연료전지는 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생시키는 발전장치로 기존 화력발전 대비 이산화탄소의 감소가 약 40%, 에너지 사용량의 약 26%를 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 전 세계적으로 연료전지는 2010년 기준 누적 75,000대 이상 공급됐으며 2010년 발전용(주택, 건물용 포함), 휴대용 및 수송용 연료전지시스템 등에 약 30,000대가 보급됐다.



연료전지의 기본구성은 연료극과 전해질 층, 공기극으로 접합된 셀(cell)이며, 다수의 셀을 적층하여 스택을 구성해 원하는 전압 및 전류를 얻는다. 일반적으로 연료전지 기본 셀에서 전기를 발생시키기 위해 수소가스를 연료극쪽으로 공급하면 수소는 연료극의 촉매층에서 수소이온(H+)과 전자(e-)로 산화되고, 공기극은 공급된 수소와 전해질을 통해 이동한 수소이온과 외부 도선을 통해 이동한 전자가 결합해 물을 생성시키는 산소환원 반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성해 전기가 발생하는 것이다.

연료전지의 종류
연료전지는 전해질의 종류에 따라 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)와 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC), 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC) 등으로 구분된다. 다양한 종류의 연료전지는 작동온도에 따라 다시 고온형과 저온형으로 나뉜다. 고온형 연료전지인 MCFC와 SOFC는 650 ℃ 이상의 고온에서 작동하며 백금을 전극으로 사용하는 저온형 연료전지와 달리, 전극촉매로 니켈을 비롯한 일반 금속촉매를 사용할 수 있다는 장점을 가진다. 고온형 연료전지는 발전효율과 고출력을 갖지만 시동 시간이 오래 걸리기 때문에 발전소나 대형건물 등에 적합하다.
저온형은 PAFC와 PEMFC, DMFC는 200 ℃ 이하에서 상온에 이르기까지 구동될 수 있으며, 고온형과 달리 시동 시간이 짧고 부하변동성이 뛰어나다. 하지만 고가의 백금 전극이 필요하다.

연료전지의 특징
기존 발전 방식은 연료의 에너지로부터 전기를 얻는 과정에서 열과 운동에너지를 포함해 여러 곳에서 에너지 손실이 발생했다. 하지만 연료전지의 전기발전효율은 운전 장치 사용전력이나 열 손실 등을 감안해도 30 ~ 60% 이상이며, 열병합발전까지 고려하면 전체 시스템 효율은 80% 이상이다. 또한 수소와 산소를 이용해 전기를 발생하기 때문에 화력발전 등과 같은 연소과정도 없다. 오직 전기와 물, 열만이 발생할 뿐이다.
현재는 천연가스나 석탄 등의 화석연료에서 수소를 얻고 있으나 앞으로 풍력, 태양광 등의 대체에너지를 사용해 수소를 얻는다면 이산화탄소와 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 배출이 전혀 없는 무공해 에너지 시스템으로 자리매김할 것으로 예상된다. 이 밖에도 연료전지는 모듈 형태로 제작이 가능해 발전규모를 늘리거나 줄일 수 있고, 장소의 제약도 적다.
한국과학기술연구원의 임태훈 연구원은 “연료전지는 디젤엔진이나 가솔린 엔진처럼 출력 규모가 클수록 발전효율이 높아지는 것과 달리, 출력크기에 상관없이 일정하게 높은 효율을 가질 수 있다”며 “규모에 따른 에너지 전환 효율의 변화가 크지 않아 소형에서도 높은 에너지 전환 효율을 기대할 수 있어, 수 W급에서 수십 MW급까지 다양한 용도로 사용이 가능하다”고 말했다.

시장규모
SBI energy research가 발표한 자료에 따르면 연료전지 세계 시장규모는 2010년 약 5.89억 달러에서 2014년 12.2억 달러로 연간 20%의 성장률을 달성할 것으로 예상했다. 또한 후지경제(2011년)는 연료전지가 2020년 130억 달러, 2025년에는 약 650억 달러의 시장규모로 성장할 것으로 내다봤다. 특히 자동차용 연료전지 분야는 약 308억 달러 규모로 큰 성장이 예상되며 가정용은 164억 달러, 산업 및 업무용 연료전지시스템은 106억 달러로 전망했다. 가정용 연료전지는 일본을 선두로 상업화 단계에 진입했으며, 발전용 연료전지, 특히 MCFC는 정부 지원제도 아래 시장진입 단계다.
수송용 연료전지는 유럽과 일본, 국내 자동차 제조업체를 중심으로 2015년 시장 진입이 시작될 것으로 예상된다. 국내는 주요 발전사업자를 대상으로 신재생에너지를 일정부분 생산해야 하는 RPS(renewable portfolio standard)가 본격 시행되는 2012년부터 한전 등 발전사의 연료전지 도입이 증가할 것으로 예측된다.
2013년 우리나라의 연료전지 시장은 약 137만 달러 규모로 예상되며, 응용분야는 발전용이 70%를 차지할 것으로 예측된다. 또한 연료전지 종류별로는 분산발전용 MCFC와 건물용 PEMFC가 전체수요의 대부분을 차지할 것으로 전망된다. 업계 관계자는 “연료전지는 각국의 정책 및 발전 전략, 지원 등을 통해 성능향상과 비용절감 등의 경제성을 고려해 조기상용화가 진행된다면 거대 시장으로 성장할 것으로 예상된다”며 “중장기적으로 성능 한계를 획기적으로 향상한 연료전지 개발을 통해 새로운 시장을 창출하기 위한 노력이 필요하다”고 말했다.






분산발전용 연료전지
분산발전은 수백 kW부터 수십 MW까지의 전력을 소비처에서 생산/발전하는 방식으로 중앙집중식발전에 대응한다. 또한 원거리 송전에 따른 5 ~ 8% 정도의 송전 손실을 막을 수 있고, 수요 특성에 맞춰 발전 방식을 제공할 수 있어 앞으로 보급이 크게 기대되는 발전 방식이다. 미국은 Fuel Cell Energy와 UTC Power가 상업 판매를 하고 있으며 우리나라는 2005년 정부 지원 하에 250 kW MCFC 시스템이 설치되기 시작했다. 또한 포스코에너지는 발전 차액제 및 RPS 제도 같은 정부 지원책에 힘입어 현재 전국 17개소에서 총 27기(51.2 kW)를 가동 중에 있다. RPS가 본격 시행됨에 따라 연료전지 발전의 수요도 증가해 2013년까지 약 130 MW가 추가로 건설될 예정이며 국내시장 규모도 연 3,000억 원을 상회할 전망이다. 앞으로 발전용 연료전지는 시장이 본격적으로 형성될 2015년을 전후로 폭발적으로 성장해 2020년 세계시장 규모는 80억 달러에 이를 것으로 전망된다.

건물용 연료전지
건물용 연료전지 시스템은 연료전지를 차세대 주택용 동력원으로 개발되어 도시가스나 LPG 등의 연료에서 추출한 수소와 공기 중의 산소 간 화학반응을 일으켜 전기와 열에너지를 생산하는 열병합 발전장치이다. PEMFC를 사용한 가정용 연료전지의 전기효율은 35%로 상당히 높은 수준이며, 전기 생산 과정에서 발생하는 폐열로 난방과 온수까지 해결하는 열병합 시스템까지 적용하면 80% 이상으로 상승한다. 건물용 연료전지는 열병합 발전이나 비상전원으로 2008년 상용화가 시작됐고 최근에는 가격저감, 대량생산설비 구축과 함께 표준화가 진행 중이다. 국내 건물용 연료전지 시장은 초기 형성 단계로 규모가 미미한 수준이지만, 정부 정책 및 기술개발에 따라 2015년 이후 시장규모가 확대될 것으로 예측된다. 1 kW 급의 경우, 2006년부터 국책사업으로 진행된 ‘가정용 연료전지 모니터링 사업’으로 총 210기(1차 40기, 2차 70기, 3차 100기) 설치/운영 중이며, 그린홈 보급사업 및 신재생에너지 시범보급 사업(2010∼2011)을 통해 2011년 10월 말 기준 345기가 시범 보급되어 일반 건물 및 시설물 등에서 설치/운전 중이다. 향후 그린홈 100만호 보급 사업을 통해 2010년 200대 규모의 가정용 연료전지 시범보급을 시작으로 2015년 2만대, 2020년까지 그린홈 10만호 등으로 보급 확대될 전망이다.




수송용 연료전지
수송용 연료전지는 수소를 연료로 전기를 발생시켜 차량을 구동시키는 시스템이다. 탈석유 시대에 유력한 대안이며 에너지 사용량 및 탄소 배출량을 줄여 도심 환경 개선에 크게 기여한다. 오늘날 친환경차로 디젤차와 하이브리드차, 배터리차, 연료전지차가 개발되고 있으나 궁극적으로 미래 자동차산업은 연료 전지차와 전기차가 주도하고, 근거리용 전기차와 원거리용 연료전지차가 공존할 전망이다. 전기차는 2011년부터 상용화가 진행됐으며, 연료전지차는 2015년경에 상용화될 전망이다. 우리나라는 2006년 8월 제1차 연료전지차 모니터링 사업에 착수해 수도권, 제주권, 충청권, 전라권, 경상권 등 5개 지역에서 승용 연료전지차 30대와 연료전지버스 4대를 운행했다. 이는 2010년까지 진행되어 누적거리 130만km를 주행하는 성과를 거뒀다. 또한 2010년 말부터 제 2차 모니터링사업을 실시해 수도권과 울산지역을 중심으로 연료전지차 100대, 수소충전소 13곳이 실증에 참여하고 있다. 특히 잉여수소를 기반으로 수소 공급망이 검토되고 있으며, 이제까지의 실증사업의 결과로 120,000 km의 내구성과 영하 20 ℃ 시동 등의 성과를 달성됐다. 2015년 본격적이 상용화가 시작되면 국내에서는 현대자동차를 중심으로 리스 형태로 일반인에게 연료전지차를 보급할 예정이다. 연료전지 자동차 시장은 2015년 이후 본격적으로 형성되어 2020년에는 세계 시장 34조, 국내시장 8천억 원 규모에 이를 것으로 전망된다.



보급현황
발전용 연료전지 분야는 2009년 ~ 2011년에 시행됐던 발전차액제 및 2012년부터 시행된 RPS 제도에 힘입어 수백 kW에서부터 수 MW급의 연료전지 발전소가 속속 건설 운영되거나 건설 중에 있다. 특히 2012년부터 시행되는 RPS 기준치를 맞추기 위해 우리나라의 신재생에너지 시장은 2016년까지 매년 350 MW, 2017년 ~ 2022년까지는 약 700 MW의 새로운 시장이 발생할 것으로 예상된다. 즉 2012년부터 향후 10년간 총 55조원에 달하는 시장이 열리는 것이다. 물론 타 신재생에너지원과 경쟁으로 섣불리 예측할 수 없지만, 셰일가스 등의 보급으로 인한 가스값 하락 및 안정적 전기 공급이라는 연료전지의 장점이 맞물려 2013년부터 본격적으로 증가할 것으로 전망된다. 특히 RPS 제도에서 연료전지는 발전 가중치를 2를 받음으로써 그 경쟁력을 한층 높일 수 있다. 이에 따라 한국수력원자력 등 발전회사에서 용융탄산염연료전지 기반의 발전소 도입을 확대하고 있다. 국내는 1 kW급 가정용 연료전지의 보급이 그다지 활성화되지 못하여 10 kW급 내외의 건물용 수요 창출을 위해 연료전지 개발사가 힘을 쏟고 있다. 수송용 연료전지는 수소 인프라 구축 및 연료전지차 가격 문제 등으로 아직 실증사업 이외엔 실질적인 보급이 이뤄지지 않고 있다. 하지만 리스 형태로 본격적인 시장진입이 시도되는 2015년부터는 매우 빠른 속도로 시장이 확대될 전망이다. 연료전지의 초기 보급은 공공기관부터 시작되어 점차 일반인에게까지 확대될 것이며, 수소충전소 건설 및 운영이 용이한 버스 혹은 택시를 중심으로 초기시장이 형성될 가능성이 크다.




2015년 기점으로 빠른 성장
연료전지 시장은 2015년을 기점으로 빠른 성장세를 지속할 것으로 예상된다. 국제에너지기구에 의하면 2030년까지 지구의 온도 상승을 2 ℃로 억제하기 위해서 2030년 기준(세계경제 연평균 3.3% 성장 지속 가정)으로 약 140억 톤의 이산화탄소 감축이 필요하며 이중 57%는 에너지 절약을 통해 해결해야 할 것으로 내다봤다. 또한 이를 위해서는 2030년까지 발전설비와 에너지 절약설비에 약 9조 달러의 투자가 필요할 것으로 예상했다.
에너지 절약 및 온실가스 감축을 위한 각국의 규제 및 정책 지원 강화도 연료전지 경쟁력 확보에 직간접적 도움을 제공할 전망이다. 국가별로 차이는 있으나 신재생에너지에 대한 R&D 지원에서부터 관련 설비 구매 시 보조금 지원, 신재생에너지 발전차액지원제도, 신재생에너지 의무할당제, 수소에너지 인프라 구축 지원, 대형 에너지 이용시설 에너지효율 규제(상업용 건물, 선박, 공장) 등 다양한 제도가 시행되고 있거나 실시될 예정이다.  ES

 

국토부, 수소연료전지차 안전기준 마련 수소연료탱크 제조·장착기준 행정예고 친 환경 ‘수소연료전지자동차(FCEV)’생산을 위한 안전기준이 마련돼 양산체제 운영에 가속도가 붙을 전망이다. 국토교통부는 양산체제가 완료된 수소연료전지차의 생산이 가능하도록 수소연료탱크 제작ㆍ장착기준 등을 마련하는 ‘자동차용 내압용기 안전에 관한 규정’ 개정안을 행정예고한다고 밝혔다. 국토부는 2006년부터 FCEV의 구조ㆍ장치와 연료탱크에 대한 안전성 평가기술을 교통안전공단과 가스안전공사에 맡겨 개발했으며 그 성과물을 이번 기준 마련에 활용했다. 또한 자동차 안전기준 조화포럼(UN WP29)의 ‘자동차 세계기술규정(GTR)’에 국내 수소차 안전성 연구ㆍ개발결과가 반영됐으며 UN WP29는 연내 수소차의 안전기준을 마련할 예정이다. 국토부는 압축수소가스 연료탱크는 70 MPa의 고압으로 충전되기 때문에 안전성 확보를 위해 설계와 생산단계에서 총 41개 항목의 안전시험을 거치도록 했다. 수소연료탱크는 설계단계에서 샘플 용기를 제작해 23개 항목, 생산단계에서는 18개 항목의 안전성 시험을 실시해야 한다. 또한 연료탱크와 부속품을 차량에 장착하는 경우에도 장착위치, 가스누출ㆍ부식ㆍ흠 등 결함을 사전 확인하도록 했다. 앞으로 국토부는 친환경 수소 연료전지차의 양산과 해외 수출을 지원하기 위해 올해 이뤄지는 UN WP29의 자동차 세계기술규정(GTR) 중 ‘수소차 안전기준’ 제정에 적극 참여할 계획이다. 한편 현대차는 지난 2월 자동차 업체 중 세계 최초로 울산 공장 내에 수소 연료전지차 전용 생산 공장을 구축했다.