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News/전기차-연료전지

수소연료전지 빛을 보는 이유: 2020년 수소연료전지 사업 전망과 해결점

by R.E.F. 16기 김미림 2020. 5. 25.

수소연료전지 빛을 보는 이유: 2020년 수소연료전지 사업 전망과 해결점

17기 강하은, 16기 김미림, 17기 손예지 

 

우리 지구를 살릴 수 있는 대체 에너지, ‘수소에너지’

   인류의 산업 활동에 필수적인 에너지는 그 사용량이 계속하여 증가하고 있다. 그러나 지구상의 화석연료 자원은 한정적이며, 자원의 생성 속도보다 10만 배 이상 빠른 소비 속도로 인해 세계 에너지 시장은 점차적으로 불안정해지고 있다.

 

[자료 1. 전 세계인이 특정국가처럼 자원 소비할 경우 필요한 지구 개수 ]

출처 : 지구생태발자국네트워크

   지구생태발자국네트워크(이하 GFN)에서는 전 세계인이 특정 국가만큼 자원을 사용하게 될 경우 필요한 지구의 개수를 나타낸 지표를 만들었다. 그중 자원 소비가 가장 큰 나라는 호주이다. GFN는 “전 세계인이 2030년까지 현재의 호주처럼 생활할 경우 이를 감당하려면 5.4개의 지구가 필요하다”라는 연구 결과를 발표했다. 2위는 미국으로 4.8개의 지구, 공동 3위는 한국·스위스·러시아로 각각 3.3개의 지구가 있어야 해당국의 소비를 감당할 수 있다. 이는 비교를 위한 상대적 수치이며, 이를 국가 면적 대비 1인당 소비량으로 나타내면 가장 소비가 큰 나라는 우리나라다. 이러한 소비가 지속될 경우 에너지 자원은 점점 한계에 다다르게 되고 화석 에너지에 의한 기후변화 문제 또한 더욱 심각해질 것이라는 전망이다.

   이때 수소 에너지는 궁극적으로 인류가 당면한 에너지 및 기후변화 문제를 동시에 해결할 수 있는 대체 에너지 자원이다. 수소는 지구에서 가장 많이 존재하는 물에서 얻을 수 있어 자원의 제한이 없고, 연료로 사용한 후에도 물로 돌아가므로 생태학적으로 안정적이고 친환경적인 에너지원이기 때문이다. 그러나 아직까지 화석연료를 직접 사용하는 것보다 수소에너지를 이용하는 것은 에너지 효율이 낮아 경제적이지 못하다. 이러한 수소에너지의 문제점을 극복하고 앞으로 시대를 이끌어갈 기술이 바로 ‘수소연료전지’이다.

 

수소에너지 시장을 선도할 ‘수소연료전지’ 기술

   수소연료전지는 수소에너지 경제에서 대체에너지의 불안정한 공급 문제를 경제적으로 조절하고 보완할 수 있는 에너지 기술이다여기에서 연료전지(Fuel Cell)란 수소를 연료로 하여 전기에너지로 전환하는 기술로, 물의 전기분해반응의 역반응을 이용해 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어내는 전기화학기술이다아래 그림은 수소연료전지의 원리를 나타내며 이에 해당하는 화학 반응식은 다음과 같다.

[자료 2. 수소연료전지의 원리]

출처: 두산모빌리티이노베이션

[자료 3. 수소연료전지 화학반응식 ⓒ강하은]

   연료전지에서는 전기에너지와 열에너지가 동시에 발생한다. 연료전지의 기본 구성은 양극, 음극, 전해질이 접합된 셀이며 다수의 셀을 쌓아 스택을 만들어 원하는 전압과 전류를 얻는다. 일반적으로 연료인 수소를 음극에 공급하면 수소는 수소이온(2H+)과 전자(2e-)로 산화된다. 그리고 양극에서는 산소(O2)와 전해질을 통해 이동한 수소이온(2H+)과 전자(e-)가 결합하여 물(H2O)을 생성시키는 환원반응이 일어난다. 이 과정에서 전자의 외부 흐름이 전류를 형성하여 전기를 발생시키게 된다.

[자료  4. 연료전지와 기존 방식 비교표]

출처 : 전기화학 판서

 

위 표는 연료전지와 기존발전 방식을 비교한 표이다. 이를 바탕으로 연료전지의 특징을 정리하면 다음과 같다.

(1) 높은 발전 효율

열역학적으로 화석연료는 전기에너지를 얻기까지 다양한 운동에너지 및 위치에너지 손실과 마찰손실을 포함한 여러 수두차가 발생하여 효율이 낮다. 그러나 연료전지의 전기발전 효율은 열 손실과 부품 손실을 고려하여도 기존 화석연료보다 효율이 높다. 연료전지는 연료의 연소과정과 열에너지를 기계적 에너지로 변환시키는 과정이 없기 때문이다. 일반적인 가솔린, 가스 엔진의 경우 출력 규모가 작으면 발전 효율이 감소하는 특징이 있으나 연료전지의 경우 출력 크기에 관계없이 일정한 효율을 가지는 것 또한 이점이다.

(2) 설치의 용이성

건설기간이 기존 화석연료보다 현저히 짧고 환경에 유해한 가스를 발생시키지 않기 때문에 도심지역에서도 발전시설 건설이 가능하다. 따라서 전력의 요구조건에 따라 산간지역, 섬지역 등 기존 화석연료 단지가 들어서기 어려운 조건에서도 독립적인 설치 및 운전이 가능하다. 더불어 다른 발전에 비해 소요 면적이 작다.

(3) 전기와 열의 동시 생산

타 발전에서의 반응 과정에서 발생하는 열에너지는 에너지 손실을 크게 한다. 그러나 연료전지는 발생하는 열을 유효하게 이용하는 것이 가능하다. 이를 Cogeneration 시스템이라고 한다. 가정용 연료연지의 경우 투입한 도시가스 에너지의 40%가 전기, 40%가 증기에너지로 발현되는 뛰어난 장치로써 역할을 하게 된다.

(4) 친환경성

연료전지는 SOx와 NOx 등의 환경에 유해한 가스 발생이 거의 없다. 또한 이산화탄소의 발생량도 기존 내연기관보다 월등히 낮다. 연료전지 반응은 물의 전기분해 반응의 역반응 이므로 전체 반응에서 결과물은 물을 발생시키므로 무공해 친환경적인 특징을 가지는 기술이다.

(5) 기타

이외에도 연료전지는 소음공해가 적고 순수 수소 이외에 다른 발전 방식으로 수소를 생산할 수 있기 때문에 연료의 제한이 적은 특징이 있다.

다시 말해 연료전지는 높은 발전효율과 친환경성을 동시에 지니면서도 비교적 제약 없이 건설 및 이용이 가능하다는 특징이 있다.

국내외 수소연료전지 상용화 사례

   이처럼 수소연료전지의 기술적인 잠재성과 친환경적인 특성 덕분에 최근 수소연료전지의 상용화가 활발하게 늘어났다. 대표적인 첫 번째 사례는 수소차 상용화이다. 특히 서울시에서 이번에 수소차를 위한 여러 방안을 마련 중이다. 수소연료전지는 전기차의 배터리를 보완한 대표적인 수소전기차의 부품이다. 서울시는 최근 3월 31일 현대자동차와 ‘친환경 수소전기차 및 수소충전 인프라 보급 양해각서(MOU)’를 체결하며 수소전기차와 충전소 보급과 함께 서울 시내 수소 전기 버스를 정규 버스 노선으로 확대 운영하는 계획을 밝혔다. 그동안 수소차와 충전소 인프라 보급에 대한 협약들은 있었지만 대중교통 수소차를 위한 구체적인 협약은 이번이 처음이라 볼 수 있다. 서울시는 2018년 11월 21일부터 2019년 8월까지 서울 수소 전기 버스 405번을 시범운영한 사례가 있다. 위 기간 동안 수소 전기 버스를 135대 도입하였었다. 이번 2020년에는 2배 규모인 325대를 보급할 계획이다. 노선 또한 40개 노선으로 늘어난다. 수소차를 위한 서울시의 정책이 올해 더욱 구체적으로 자리잡고 있다.

[자료 5. 노을연료전지 발전소]

출처: 한국가스공사블로그

 

   서울시는 교통 분야를 넘어 수소연료전지 사업에 힘쓰고 있다. 서울시는 또한 연료전지 시민펀드를 진행해 왔다. 1호 ‘노을 연료전지 시민펀드’는 마포구 노을공원 내 수소연료전지 발전 사업에 시민이 직접 투자할 수 있도록 한 상품이다. 3년전 당시 판매 시작 1시간 30분 만에 조기 완판되었다. 1호 펀드가 20년 3월 4일에 전액상환하며 만기되었다. 다가오는 21년, 22년에도 2·3호 연료전지 시민펀드를 운영할 계획이다. 펀드 사업은 시민들의 신재생에너지에 대한 인식에 좋은 변화를 주었다. 또한 시민들의 투자금으로 건립된 발전소에서 창출된 수익을 시민들과 공유한다는 점에서 수소연료전지의 상용화를 위한 좋은 발걸음이라 볼 수 있다. 서울시 대기기획관은 “수소경제 정착을 위해 보다 다양하고 발전된 시민참여 모델을 만들어 나가겠다”고 말했다.

   서울시 뿐만 아니라 인천과 구미시도 최근 수소연료전지 발전소를 준공 계획하며 전국적으로 수소 사업에 대한 인식과 활용이 높아지고 있다. 인천은 PF 약정을 체결하며 2308억 규모의 사업비를 가지고 인천 연료전지 발전 사업을 진행한다.

   서울시와 함께 수소전기차, 수소 전기 버스 사업을 도모한 현대자동차는 수소연료전지 확대를 위한 새로운 사업들을 도모중이다. 최근 글로벌 아이돌 가수 방탄소년단과 함께 ‘글로벌 수소 캠페인’ 영상을 20년 지구의 날 4월 22일 유튜브 계정을 통해 발표하였다.

[자료 6. 현대자동차 ‘글로벌 수소 캠페인’ 방탄소년단]

출처 : 현대자동차 YouTube ' HyundaiWorldwide 계정

 

   위 영상에서는 ‘아름다운 대자연의 소중한 언어들’을 주제로 다음 세대에게 아름다운 자연을 물려주기 위해서 지속가능성이 중요하다는 메시지가 담겨있다. 영상 마지막에 현대자동차의 수소전기차인 ‘넥쏘(NEXO)’가 등장하며 ‘수소’와 현대자동차의 미래에 대한 비전을 밝힌다. 위 캠페인은 젊은 세대들에게 수소전기차 넥쏘와 함께 지구 환경에 대한 관심을 가지도록 유도하는데 성공하였다. 뉴욕 타임스퀘어에도 영상이 공개되었으며 미국 그래미 어워즈에 방탄소년단이 수소전기차 ‘넥쏘’를 타고 나타나며 전세계적으로 수소 캠페인과 현대자동차의 뜻을 밝혔다.

   현대자동차의 수소연료전지 기술은 해외에서도 그 위상이 높다. 20년 2월 미국 정부 에너지부와 함께 수소사회 구현을 위한 ‘기술혁신과 글로벌 저변확대’ 공동 협력을 진행하였다. 미국은 캘리포니아주 중심으로만 수소전기차가 보급되어 왔지만 이번 협약으로 미국 전역으로 보급되기를 바라고 있다. 현대차는 미국 에너지부에 수소전기차 ‘넥쏘(NEXO)’ 5대를 기증하고 워싱턴 DC에 수소충전소 구축을 지원하며 미국에서 수소연료전지가 원활히 보급될 수 있도록 힘쓰고 있다. 위 협약은 수소와 수소연료전지 기술의 글로벌 활용도를 높이는 것이 핵심이다. 이번 수소 협약 사업이 수소연료전지 기술 부분 상위자 현대자동차와 글로벌 영향력 최상 미국과의 만남으로 협업이 더 기대되는 이유다.

   또한 이번 산업통상자원부가 산업기술보호위원회의 심의를 거쳐 현대차의 수소연료전지시스템 기술 수출을 승인하였다. 수소연료전지 기술은 현대차를 비롯하여 극수소 기업만 보유하던 기술이라 이번 미국과 유럽에 수출하는 것으로 전세계 수소차 보급에 많은 기여를 할 것 으로 기대된다.

수소연료전지 소비시장 분석

   대규모의 재생에너지를 분산 및 저장할 수 있고 수소가 주요 에너지원으로 사용되는 경제를 통해 에너지 자립과 친환경 비율을 높일 수 있어 최근에 관심도가 많이 높아지고 있는 추세이다. 현재 수소연료전지에 대한 소비시장 분석을 통해 국내외에서 수소의 전망을 알아보고자 한다.

   국내에서는 수소경제 활성화 로드맵을 통해 정부가 2022년까지 수소차 6만7,000대, 수소충전소 310기를 보급한다는 목표를 제시했다. 지난해 기준으로 수소차 보급 목표는 달성하지 못했으나 최근 3년 사이 국내 수소차 보급이 45배 이상 증가한 것이다.

   한국자동차협회(회장 정만기)의 세계 수소전기차 판매 동향분석에 따르면 지난해 1월부터 10월까지 국내 수소차 판매는 3,207대로 한국은 세계 1위 수소차시장으로 부상했다. 현대차가 내수성장에 힘입어 전년동기대비 576% 증가, 세계수소차 시장에서 각국이 차지하는 비중도 한국이 52.4%로 세계시장을 한국이 주도하는 것으로 보인다. 확정된 올해 환경부 예산에 수소차와 수소버스 보급사업 예산 또한 증가하면서 앞으로 수소차의 수요가 크게 늘 것으로 전망된다고 밝혔다.

[자료 7. 전세계 수소전기차 판매현황(2015~2019년 10월)]

출처: 투데이에너지

   국내 수소연료전지에 대한 보급 계획도 예전에 비해 많이 증가하는 추세를 보이고 있다. IBK투자증권에 따르면,국내 2040년 발전용 연료전지는 15GW(48배), 가정∙건물용은 2.1GW(300배) 보급이 목표임을 나타내었다. 2019년 1월 발표된 한국 정부의 수소경제활성화 로드맵에 따르면 발전용 연료전지는 2018년 307.6MW(41개소)가 보급되었으며 중소형 LNG발전과 대등한 수준으로 발전단가를 하락시켜 중장기적으로 설치비 65%, 발전단가 50% 수준으로 하락을 목표. 중장기로는 2040년까지 15GW(내수 8GW)를 목표로 하고 있다고 밝혔다. 또한 가정∙건물용의 경우 2018년 7MW(3,167개소)가 보급되었고, 2022년과 2040년 보급목표는 각각 50MW와 2.1GW를 목표로 하고 있음을 확인할 수 있었다.

[자료 8. 국내 발전용 및 가정 연료전지 보급계획]

출처: IBK투자증

   다음은 글로벌 소비시장에 대해서 소개할 것이다. 일본 후지경제에 의하면 2030년 글로벌 연료전지 시장은 4조9,275억엔(약 50조원) 규모로 2017년 대비 28배 성장할 것으로 알려졌다. 지역별로는 한국, 중국, 일본 등 아시아 비중이 2018년 45%에서 2030년 58%로 절반 이상을 차지할 것으로 전망되었다.

   또한 2030년 글로벌 발전용 연료전지 시장은 19~38배 성장할 것으로 예측되고 있다. 글로벌 발전용 연료전지 시장은 2013년/2015년/2017년에 각각 215MW / 299MW / 670MW로 연평균 33% 성장하였고 글로벌 발전용 연료전지 시장규모는 2030년/2050년에 각각 12.7~25.4GW / 95GW로 연평균 7~11% 성장할 것이라고 알려졌다.

   2020년 대한민국 국내와 국외 글로벌 시장 모두 수소연료전지 사업에 박차를 가하고있다. 이를 통해 30년 까지의 글로벌 소비시장 연평균 성장이 그저 허황된 목표는 아닐 것이다.

[자료 9. 글로벌 발전용 연료전지 시장 규모 추이 및 전망]

출처 : IBK투자증권

수소연료전지의 한계점과 해결을 위한 연구

   다양한 장점을 지닌 수소연료전지는 반면 두 가지 큰 문제점을 지닌다. 원료로 쓰이는 수소는 가연성이 있고 가스 상태에서는 밀도가 낮아 용도에 맞도록 저장하기가 어려우며, 연료전지에 사용되는 촉매의 가격이 너무 비싸다는 점이다. 이 문제점을 해결하기 위한 국내외 연구 사례를 알아보도록 하자.

(1) 수소 저장을 위한 LOHC 기술 개발 및 활용

   수소연료전지의 큰 단점 중 하나라고 할 수 있는 수소의 낮은 저장밀도는 경제적인 대용량 저장과 장거리 운송을 어렵게 한다. 또한 수소를 저장하기 위한 인프라 구축을 위해 대규모의 투자가 필요하다. 이러한 수소의 문제점들을 해결하기 위한 방안이 바로 액상 유기화합물을 수소운반체 즉, LOHC(Liquid Organic Hydrogen Carrier)로 활용하는 것이다.

[자료 10. LOHC을 기반으로 한 저장 및 공급방식]

출처: 머니투데이

   여기에서 LOHC는 촉매 수소화 반응을 이용해 수소를 특수한 액체 화합물과 결합시키는 신개념 저장 기술이다. LOHC 기술의 중요 요소는 세 가지다. 첫째, 대용량 (질량 대비 6%이상)을 저장할 수 있어야 한다. 둘째, 수소를 액체에 넣어 장시간 저장하기 위한 안정성이 확보되어야 한다. 셋째, 수소를 저장했다가 다시 용액으로부터 꺼낼 때의 탈수소화 반응의 효율이 높아야 한다.

   LOHC 기술을 활용할 경우 가장 큰 장점은 ‘큰 부피’와 ‘높은 무게’ 부분에서의 저장 밀도가 탁월하다는 것이다. 예를 들어, 수소 전기차 1대당 약 5kg의 수소를 충전한다고 하면, 부피를 갖는 LOHC는 수소전기차 10대 이상을 충전할 수 있는 수소를 저장할 수 있게 된다. 또한 수소저장(수소화 반응) 및 수소방출(탈수소화 반응)을 반복할 수 있어 효율성이 크고 현재의 가솔린 인프라를 그대로 사용할 수 있어 대규모 수소저장과 운송이 가능하다.

   현재 LOHC 기술은 전 세계적으로 활발한 연구 중에 있다. 국내에서는 한국화학연구원(원장 김성수)는 박지훈 탄소자원화연구소 박사팀이 서영웅 한양대 교수팀, 한정우 포항공대 교수팀과 공동으로 수소저장체기술(LOHC)의 핵심이 되는 액체 물질을 국산화하는데 성공했다고 밝혔다. 이는 초고압으로 압축해 저장하는 수소의 폭발 위험성을 줄여주는 역할을 한다.

   또한 국내 연구진들은 기존보다 성능이 좋은 수소 저장용 액체 물질 'MBP'를 개발했다. 해외 기업의 물질은 270도가 넘는 열을 가해야 수소를 분리할 수 있는 것에 비해, MBP는 230도에도 수소 분리가 가능하다. 또한 질소 원자를 포함한 고리형 화합물을 MBP에 첨가하여 성능을 높였는데 이 결과, 수소를 2배 이상 빠른 속도로 공급할 수 있게 되었고 분리 공정비용도 낮출 수 있게 되었다.

[자료 11. 연구팀이 개발한 액상 유기물 수소 저장체와 수소 저장·공급 반응 촉매 화학 공정]

출처: etnews

   일본, 독일, 미국 등의 해외에서도 LOHC 연구개발에 집중하고 있다. 대표적으로 일본과 독일의 사례를 소개하고자 한다. 일본 치요다화공건설 기업에서는 톨루엔 메틸시클로헥산(MCH)을 이용하여 수소 분리 및 저장 방법을 개발하고 있다. 이를 바탕으로 정부는 LOHC를 통한 ‘수소공급망에 대한 국가적 로드맵과 전략’을 수립해 MCH를 이용한 수소 연료 활용 방안을 진행 중이다. 독일 하이드로지니어스 기업에서는 LOHC를 활용해 대량의 수소를 저장하는 시스템을 개발하였다. 약 6.2wt% 및 57kg.H2/ 의 수소저장용량을 뜻한다. 하이드로지니어스는 ESS와 수소전기차 충전소에 접목시는 등 큰 용량의 LOHC 기술을 활용하겠다고 밝혔다.

(2) 효율성 증가를 위한 촉매 연구

   기존의 값비싼 촉매의 가격으로 문제를 겪고 있는 수소연료전지는 재료 및 기능을 바꾸어 효율성을 증대시켰다. 국내 사례부터 살펴보자.

   김광수 포스텍 교수팀은 DNA와 그래핀이 결합된 하이브리드 물질을 개발, 기존 촉매보다 훨씬 작은 백금입자를 더 촘촘히 표면에 붙여 반응 표면적을 늘림으로써 촉매 성능을 높이는 데 성공했다고 밝혔다. 연구팀은 DNA와 그래핀으로 만든 하이브리드 물질에 1나노미터(㎚) 크기의 백금입자를 균일하게 분산시킨 복합체 물질을 합성했다. 입자들은 작을수록 서로 뭉치려는 경향이 있는데 백금이온이 DNA 사슬의 염기들과 강하게 결합하는 성질을 이용하였다. 이를 통해 초기 성능의 95%를 유지, 상업용 백금나노입자(50%)에 비해 훨씬 우수한 결과를 만들었다.

[자료 12. 백금 나노입자 – DNA – 산화그래핀 복합물질 모식도]

출처: HELLODD

   경북대 화학과 최상일 교수팀과 고려대 화학과 이광렬 교수팀은 공동연구를 통해 백금-니켈 나노 멀티프레임 촉매를 개발했다. 연구팀은 백금 양을 줄이면서 높은 성능을 보이는 백금-니켈 합금 합성법을 시도했고, 합금 성분의 성장 속도를 미세하게 조절해 백금-니켈의 합금 나노입자 내부가 다공성 구조를 가지는 촉매를 얻었다. 개발된 촉매는 표면적이 넓고 고체 결정성이 높아 기존의 백금 촉매보다 뛰어난 성능을 보이며, 장시간 반응에도 안정성을 유지한다. 또한, 비싼 백금 함량을 줄여 연료전지 제조 단가를 낮춰 경제성을 확보했다.

[자료 13. 백금-니켈 나노 합금 촉매]

출처: DREAMUSN

   국외적으로는 호주의 사례가 있다. 호주 연구팀은 값싸고 고성능의 전기 촉매를 만들기 위한 연구를 진행했다. 그 결과 진공 상태에서 단일 산화 티타늄 결정을 만들 수 있었다고 보고했다. 진공 상태가 되면 재료 표면에 존재하는 모든 산소 원자를 제거할 수 있어 결과적으로 전도성이 좋고, 견고하며, 효율성이 좋고, 값싸고 생산도 쉬운 촉매 재료가 될 수 있다는 특징이 있다.

 

결론 : 바로보는 수소에너지, 수소연료전지의 전망

현재 국내 연료전지 기술 운영 사례

[자료 14. 현재 국내에서 운전 중인 각종 연료전지 시스템 ⓒ강하은]

   현재 국내 연료전지 사업은 다양한 분야에서 응용되어 운영되고 있다. 소형 전자기기의 충전을 위한 휴대용 시스템과 가정용 연료전지 시스템은 활발히 연구되고 있으며 실제로 판매 중인 상품이다. 수소 연료를 이용하는 연료전지 자동차는 유독한 배기가스를 전혀 배출하지 않는 친환경 자동차 (ZEV, Zero emission vehicle)로써 도로 주행을 통해 내구성을 시험하는 등 안전성을 확보하였다. 이외에도 현재 연료전지는 우리 생활 곳곳에서 이용 및 활용되고 있다.

   앞으로의 수소연료전지 사업은 어떻게 예상되는가? 개인 자원 소비량은 월등히 많지만 자원보유량이 없는 우리나라의 경우 수소에너지 및 수소연료전지는 국가의 미래 에너지 사업을 좌지우지하는 기술로써 작용하게 될 것이다. 유가의 변동이 심한 현재 우리 사회가 직면한 당장의 문제를 해결할 수 있는 방안으로도 적용된다.

   그러나 완전한 실용화에 있어서는 여전히 해결해야 할 부분이 남아 있다. 현재 실용화가 늦어지는 이유는 수소의 생산·저장·공급 기술, 전력변환 및 전기전자제어 등의 기술이 동반되지 못하고 있기 때문이다. 연료전지 기술은 자동차산업과 마찬가지로 여러 부품들이 상호간에 의존성이 강하기 때문에 적극적인 참여와 정보교류가 필요하다. 이를 위해서는 여러 관련기술이 개발 및 융합되어야 하며 관련기업, 연구소, 고등 교육기관이 수소연료전지 개발을 위한 역할을 하여야 한다. 이러한 발전이 거듭되면 기술 한계를 뛰어넘어 연료전지의 실용화로써 우리에게 성큼 다가올 것 이다. 친환경 발전을 위한 수소연료전지의 상용화 사업을 응원하며, 앞으로의 잠재적인 발전을 지켜봐주길 바란다.

 


참고문헌

[우리 지구를 살릴 수 있는 대체 에너지, ‘수소에너지’]

1) 임희천, "수소 연료전지 산업의 발전방향 및 전망", 한국신재생에너지학회, 2015.06

2) 조만, “연료전지 개발동향”, KISTI 첨단기술정보분석 보고서, 2005

3) 수소연료전지사업단, www.h2fc.or.kr

[수소에너지 시장을 선도할 ‘수소연료전지’ 기술]

1) 김창수, “고분자전해질막 연료전지 현황 및 최근 연 구동향”, 고분자과학과기술, 15, 550, 2004 

2) 지구생태발자국네트워크(Global Footprint Network), www.footprintnetwork.org

3) Allen J. Bard, Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications, Wiley,  2001

[국내외 수소연료전지 상용화 사례]

1) 서울특별시, 서울특별시 공식 홈페이지, " 서울시, 대기질 개선 `친환경 전기버스` 3배로 확대…연내 460대 운행

2) 서울특별시, 서울특별시 공식 홈페이지, " 서울시, 1호 `연료전지 시민펀드` 만기…원금에 연이율 3.9% 수익금도 지급2020.03.04, http://news.seoul.go.kr/env/archives/505973

3) 현대자동차, 현대자동차 공식 홈페이지, " 현대자동차-방탄소년단, 지구의 날 맞아 선한 에너지 '수소' 알린다 ", 2020.04.22, https://www.hyundai.com/content/hyundai/kr/ko/company-intro/pr-department/news-focus/news/detail.html?newsSn=9074

4) 조윤정, MBC뉴스, " 현대차 수소연료전지시스템, 미국·유럽에 수출한다 ", 2020.04.20, https://imnews.imbc.com/news/2020/econo/article/5739004_32647.html

5) 현대자동차, 현대자동차 공식 홈페이지, " 현대자동차-美 에너지부, 수소와 수소연료전지 ‘기술혁신과 글로벌 저변확대’ 공동 협력 ", 2020.02.11, https://www.hyundai.com/content/hyundai/kr/ko/company-intro/pr-department/news-focus/news/detail.html?newsSn=9046

[수소연료전지 소비시장 분석]

1) 김태현 이상현,“연료전지, 신재생에너지 시장의 다크호스를 꿈꾸다.”,IBK투자증권,40p,2019.05.28 http://file.mk.co.kr/imss/write/20190528133011__00.pdf

2) 홍수인,“2020산업전망-수소연료전지분야”,에너지투데이,2020.01.02., https://www.todayenergy.kr/news/articleView.html?idxno=221202

[수소연료전지의 한계점과 해결을 위한 연구]

1) 백두산,hard의 블로그,“경북대 최상일 교수팀, 수소연료전지 저가·고성능 촉매 개발”,2018.04.19. https://blog.naver.com/hard/221256586540

2) 김영준,“화학연, 안전한 수소 대용량 저장·운송 기술 개발”,etnews,2018.03.20, https://www.etnews.com/20180320000214

3) 윤창원,“LOHC,대규모 수소 저장 및 이송 가능한 경제적 기술”,월간수소경제,2018.06.04, https://www.h2news.kr/mobile/article.html?no=6760

4) 안경애,“수소연료전지 촉매연구 3배향상”,디지털타임스,2013.08.13, http://www.dt.co.kr/contents.html?article_no=2013081402011576650002

5) 한국소비사정보신문,“한전, 국내 최초로 ‘수소 저장 액체기술’ 실증에 성공”,2020.03.24, http://www.consumernewspaper.com/sub_read.html?uid=23920

6) “수소생산효소와 연료전지”,네이버 지식백과, https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=1047833&cid=42383&categoryId=42383

[결론 : 바로보는 수소에너지, 수소연료전지의 전망]

1) 이창래양철남문성모정용수, “수소경제시대 실현 을 위한 고분자연료전지용 부품소재기술”, 전기전자 재료학회지, 2007

2) 김재윤, “에너지 혁명 : 연료전지 사업의 현황과 발전 전망”, 삼성경제연구소, 2004

댓글26

  • 연료전지 관련한 정보를 얻으려면 이 기사를 봐야겠네요! 잘 읽었습니다!
    현대차의 많은 인력들이 연료전지를 제어, 설계, 적용, 개발 등으로 나누어 매달리고 있을 정도로 자동차 업계에서도 매력있는 분야인 것 같아요.
    연료전지 관련해서 연구스케일에서는 엄청 발전해 나가고 있는 것 같은데 실제 산업, 상용화는 그에 비해 조금 부진하다는 생각을 했는데 기사에서 말씀하신 부분들보다도 많이
    상용화되었으면 좋겠습니다:)
    답글

    • 좋은 기술은 천천히, 신중하게 적용하는 법칙이 있는것같습니다 :)
      상재님의 말씀처럼 우리나라 현대자동차 기업에서 힘쓰고 있는 만큼 매력적인 기술이고 또 수소 자체가 좋은 자원인것같아요!
      하루 빨리 지자체, 기업, 개인에게 골고루 상용화가 이루어지면 좋겠습니다.

  • 기사 잘 읽었어요! 특징부터 현재사례, 그리고 전망까지!! 정말 연료전지 교과서를 읽은 것 같아요!
    연료전지의 효율성을 높이기 위한 촉매 분야도 정말 다양하다는 걸 배운 것 같아요!!
    저도 얼마전에 그래핀의 활용에 관한 기사를 썼는데, 기존의 값비싼 백금 촉매를 대신할 수 있는 다양한 더 효율이 좋고, 가격적으로도 훌룡한 촉매들이 많이 개발되고 있는 것 같아서 괜시리 기쁘네요!
    p.s. 저만 그런건지 모르겠는데 자료 3과 자료 4 사이글에 괄호들이 비어있어보여요!
    답글

    • 연료전지의 발전을 위해서 현재 촉매 개발이 매우 중요하다는 것을 저희도 기사 정리를 통해 다시 한번 느끼게 되었습니다! 어서 빨리 촉매 가격 안정화가 되기를!
      예지님 괄호 빈 문제 캐치해주셔서 감사합니다! 빠른 수정 들어갈게요! :)

  • 수소에너지에 대해 컴펙트한 기사 잘 읽었습니다.
    질문은 2개 있습니다.
    1. 수소연로전지전기차가 세계적으로 발전이 더딘 이유는 무엇인가요?
    2. LOHC가 산으로 작용하면서 생성된 수소 양성자는 곧바로 연료전지에 활용될 수 없을 것 같은데, 어떻게 수소로 결합이되나요?
    답글

    • 감사합니다 서준님 :)
      질문에 대한 답변 달아보겠습니다.
      첫번째 질문의 뜻이
      (1) 수소연료전지전기차의 보급이 더딘 이유
      (2) 수소연료전지전기차의 기술 개발이 더딘 이유

      2가지 의미로 해석되어 2가지로 답변드릴게요!

      1-(1). 수소연료전지전기차 이른바 수소차는 좋은 자원을 토대로 하는 좋은 기술이지만 다섯번째 파트 문제점 해결 연구에서 볼 수 있듯이 아직 완전히 상용화되기에는 무리가 있습니다. 값비싼 촉매 등이 문제가 됩니다. 또한 수소차가 보급되려면 그만큼 많은 수소충전소가 같이 설치되어야합니다. 아무래도 수소연료전지 기술만 믿고 무리하게 상용화 먼저 시키기에는 힘든점이 많은것같습니다.

      1-(2). 현재 대한민국 현대자동차가 세계에서 수소연료전지에 대한 상위 기술을 가지고 있습니다. 애초에 수소연료전지 기술을 가진 기업은 한국의 현대, 일본의 도요타 등이 대표적으로 적은 수 입니다. 최근에서야 현대자동차의 수소연료전지 기술의 수출 허가가 난 것으로 미루어 볼 때 올해 20년 부터는 더욱 발전가능할것이라 생각합니다. 수소라는 자원이 다루기 까다로운 점, 수소연료전지 기술이 정교한 점 등등 많은 기업이 선택할만한 메리트가 부족했던것 같습니다. 이 부분은 조금 더 정확히 조사해보고 워크샵 때 같이 말씀드리겠습니다!

    • 2번째 질문 답변드리겠습니다!
      조사한 바에 의하면 LOHC의 원리는 액체 화합물 안에 수소가 저장되는 것입니다.
      특수 탱크로리에 저장하는 기존 방식과는 달리, LOHC는 일정한 조건(50~180℃의 온도, 대기압 50배의 압력)에서 수소를 수소저장 액체인 DBT(Dibenzyltoluene)와 촉매에 반응시키면 액체화합물에 흡수돼 저장되는 원리입니다.
      다시 말하면, LOHC는 저장체와 촉매가 수소화 반응을 통해 많은 양의 수소를 충전시키고 방출 시킬 수 있습니다. 

      원리에 대한 설명은 찾아보았는데 다른자료에 비해 부족한 것 같습니다,,ㅠ 더 찾아보고 알아내면 또 답변드리겠습니다!

  • 기사 잘 읽었습니다. 수소 이용 분야를 정말 폭넓게 다루신 것 같아요. '화석연료 대비 수소의 낮은 에너지 효율'과 관련해서 연료전지가 어떤 역할을 하는지 궁금하네요. 연료전지 촉매의 활성 정도가 이와 관련이 있는 것인가요? 또 위와 비슷한 질문인 것 같은데 LOHC 방식으로 차량에 수소를 주입할 때 곧바로 연료로 소모가 가능한가요?
    답글

    • 한줄평과 질문 감사드립니다 명현님 :)
      1. 수소의 낮은 에너지 효율 연료전지의 역할
      -연료전지가 수소의 낮은 에너지 효율 자체를 높여주는 역할을 하지는 않습니다. 다만 수소라는 자원이 무한한 점, 연료전지 사용 시 화석연료와 달리 불순물이 안나오고 친황경적인 점이 현재 연료전지가 각광받는 이유입니다! 수소의 에너지 효율 자체를 높여주는 기술로 작용하지는 않습니다ㅜㅜ

      2. 촉매의 역할
      촉매가 효율성을 높여준다는 문장은 수소연료전지에 수소가 쓰일 때 더 빠르고 용이하게 쓰일 수 있도록 도와준다는 뜻이였습니다. 위의 답변과 마찬가지로 수소의 에너지 효율 자체를 높이고 낮추는 역할은 하지 못합니다. 다만 더 좋은 촉매 개발이 이루어진다면 '수소연료전지 ' 자체의 효율은 높아진다 보시면 될 것 같습니다 🤗

      3. LOHC
      -위 서준님과 비슷한 질문을 해주셨는데 LOHC는 수소의 커다란 운반체 라고 비유하여 생각하시면 될 것 같습니다. 공기 중 수소를 바로 사용할 수 있게 해주는 기능 아닌, 수소를 액체화할물에 흡수하여 저장하여 더욱 많은 양의 수소를 한번에 충전과 방출 시킬 수 있습니다!

      답변이 도움이 되었기를....🤭🤭

  • 수소연료전지의 문제들에 대한 해결책까지 제시해주셔서 새롭게 알아가는 것이 많네요 ㅎㅎ 수소경제의 활성화를 위해 서울시가 현대자동차와 양해각서(MOU)를 체결했다고 하는데, 양해각서는 구두계약식이라 무산이 되는 경우도 많다고 들었어요. 그래도 대중교통 수소차 보급을 위한 구체적인 계획을 첫 체결한 만큼 꼭 수소차 충전 인프라와 교통 네트워크가 잘 형성되었으면 좋겠습니다!
    답글

    • 양해각서가 구두계약이라 무산이 되는 경우가 있다니,,,, 기사를 쓰면서 미처 몰랐던 부분이네요😥😥
      구두계약 일지라도 서울시와 현대자동차 모두 수소 사업에 힘쓰는 만큼 꼭 지켜졌으면 좋겠습니다.

      감사합니다 지윤님 :)
      수소 버스를 20년 안에 같이 타봐요.

    • 첫 체결을 시작으로 더 많은 기업들이 관심을 가지고 수소차 보급에 대해 적극적인 모습을 보일 것이라고 기대하는 바입니다! 피드백 감사합니다 ㅎㅎ!!

  • 체계적인 글 잘 읽었습니다!! 궁금한 점이 하나있는데, 지난 해 국내 수소차 판매량이 3천여대 정도로 한국이 세계 1위 수소시장으로 부상했다는 글이 다소 의아합니다. 전기차는 현재 몇백만 대를 팔며 친환경적인 자동차로 자리잡고 있는데, 세계에서는 수소 에너지를 활용한 방안을 선호하지 않는 것으로 봐도 되나요??

    답글

    • 예리한 통찰 감사합니다! 준우님🤗
      [자료 7]을 보시면 다른 선진국들은 천천히 증가하는 반면 한국은 급진적인 증가를 보였습니다. 그로인해 현재 50%라는 비율을 차지하게 된것으로 보입니다. 또한 한국의 현대자동차가 수소연료전지에 대한 상위 기술을 가지고 있었고 올해들어 수출 허가가 난 것으로 미루어볼때 작년까지는 세계의 수소연료전지 상용화가 더디었지만 올해부터는 달라지지 않을까 기대중입니다. 기술 개발-상용화 이 차이가 컸다고 봅니다.

      저희도 시장분석에 대한 고찰이 완벽하지 않았네요🤔🤔
      조금 더 고찰 후에 워크샵에서 다시 말씀드리겠습니다!

  • 기사 잘읽었습니다!!ㅎㅎ 연료전지 발전소의 경우 수소는 주로 어떤방법으로 가져오나요?
    부생수소(석유화학공정에서 부가적으로 나온 것), 추출수소(천연가스에서 탄소를 빼서 수소 추출), 수전해수소(물과 전기반응을 해서 얻는 것), 수입수소(해외에서 수입)가 있는 것 같은데 어떤 경로로 얻는지 궁금합니다!
    답글

    • 기사에서 언급되었던 노을연료전지 발전소 같은 경우 천연가스 LNG에서 추출한 추출수소를 사용합니다!
      추가 조사 결과 보통은 부생수소를 사용하는 것 같습니다. 부생수소를 사용하는 대표적인 발전소는 충남지역의 한화에너지 수소연료전지 발전소가 있습니다. 나프타 분해 설비를 통해 나오는 부생수소를 이용합니다.
      희진님의 질문 덕분에 더 깊게 알 수 있었네요 :)
      질문 감사합니다. 희진님!

    • 궁금한 점이 바로 해결됐습니다!!ㅠㅠ
      주로 부생수소를 이용하는 군요?!
      추출수소는 잘 안쓰이는 것 같은데 기사에 언급된 발전소는 추출수소를 사용한다니 신기하네요!!
      좋은 정보 감사합니다:)

  • 연료전지에 대해서 아주 자세한 정보를 작성해주셔서 쉽게 내용을 이해하는데 도움이 되었던 것 같습니당 ! 울산에서 지낼때도 수소버스를 가끔씩 보았는데, 발전과 연구량에 비해서 상용화 부분은 늘 아쉬운 것 같아요 ㅠㅠ 대한민국은 어떻게 보면 수소에너지나 수소를 이용한 전력을 잘 사용할 수 있는 국가라고 생각하는데 이러한 부분에서 얼른 상용화가 잘 이루어졌으면 하는 바램이에요..! 기사 잘 보았습니당 ! !
    답글

    • 울산에 수소연료전지 발전소도 있던데 수소버스까지 있었군요! 기사에서 언급된 서울시뿐만 아니라 전국적으로 더더욱 상용화가 진행되면 좋겠습니다 :)
      20년부터 수소 사업 파이팅하기를,,,,!😆

  • 수소연료전지에 대한 기사 잘 읽었습니다!! 지난번 제 4차 에너지기술개발계획에 대해 기사 작성하면서 알게된 것과 같이 정부가 수소에너지 신 산업을 육성하고자 많은 노력을 기울이고 있네요! 이를 통해 에너지전환이라는 큰 목표에 도달하는 것을 기대해봅니다.
    답글

    • 제 4차 에너지기술개발계획에서도 수소에너지 사업이 언급되었었군요! 점점 많은 변화를 이뤄내고 있네요😁😁
      좋은 코멘트 감사합다 혜림님 :)

  • 오오 수소연료전지 입문서같은 탄탄한 글 잘봤습니다! 거시적인 부분부터 미시적인 부분까지 샅샅이 훑어주는 글이네요.ㅎㅎ 그런데 수소를 추출하는 과정에서 석유를 이용하는데 이때 발생하는 오염물질은 일반 자동차가 배출하는 양에 비하면 얼마나 적은 양인지 궁금합니다!
    답글

    • 예리하게 짚어주셨네요!
      실제로 전기차와 수소차 모두 전기생산 과정에서 화석 연료 사용으로 결국 친환경적이지 않다는 의견이 많습니다.
      수소차 같은 경우도 수소충전소에 나오는 수소가 보통 부생수소라 석유에서 추출합니다. 실제 디젤자동차 보다는 석유로 인해 발생하는 탄소, 불순물 양이 적지만 아예 발생하지는 않는점이 아쉽네요😢😢

  • 정말 깔끔하고 유익한 글이네요!!
    현대를 비롯한 한국의 수소차 개발 및 도입이 이렇게 빠른 성장을 하고 있는지 미처 몰랐어요 호홓
    많은 정보가 잘 정리된 것 같습니다^^
    기사 잘읽었습니다ㅎㅎ!
    답글

  • 정말 방대한 양의 기사군요...! 고생많으셨습니다! 많은 양인데도 불구하고 가독성이 너무 좋아서 쉽게 읽힌 것 같아요! 기술소개-사례-수요-한계점-연구-전망 의 구조로 정말 짜임새 있게 작성하셨네요! 참고문헌의 수만 봐도 얼마나 잘 정리하셨는지 체감되는 기사였습니다. 기사쓰는방법에 있어서 많은걸 배웠습니다!
    답글