코니아(Zirconia)' 등 수소 혹은 산소 이온이 통과 가능한 고체산화물을 활용하여 '연료의 융통성', '비귀금속 촉매', '완전한 고체상의 전해질' 등의 장점이 있다. 그러나 가장 큰 단점은 작동 온도가 높아져 시동 시간이 길어지고, 기계적· 화학적 호환성 문제가 발생한다는 점이다.

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5-4. 용융탄산염 연료전지(MCFC)

 '용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)'는 1980년경부터 본격적인 개발이 이루어진 '연료전지'이다. 약 650℃라는 고온에서 '탄산염(Carbonate)'이 녹아, 액체가 되고 '전해질(Electrolyte)'로 작용한다. 양극 쪽에 공급하는 이산화탄소를 이온의 운반체로 이용하는 점이 특징이다. '용융탄산염'은 탄산리튬(Li2CO3)'이나 '탄산칼륨(K2CO3)' 등의 탄산염을 고온으로 녹인 것을 말한다.

 '백금 촉매(Platinum Catalyst)' 대신 '니켈 촉매(Nickel Catalyst)' 사용으로 경제성이 높고, '열병합발전(Steam Supply and Power Generation)'에 유리하다. 그러나 전해질이 액체이기 때문에 장시간 운전하는 경우 '용융탄산염(Molten Carbonate)'이 증발하여, 전해질의 양이 줄어들어 장기적으로 성능을 저하시키는 원인으로 작용한다.

5-5. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)

 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)'는 '수소이온 교환막 연료전지' 또는 '양성자 교환막 연료전지'라고도 한다. '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)'는 촉매로 귀금속인 '백금(Pt)'을 사용하며, 100℃ 미만의 저온 범위, 연료로는 수소를 사용하나 경우에 따라서는 메탄올이나 천연가스를 사용한다. '고분자 전해질 연료전지(PEMFC)'는 다른 연료전지와 비교해 전류밀도가 높은 고출력 연료전지이고, 그 구조가 간단하며, 반응물로 물만을 생성해 공해를 일으키지 않는 장점이 있다. 또한 시동성과 응답성이 빠르고, 내구성이 우수하며, 수소 이외에도 메탄올이나 천연가스를 연료로 사용할 수 있다.

 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC)'의 경우, 가장 큰 걸림돌은 화학적으로 안정적이고 뛰어난 성능을 발휘하는 '백금(Pt)'을 사용하게 된다는 점이다. 100℃ 정도의 저온에서 작동되는 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC)'에선 백금이 압도적인 성능을 보이기 때문에 비싼 가격에도 사용될 수밖에 없는데, 백금의 가격이 비사 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 그래서 이를 극복하고자 백금을 대체하거나 사용량을 최소로 하는 기술이 개발이 개발되고 있다. 백금과 유사한 전자구조를 구현하도록 여러 금속을 혼합하는 '합금(Alloy)' 방법과 '그래핀(Graphene)' 등의 비금속 계열 신소재를 대체물로 연구하는 노력이 최근 논의되고 있다.

5-6. 직접 메탄올 연료전지(DMFC)

 '직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)'는 '메탄올(Methanol)'이 연료극을 통과할 때 촉매와 반응해서 전기를 발생시키는 전지이다. '노트북', '휴대전화' 같은 모바일 기기용 전원으로 사용되는 '리튬 이온 전지(Lithium-ion battery)'나 '리튬-고분자 전지(Lithium-Polymer Battery)'와 달리 직접 충전은 할 수 없지만, 메탄올만 공급해 주면 쓰는 시간을 크게 늘릴 수 있다. '직접 메탄올 연료전지(DMFC)'는 고농도 메탄올을 쓸수록, 더 작은 크기의 전지와 똑같은 출력을 얻을 수 있고 더 낮은 온도에서 쓸 수 있다. 하지만 메탄올 농도를 높이면, 메탄올을 흡수해서 부풀어 오르는 현상이 생기고 연료전지 효율이 떨어지는 문제가 있다.

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6. '연료전지' 기술 발전 트렌드

 '연료전지(Fuel Cell)' 기술의 최근 주요 기술 트렌드로는 '가역성 연료전지(Reversible Fuel Cells)', '복합 사이클(Combined Cycle)', '연료 유연성(Fuel Flexibility)' 등을 들 수 있다.

  1. 가역성 연료전지(Reversible Fuel Cells): '가역성 연료전지(Reversible Fuel Cells)'는 '전력 생산' 및 '에너지 저장' 모드에서 모두 작동하는 전지 능력으로 '에너지 저장 애플리케이션(Energy Storage Applications)'이 중요하다. 전력 요구량이 적은 동안 과잉 에너지를 저장하여 수요가 많은 '피크(Peak)' 시간대에 사용할 수 있게 한다.
  2. 복합 사이클(Combined Cycle): '복합 사이클(Combined Cycle)'은 최근 등장한 3세대 전원 공급 기술로, 연료전지 기술과 '가스 터빈(Gas Turbine)' 및 '스팀 터빈(Steam Turbine)'의 통합을 기반으로 한다. '복합 사이클'은 '에너지 시스템 효율(Energy System Efficiency)'을 크게 향상시키고, 온실가스 배출을 감소시키는 효과가 있다.
  3. 연료 유연성(Fuel Flexibility): '연료 유연성(Fuel Flexibility)'과 관련하여, '수소(Hydrogen)'는 기존 연료전지에 사용되는 기본 연료이다. 그러나 최근에는 '다양한 탄화수소 연료', '바이오 가스(Biogas)', '바이오매스(Biomass)', '석탄', '목재'를 연료로 사용하는 신기술을 통하여 연료 유연성이 입증되고 있다.
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6-1. 신흥 연료전지(Emerging Technologies)

 기존의 '상용 연료전지(Commercial Technologies)'인 '알칼리 연료전지(AFC: Alkaline Fuel Cell)', '인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)', '고체 산화물 연료전지(SOFC: Sold Oxide Fuel Cell)', '용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)', '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)', '직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)' 외에 '신흥 연료전지(Emerging Technologies)'도 개발되고 있다. '신흥 연료전지'로는 '고체산 연료전지(SAFC: Solid Acid Fuel Cell)', '직접 탄소 연료전지(DCFC: Direct Carbon Fuel Cell', '아연-공기 연료전지(ZAFC: Zinc-ari Fuel Cell)', '마그네슘-공기 연료전지(MAFC: Magnesium-air Fuel Cell)', '프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell', '미생물 연료전지(MFC: Microbial Fuel Cell)', '효소 바이오 연료전지(EFC: Enzymatic Biofuel Cell)' 등이 있다. 기존 '상용 연료전지(Commercial Technologies)' 외에 '신흥 연료전지(Emerging Technologies)'와 관련하여 최근의 연구개발 동향을 살펴보면 다음과 같다.

  1. 고체산 연료전지(SAFC: Solid Acid Fuel Cell): '고체산 연료전지(SAFC)'는 미국의 'SAFCell Inc'에서 휴대용 및 원격 전원 애플리케이션용 최첨단 SAFC 스택을 제공하고 있다. 혁신적인 '고체산 전지(Solid Acid Cell)' 설계로 인하여, 전력 시스템의 연료 효율이 높고, 비교적 조용하며, 저렴한 비용으로 기존의 연소 기술보다 훨씬 적은 유지 보수가 필요한 것이 강점이다. 또한 '연료 유연성(Fuel Flexibility)', '확장 가능성', '극한의 온도'에서도 우수한 작동성을 나타낸다.
  2. 아연-공기 연료전지(ZAFC: Zinc-air Fuel Cell): 미국의 '낸트 에너지(Nant Energy)'사는 원격 전원 애플리케이션용 충전식 '아연-공기 배터리 저장 시스템'을 개발하였다. 개발된 '아연-공기 배터리'는 간단하고 가역적인 화학 반응을 이용하여 에너지를 저장·방출한다. 독특한 '디자인(Design)'과 '아키텍처(Architecture)'로 인하여 '아연-공기 배터리'는 고성능과 저비용을 특징으로 한다.
  3. 마그네슘-공기 연료전지(MAFC: Magnesium-air Fuel Cell): '마그네슘-공기 연료전지(MAFC)'는 제작이 비교적 간단하고 경제적이며, 조작이 용이하고, 연료와 전해액을 쉽게 교체할 수 있는 기능적 설계를 특징으로 한다. 개발된 연료전지는 이동성이 좋고 가벼우며, 환경친화적인 장점이 있다. 미국의 'MagPower System Inc.'에서는 청정 전기 생산을 위해 독점적인 '마그네슘-공기 해수 기술'을 이용한다.
  4. 직접 탄소 연료전지(DCFC: Direct Carbon Fuel Cell): '직접 탄소 연료전지(DCFC)'는 미국 '아이다호 국립 연구소(Idaho National Laboratory)' 연구팀에서 전기를 생산하기 위해 'Solid Carbon'에 의해 구동되는 새로운 연료전지 기술을 개발하였다. '직접 탄소 연료전지(DCFC)'는 높은 출력 밀도인 '325mW/cm2 특성을 지니고, 500~600℃의 온도에서 작동할 수 있다. 연구진은 '산화 세륨' 및 '탄산염'으로 덮인 신규 전해질과 저온에서 성능을 유지할 수 있는 고도의 전도성 물질을 개발하였다. 현재 실험실 규모로 운영되기 때문에, 상용화되기 전에 더 많은 개선이 필요할 것으로 판단된다.
  5. 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell): '프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC)'는 미국의 '콜로라도 광업대학(Colorado School of Mines)' 연구팀에서 '연료 생산' 및 '전기 생성'을 위한 '가역성 양성자 세라믹 전기화학전지'를 개발하였다. 개발된 '가역성 연료전지(Reversible Fuel Cells)'는 총 11가지의 다른 연료로 테스트되었다. 또한 8000시간 이상의 작동 시간 동안 모든 연료 유형에서 '뛰어난 성능', '탁월한 연료 유연성', 장기 내구성'이 확인되었다. 또한 90~98%의 높은 '패러데이 효율(Faradaic efficiency)'을 나타내며, 전기-수소 에너지 변환 효율이 97% 수준으로 확인되었다.
  6. 미생물 연료전지(MFC: Microbial Fuel Cell): 영국 '웨스트 잉글랜드 대학교(University of the West of England)'의 '브리스톨 대학 바이오 에너지 센터(Bristol Bio-Energy Center)' 연구팀에서는 소변 및 기타 유형의 폐수를 전기로 전환시키는 '미생물 연료전지(MFC)' 기술을 개발하였다. 개발된 '미생물 연료전지(MFC)'는 '멤브레인리스(Membrane-less)'이며, '세라믹(Ceramic)' 물질과 '일반 탄소 기반 전극'으로 만들어졌다. '미생물 연료전지(MFC)' 스택에는 90% 효율로 직접 전기를 발생시키기 위하여 소변이 공급되며, 연료전지는 조명을 가동하거나 휴대전화를 충전할 수 있을 만큼 전기를 생산한다. '셀(Cell)'은 소변을 소독하는 동시에 식물성 비료를 천연 부산물로 생산한다.
  7. 효소 바이오 연료전지(EFC: Enzymatic Biofuel Cell): 일본 '쓰쿠바대학(University of Tsukuba)' 연구팀에서는 고성능의 웨어러블 '효소 바이오 연료전지(EFC)'를 개발하였다. 고성능 '바이오 음극' 및 '바이오 양극' 설계에는 '산화마그네슘(MgO)' 계열의 탄소섬유 복합재료가 사용되었다. 개발된 '효소 바이오 연료전지(EFC)'는 이전에 보고된 '바이오 연료전지(Biofuel Cell)'와 비교하여 2mW/cm2의 높은 출력 밀도를 나타내며 '웨어러블 바이오 디바이스(Wearable Bio-Device)'로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

 2019년을 기준으로, '신흥 연료전지(Emerging Technologies)'의 '기술 성숙도'를 살펴보자. '고체산 연료전지(SAFC: Solid Acid Fuel Cell)', '아연-공기 연료전지(ZAFC: Zinc-air Fuel Cell)', '마그네슘-공기 연료전지(MAFC: Magnesium-air Fuel Cell)' 기술은 상용화 예비단계로, '값비싼 핵심 부품·재료', '설계 복잡성', '셀 내구성' 등을 해결하기 위한 연구개발이 필요한 상황이다. '직접 탄소 연료전지(DCFC: Direct Carbon Fuel Cell)', 프로토닉 세라믹 연료전지(PCFC: Protonic Ceramic Fuel Cell)' 기술은 개발 초기 단계에 있다. 실험실 테스트 규모에서 '프로토타입(Prototype)'으로 확장되는 과정에 있으며, '시스템 수명', '연료 품질', '연료 공급·시스템' 비용을 포함하는 기술적 문제가 해결되어야 할 과제로 남아있다. '미생물 연료전지(MFC: Microbial Fuel Cell)', '효소 바이오 연료전지(EFC: Enzymatic Biofuel Cell)' 기술은 개념 증명 단계에 있으며, 아직 시장에서 입지를 구축하지 못하였다. 그러나 기술이 성숙되는 대로 저전력 디바이스를 넘어선 새로운 잠재적 애플리케이션으로 상용화될 것으로 전망된다.

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6-2. '연료전지'의 기술 목표

 미국의 비즈니스 컨설팅 회사 '프로스트 앤 설리번(Frost & Sullivan)'의 2019년 6월 보고서에 따르면, '연료전지'의 기술 목표로는 '효율(Efficiency)', '전력 확장성(Power Scalability)', '수명(Lifetime)', '비출력(Specific Power)', '비용(Cost)', '기술 성숙도(Technological Maturity)' 등을 들 수 있다.

  1. 효율(Efficiency): '에너지 전환 효율'은 '출력 전력'와 '입력 연료'의 최저 발열량 간의 비율로, 연료전지는 연료 에너지의 약 80% 이상을 사용할 수 있다.
  2. 전력 확장성(Power Scalability): '전력 확장성'은 특정 연료전지로부터 실현될 수 있는 전력 출력을 의미하며, 넓은 출력 범위는 연료전지를 다양한 고전력 또는 저전력 애플리케이션에 사용할 수 있다. 광범위한 애플리케이션은 연료전지의 상업화를 위한 결정적 기준 중 하나이다.
  3. 수명(Lifetime): '수명'은 교체가 요구되기 전 연료전지가 효율적으로 작동하는 기간을 뜻하며, 이는 '셀 내구성'을 의미한다. '내구성(Durability)'은 시스템 정격 전력이 20% 저하될 때까지의 시간으로 정의된다.
  4. 비출력(Specific Power): '비출력'은 연료전지에 의해 생성된 전력의 양을 단위 질량을 부피로 나눈 값으로, 전력원의 실제 성능을 측정한 것이다.
  5. 비용(Cost): 연료전지의 높은 자본 비용은 기술의 상용화를 방해하는 가장 큰 요소이다. 연료전지는 '자본비용'과 '설치비용(전력 시스템을 구입하고 설치하는데 필요한 킬로와트 당 비용)' 면에서 경쟁력이 있어야 한다.
  6. 기술 성숙도(Technological Maturity): '기술 성숙도'란 기술이 최종 형태와 예상 작동 조건에서 성능을 입증했음을 의미한다.
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7. '연료전지' 보급의 전제조건

 '연료전지(Fuel Cell)'는 경제성이 기존 기술보다 아직 미흡한 신재생에너지로, 한국의 경우 '신재생에너지 공급의무화 제도(RPS: Renewable energy Portfolio Standard)' 및 '기타 정부 지원 제도'가 연료전지의 보급을 촉진하고 있다. 특히 '분산 발전' 및 '건물용 소형 열병합' 분야는 정부 지원 제도에 힘입어 빠른 속도로 보급을 늘려가고 있다. 수송용 분야도 전 세계적인 친환경차 보급 정책과 더불어 고유가에 의해 2015년부터 점차 시장을 늘려가기 시작하여 2020년 이후에는 폭발적인 속도로 시장이 확대되고 있다. 다만 이러한 성장 추세가 정부 지원의 축소 혹은 소멸 이후에도 계속되기 위해서는 다음의 사항들이 충족되어야 한다.

  1. 임계점을 넘는 양산규모 시장 확보: '연료전지(Fuel Cell)' 시장은 다른 신재생에너지원 보다도 초기 시장이 형성되어 있지 못하고 경제성이 취약하다. 또 한 정부 정책에 크게 영향을 받으며, '신재생에너지 공급의무화 제도(RPS: Renewable energy Portfolio Standard)' 정책으로 국내 발전용 연료전지 초기 시장을 확보하려 하고 있다.
  2. 장기 보급 로드맵 수립: 수송용의 경우, 수소전기차 및 수소충전소 장기 보급 로드맵 수립과 해외 보급 시장의 확대로 초기 시장이 형성되고 있다. 주택용·건물용 연료전지의 경우, 기업들의 투자를 유도할 장기 보급 및 기술개발 장기로드맵 수립이 시급하다.
  3. 산업생태계 강화: 수송용·건물용 PEMFC 및 발전용 MCFC는 시스템 제조사를 중심으로 '공급망(Supply Chain)' 수직계열화가 구축이 잘되어 있으나 부품·소재 중소·중견 기업 기술력은 취약한 상태이다. 내수시장을 넘어 수출시장 개척하려면 '기술경쟁력 확보'에 '정부의 지원' 및 '중소·중견 기업과 대기업 간 상생 협력'이 필요하다.
  4. 원천기술의 확보 및 기술 고도화: 시스템 기술 수준은 선진국 수준에 근접하였으나, 선진국의 '촉매', '전해질', 'MEA', '스택(Stack)' 등 부품 소재의 '성능', '내구성', '가격 저감' 기술은 매년 발전되고 있어 해당 기술 격차가 커지고 있다. 이에 상용화 가능성 높은 원천기술들에 대한 '중복지원' 또는 '경쟁성 사업 지원'이 필요하다고 생각된다. 또한 R&D 성공 기술의 고도화 재지원과 '산학연(산업계와 학계와 연구 분야를 아울러 이르는 말)' 역할 분담 등 체계적인 R&D 사업 전략 수립이 필요하다.
  5. 신규 시장 창출과 인증, 규제 해소 지원: '대형 건물용', '수송용' 시장을 확대하기까지 초기 시장을 주도할 틈새시장 발굴과 '인증', '규제 해소' 지원이 필요하다. 현재 '지게차', '건설 중장비', '백업 전원', '이동용 전원' 개발이 진행되고 있으나, '고압가스법 규제', '관련 법규 및 안전규정 미비'로 인하여 실증 및 인증 확보가 불가능하다. 부품 및 시스템 성능 평가 센터를 구축하여 공인 트랙 레코드 제공 시, 국내외 시장 확대에 도움을 줄 수 있다.
  6. 수소경제에 대한 국민 인식 전환 유도: 지금까지 보급 과정에서 발생한 수소 안전에 대한 국민 걱정을 불식시키기 위한 노력이 필요하다. 이를 위해 적극적·능동적 수용 자세로의 전환을 위한 홍보·교육 프로그램의 강화가 요구된다.

 '연료전지(Fuel Cell)' 시장은 '친환경적 에너지원에 대한 수요 증가', '주거 및 상업 시설에 대한 공간 난방 수요 증가', '그리드 외 지역의 백업 전원 수요 증가', '휴대용 장치에 대한 수요 증가' 등에 의해 지속적인 성장이 기대되고 있다. 그러나 '연료전지 가격 상승'과 '연료전지 인프라 부족'으로 인한 촉매의 가격 상승은 시장 성장을 저해하고 있다.

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8. '연료전지' 관련 기업

 2017년 '후지경제'의 분석에 의하면 '발전용 시장'은 '블룸 에너지(40%)', '두산(30%)', '포스코에너지(18%)', 'Fuel Cell Energy(10%)' 4개사가 주도하고 있으며, '수송용 시장'은 '도요타(87%)', 혼다(Honda)', '현대자동차(4%)' 주도하고 있는 것으로 조사되었다. '건물용 시장'은 '파나소닉(50%)', 'Aisin Siki(36%)', '도시바(12%)' 3사가 독점하고 있다. 연료전지 '구동용 시장'은 미국의 '플러그 파워(Plug Power)'사가 자국 시작을 선점하여 91%의 최대 시장 점유율을 유지하고 있으며, 캐나다의 Ballard Power Systems, 일본의 '도요타'가 시장에 진입하고 있다. 한편, 국내 발전용 연료전지 시장에는 '포스코에너지(POSCO Energy)', '두산퓨얼셀', '미코(Mico)' 등이 있으며, 주택용·건물용 연료전지 시장은 '두산퓨얼셀', '에스퓨얼셀(S-Fuelcell)' 등이, 수송용 연료전지 시장은 '현대자동차'가 선도하고 있다.

8-1. 블룸 에너지(Bloom Energy)

  1. 국적: 미국
  2. 설립: 2001년
  3. 특징: 글로벌 SOFC 상용화 선도기업으로 300MW 판매

 '블룸 에너지(Bloom Energy)'는 미국 캘리포니아주 산호세에 본사를 두고 있는 기업이다. 2001년 '태양전지판(Solar Panel)'에서 생성된 전기로 공기와 연료를 생산할 수 있는 '미 항공우주국(NASA: National Aeronautics and Space Administration)'용 연료전지 프로젝트가 끝난 후에 설립되었다. '블룸 에너지(Bloom Energy)'는 '고체 산화물 연료전지(SOFC: Sold Oxide Fuel Cell)' 선도 기업으로, 2008년 7월에 최초의 상업용 제품 제품을 '구글(Google)'에 공급하였다. 2018년 기준, 약 300MW 상당의 '연료전지' 설치 실적을 보유하고 있다.

8-2. FuelCell Energy(FCE)

  1. 국적: 미국
  2. 특징: MCFC 분야에서 독보적 기술 보유

 'FuelCell Energy(FCE)'는 '용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)' 분야에서 독보적 기술을 보유하고 있는 발전용 연료전지 주요 업체로, 1969년 창립 후 전력 발전을 위한 연료전지 발전소를 개발 및 상용화하고 있다. 'FuelCell Energy(FCE)'는 연료전지 프로젝트의 설계 및 설치에서부터 '연료전지 시스템(Fuel Cell System)'의 장기간 작동 및 유지 보수에 이르기까지, 포괄적인 '턴키 솔루션(Turnkey Solution)'을 제공하고 있다. 'FuelCell Energy(FCE)'의 'SureSource™' 발전소의 시설은 3개 대륙에 걸쳐 있으며, 수백만 메가와트의 초청정 전력을 생산하여 업계를 선도하고 있다.

8-3. 도요타(Toyota)

  1. 국적: 일본
  2. 특징: 세계 최초로 '3D fine mesh 분리판'을 적용하여 스택을 소형화

 '도요타(Toyota)'는 세계 최초로 '3차원 미세 메쉬 분리판(3D fine mesh Seprator)'을 적용하여 '스택(Stack)'을 소형화하였다. 운전장치의 부피와 가격을 저감시키기 위해 가습기를 제거하고 '수분 평형(Water Balance)'를 위해 '수소 재순환 블로워(Hydrogen Recirculation Blower)'를 탑재시키는 기술을 확보하였다.

8-4. 혼다 기연공업(Honda Motor)

  1. 국적: 일본

 '혼다 기연공업(Honda Motor Company)'은 2013년 7월, 'GM(General Motors)'과 '차세대 연료전지 시스템'과 '수소 저장 기술' 개발을 위한 공동 개발 협약을 진행하였다. '혼다 기연공업'은 2010년에 수소연료전지차 'FCX 클라리티' 콘셉트를 선보인 바 있으며, 이를 꾸준하게 발전시켜 2015년 '도쿄 모터쇼(Tokyo Motor Show)'를 통해 수소연료전지차 '클라리티(Clarity)'를 공개하였다. 2016년부터 일본을 시작으로 본격 판매에 돌입하였다.

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8-5. 파나소닉(Panasonic)

  1. 국적: 일본
  2. 설립: 1935년

 '파나소닉(Panasonic)'은 2009년 5월 세계 최초로 천연가스 개질 방식의 가정용 연료전지 시스템 '에너팜(Ene-farm)' 판매를 개시한 이후 '내구성 향상', '컴팩트화', '고효율화', '비용 저감' 등을 통해 2018년 6월 기준 누계 생산 대수 14만 대를 돌파하였다. 2016년에는 '에너팜'을 통해 얻은 연료전지 관련 기술 및 노하우를 활용해 '시즈오카형 수소타운 프로젝트'에 참가, '순수소 연료전지 시스템(Pure Hydrogen Fuel Cell System)' 개발 및 실증에도 나섰다. 주로 수소충전소 상업시설 등에서 활용될 것으로 보이며, 2021년 '순수소 연료전지 시스템(Pure Hydrogen Fuel Cell System)' 제품화를 목표로 하고 있다.

8-6. 아이신 코퍼레이션(Aisin Corporation)

  1. 국적: 일본
  2. 설립: 1965년 8월 31일
  3. 특징: '주요 부품(스택, 개질기, 탈황 장치 등)'의 최적화, 부품의 생산 공정 개선, 가격 저감 개발에 주력

 '아이신 코퍼레이션(Aisin Corporation)'은 '파워트레인(Powertrain)', '샤시(Sash)', '차량 안전 시스템', '차체(Car Body)', 'ICT & 전자' 등 자동차 부품 제조 판매 사업을 영위하고 있다. '아이신 코퍼레이션'은 자동차 부품 기술을 활용하여 '가스 엔진(Gas Engine)'에 의한 '가정용 열병합 발전 시스템', '가스 히트 펌프 에어컨(Gas Heat Pump Air Conditioner)' 등을 공급하고 있다. '아이신 코퍼레이션'의 '가정용 열병합 발전 시스템'은 발전 시 발생하는 열을 급탕이나 난방에 이용하는 '에너지 절약 시스템'으로, 발전 효율이 높은 '고체 산화물 연료전지(SOFC)'를 채용한 '가정용 연료전지 열병합 발전 시스템'과 '가스 엔진'에 의한 '가정용 가스엔진 열병합 발전 시스템'의 2종류의 유닛을 구비하고 있다.

8-7. 발라드 파워 시스템즈(Ballard Power Systems)

  1. 국적: 캐나다
  2. 설립: 1979년

 '발라드 파워 시스템즈(Ballard Power Systems)'는 1979년에 'Geoffrey Ballard', 'Keith Prater', 'Paul Howard' 등이 고에너지 리튬 배터리의 연구개발을 수행하기 위하여 설립한 업체로, 캐나다 '버너비(Burnaby)'에 본사를 두고 있다. '발라드 파워 시스템즈(Ballard Power Systems)'는는 '헤비 듀티 모듈(중형 차량용 FCveloCity® motive modules)', '연료전지 스택(FCgen®, FCvelocity®)', '백업 전원 시스템(FCgen®-H2PM)' 등의 연료전지 발전 제품을 고급하고 있다. '발라드 파워 시스템즈'의 모듈형 'FCveloCity®' 플랫폼은 30kW에서 200kW에서 '지게차', '버스', '경전철' 등에 낮은 수명주기 비용을 최적의 성능을 제공하는 솔루션이다.

8-8. SFC Energy AG

  1. 국적: 독일
  2. 설립: 2000년 2월

 'SFC Energy AG'는 '정치형(Stationary)' 및 '휴대용(Portable)' 발전 시장에 '하이브리드 솔루션(Hybrid Solution)'을 제공하는 선도업체이다. 'SFC Energy AG'는 현재까지 41000개 이상의 연료전지를 판매하는 주요 연료전지 공급업체로, '청정에너지', '모바일', '방위 및 보안', '석유 및 가스', '산업용 시장'에서 다양한 애플리케이션을 제공한다. 'SFC Energy AG'는 독일 Brunnthal/Munich'에 본사를 두고 있으며, '네덜란드', '루마니아', '캐나다'에 생산시설을 운영하고 있다. 'SFC Energy AG'의 '전기 발전기' 및 '완전 통합형 에너지 솔루션'은 싱가포르에서 남극에 이르기까지 전 세계적으로 사용되고 있으며, '전력 솔루션'은 '측정 및 조기 경보소', '방위 애플리케이션', '교통 모니터링 시스템', '이동식 주택', '요트' 등을 위한 전기에너지를 제공한다.

8-9. 포스코에너지(POSCO ENERGY)

  1. 국적: 한국
  2. 분야: 발전용

 '포스코에너지(POSCO Energy)'는 MCFC 연료전지 발전 시스템을 국산화·상용화 완료하여, 2012년 세계 최대 규모인 100MW/년 생산설비 시설을 구축하였다. 2008년에 'BOP 공장(BOP Factory)', 2011년에 '스택 공장(Stack Factory)', 2015년에 '셀 공장(Cell Factory)'을 완공하여, '용융탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)' 제조공정의 100% 국산화를 달성하였다. '포스코에너지'는 연료전지 발전 시스템의 '기술 개발', '제조',' 설치', '시공', '유지 보수' 등 '토털 솔루션(Total Solution)'을 제공하고 있다.

8-10. 미코(Mico)

  1. 국적: 한국
  2. 분야: 발전용
  3. 설립: 1996년

 '미코(Mico)'는 반도체 장비 부품·소재 분야에서 첨단 세라믹 기술력을 확보한 기업이다. 2008년부터는 신사업 창출을 위해 '고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell)' 기술 개발을 추진해, 국내 유일의 '고체 산화물 연료전지(SOFC)' 부품 소재부터 시스템까지 기술력을 갖춘 전문 기업이다. 2015년에는 시스템의 핵심부품인 '스택(Stack)' 제조 기술을 확보하여, 스택 '큐브파워(QubePower)'를 출시하였다. 또 '미코'사의 자체 기술로 개발한 2kW급 SOFC 시스템인 '투시(TUCY)'가 2018년 9월에 한국안전공사 가스기기인증 'KGS AB934'을 획득한 바 있다.

8-11. 두산 퓨얼셀

  1. 국적: 한국
  2. 분야: 발전용, 주택·건물용

 '두산 퓨얼셀'은 발전용 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)' 산업의 개척자로, 2014년에 주택용 연료전지 업체인 '퓨얼셀 파워(Pure Cell Power)'를 합병한 뒤, 미국 '클리어엣지파워(CEP: ClearEdge Power)'를 인수하면서 '연료전지(Fuel Cell)' 발전시장에 진출하였다. '두산 퓨얼셀'은 '인산염 연료전지(PAFC: Phosphorus Acis Fuel Cell)' 기술 기반 글로벌 1위 발전 사업자로 '스택(수소와 산소를 결합해 에너지를 생성하는 장치)'을 포함해 '연료전지 시스템(Fuel Cell System)' 전체를 만들고 있다.

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8-12. 에스 퓨얼셀(S-Fuelcell)

  1. 국적: 한국
  2. 분야: 주택·건물용
  3. 설립: 2014년

 '에스 퓨얼셀(S-Fuelcell)'은 국내 건물용 연료전지 시스템 1위 사업자로, 시장 점유율은 약 60~70%로 파악된다. 2018년 기준 부문별 매출 비중은 '1~10kW급(아파트·빌딩 등 건물용 연료전지)'이 66.3%, '100kW급(전력계통에 연결하여 전력 발전을 목적으로 하는 발전용 연료전지)'이 31.7%, '기타' 2% 등이다.

 2019년에는 '지스퀘어 개발사업(1월)', '제주 드림타워 신축공사(3월)', 'KT 송파지사 개발사업(5월)' 등 대형 프로젝트 수주가 잇따랐다. 향후 건물 및 발전용 시장뿐 아니라 '선박(Vessel)', '드론(Drone)', '전기 지게차' 등 연료전지 적용분야를 다변화할 것으로 기대된다.

8-13. 현대자동차

  1. 국적: 한국
  2. 분야: 수송용
  3. 특징: 2013년 세계최초 '수소전기차(FCEV)' 양산 성공

 '현대자동차'는 2013년 세계 최초로 '수소전기차' 양산에 성공한 이후, 2013년부터 '연료전지 자동차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)' 연간 생산 규모 1000대의 준양산라인을 세계 최초로 구축하였으며, 향후 생산 규모를 연간 10000대 이상으로 계획하고 있다.

 현대차는 2018년 차세대 수소전기차 '넥쏘(NEXO)'를 출시하였다. '현대자동차'의 '수소전기차(FCEV)'는 수소가 탱크 외부로 새어 나오지 않는 '내투과성', 차량 화재 발생시 탱크가 폭발하지 않는 '내화염성', 주행 중 충돌 사고 등에도 탱크가 안전한 '내충격성' 등 주요 안전항목뿐 아니라, 국내는 물론 유럽을 넘어 가장 가혹하다는 '국제연합(UN: United Nations)'의 세계 통합 규격까지 만족시키고 있다.

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