가. 수요자 측면
1) Drivers
최근 석유자원의 고갈과 개발도상국의 급격한 산업화로 인한 원유 수급의
에너지인 수소를 연료로사용하여 공해와 온실효과 관련 기체의 방출을 최소 화하고 자동차 연비를 향상시킬 수 있는 고효율, 저소음, 저공해 배출차인 연료전지에 대한 니즈가 증대되고 있다.
2) Restraints
수송용 연료전지의 경우 수소 연료의 폭발 위험성 등 안전성에 대한 불안 이 시장 확대의 저해 요인으로 작용할 수 있다.특히 상업화 초기에 수소 폭 발 등의 사고는 시장의 형성 자체를 위협할 수 있으므로 안전성을 확보하는 것은 소비자 신뢰를 얻는데 있어 매우 중요한 요소이다. 따라서 수소저장 및 운반의 안전성을 확보하기 위해 수소의 생산단계에서부터 운반 및 저장 단 계까지 여러 실증 실험을 통해 안전성을 확보하고 신뢰할 수 있는 국제적인 안전 기준을 확립할 필요가 있다. 또한 연료전지 자동차가 실용화되기 위해 서는 소비자의 자동차 구매 기호가 기존의 디자인이나 가격 보다, 환경과 에 너지 효율이 우선되어야 하며 이를 위해서는 정부와 업체의 지속적인 홍보 가 선행되어야 한다.
나. 환경적 측면
1) Drivers
석유 자원 고갈로 인한 유가 상승은 탈화석 연료사회로 이끌고 있으며, 온 실가스 규제 및 각종 배기가스 규제는 수소연료 전지 사회를 요구하고 있다.
화석연료 사용에 의한 온실가스 방출문제가 글로벌 이슈로 대두되고 있으 며 특히 2005년 교토의정서 발효 이후 화석연료 소비에 대한 국제적 환경규 제가 더욱 강화될 전망이다. 이에 따라 자동차의 배기가스 규제도 강화되어 깨끗한 차의 개발이 자동차 업계의 생존 화두로 등장하고 있다. 특히 캘리포 니아에서는 2012년부터 연 6만대 이상의 자동차 생산업체의 경우 반드시 2%
이상의 ZERO-EMISSION CAR를 판매해야하는 의무 판매규정이 제정되었는 데 이는 연료전지차의 도입을 이끄는 성장요인으로 작용할 전망이다.
일본과 미국 등 선진국들은 향후 자동차 시장에서도 현재의 주도권을확보 하기 위하여 연료전지 자동차의 개발에 막대한 자금을 투입하고 있으며, 국 내에서도 연료전지의 중요성을 인지하여 2003년부터 10대 성장동력 산업의 하나로 결정, 이의 효과적인 추진을 위해 사업단을 구성하여 기술의 사업화 에 대한 지원을 강화하고 있다.
2) Restraints
실용화에 필요한 수소 인프라의 부재 및 고압 가스 규제 등과 관련한 각종 법규들의 제한이 연료전지 자동차의 성장을 더디게 하고 있다. 국내의 경우 2005년 한국에너지기술연구원을 비롯한 3곳에 시범적으로 수소스테이션을 설립 운영할예정이지만 현재의 인프라 스트럭처는 연료전지 차량의 보급 측 면에서 미흡한 상황이다. 수송용 연료전지 경우 인프라 및 사회적, 제도적 뒷받침이 필요하므로 초기 시장 형성을 위해서는 정부의 역할이 매우 중요 하다. 그러나 국내의 경우 연료전지자동차의 실용화를 위해 필수적인 시범운 행 프로그램 즉, 선진국과 같은 시범운행이나 유상 리스 형태의 프로그램이 아직 계획, 수행되지 않고 있으며 이벤트 성격의 시승식 정도만 개최되었을 뿐이다. 따라서 단순한 예산확대 이 외에 표준화 및 법, 규제의 정비, 시범사 업 프로젝트 추진, 정부구매의 확대, 인센티브 제공, 연료 인프라 확충과 같 이 초기 수요를 촉진하는 정책을 펼 필요가 있다. 특히 연료전지 자동차의 경우 기술의 초기 투자비 규모가 커서 민간 투자가 미흡하므로 발전차액보 전 제도의 도입 및 과감한 투자 확대 등 범국가적 전략의 수립이 필요하다.
그 외 높은 제품가격은 연료전지 자동차의 확대에 가장 큰 걸림돌로, 대량 생산과 판매를 통한 가격저감이 먼저인가 저가 공급을 통한 수요창출이 우 선이 되는가 하는 Chicken & Egg 딜레마를 먼저 풀어야 할 필요가 있다.
고유가와 환경규제에 대한 대응 방안으로 배터리 자동차의 개발이 활발히 진행되고 있으나 짧은 주행거리와 긴 충전시간으로 인해 확산의 한계점으로 작용하고 있다. 반면 연료전지 자동차는 높은 효율과 낮은 배기가스 방출로 고유가 및 환경 규제 등의 요인을 만족시키면서도 상대적으로 긴 주행거리 와 수초이내의 짧은 충전시간을 가지므로 이에 대한 니즈가 증가하고 있다.
연료전지의 상업화를 방해하는 가장 큰 요소는 높은 가격으로 이는 비싼 백 금 촉매에 기인하는 바가 크다 할 수 있다. 최근 급격히 발달하고 있는 나노 기술은 연료전지의 가격 저하와 스택의 경량화에 기여함으로써 연료전지의 상업화를 앞당길 수 있다.
2) Restraints
수송용 연료전지의 경우 연료가 되는 수소의 인프라가 시장 형성에 결정적 인 역할을 하는데 현재 수소의 제조, 저장, 전환, 수송 기술들 중 많은 부분 이 개발단계이며 경우에 따라서는 단 시일내에개발되기 어려운 기술도 있다.
이러한 기술개발의 장기성과 불확실성은 연료전지의 상업화를 방해하는 주 요 요인중의 하나이다.
수송용 연료전지의 상용화를 위해서는 연료전지 기술의 편의성, 안전성, 신 뢰성, 내구성의 확보와 기존 내연기관차와 동등수준으로 경쟁할 수 있는 상 품성 경제성이 확보되어야 하며 이를 위해서는 관련 소재.부품의 개발.생산 체계의 구축이 필수적이나 현재의 기술력으로는 상용화를 위한 수준에 미치 지 못하고 있는 실정이다. 특히 국내의 경우 원천기술의 확보미흡, 재료기술 의 breakthrough 결핍, 핵심기반 산업의 부재 등이 대표적인 기술적인 문제 점으로 작용하고 있다.
그 외 수송용 연료전지의 경우 급발진 및 시동에의 대응성이 문제이나 이 는 리튬이차전지와의 하이브리드화에 의해 해결될 수 있을 것으로 보인다.
라. 정책, 법적인 측면
1) 정부정책
미국, 일본, 유럽, 중국 등 세계 각국 정부는 연료전지를 차세대 성장동력 으로 인식하고, 연료전지 산업분야를 개척하기위해 산업계와 학계의 기술개 발에 연간 200억 원에서 1,000억 원 규모의 막대한 연구개발비를 지원하고 있다. 기술개발에 이어, 상업화를 위한 시범사업, 시장보급, 시장경쟁 유도 단계에 이르기까지, 연료전지차 양산 지원, 스테이션 인프라 구축, 소재 및 부품 산업의 투자유도, 직접적인 세액 공제, 기술료 면제 등 전반적인 정부 지원은 대규모 투자자본의 주축이 되고 있다. 따라서 우리 정부의 활성화 정 책 및 지원제도에 대한 단계별 방향과 세부 방안은 국내 기업의 상업화 로 드맵에 따른 전략, 방향, 수송용 연료전지 시장의 활성화 시점 등에 큰 영향 을 미치게 될 것이다.
2) 특허를 통한 방어
연료전지 산업은 고난이도의 기술을 요구하는 기술 집약적인 산업으로 기 술 진입 장벽이 높아 대기업이라 해도 단기간의 대규모 투자로 양산화가 어 렵고, 선도기업으로부터의 기술 도입이 어려운 분야이다. 또한 선진국의 경 우도 원천 기술, 부품 기술, 시스템 기술 등 기업 고유기술의 특허화를 통해 기술 방어에 주력하고 있다. 따라서 연료전지 시장에 진입하기 위해서는 기 술개발을 통해 기업의 고유 기술을 확보하고 이의 특허화를 통해서 기술 방 어, 특허 교환, 향후의 공동 특허화 등에 대비해야 한다.
마. 사업화 장애요인
연료전지 자동차가 상용화·실용화되기 위해서는 아직 많은 과제가 남아 있 다. 우선 가장 실제적인 문제로 가격문제를 들 수 있다. PEM의 높은 가격을 주로 전극에 쓰이는 귀금속 촉매와 스택을 구성하는데 쓰이는 분리판 때문
우 가솔린엔진과 이의 출력에 상응하는 연료전지를 비교하면 단위부피당 출 력, 무게당 출력을 비교해보면 연료전지는 1kW/1L, 1kW/1kg 정도의 출력 을 보이고 있으나, 내연기관은 이러한 비교에서 적어도 20% 이상의 앞선 출 력을 보이고 있다. 물론 출력밀도를 높이는 노력과 발전은 계속되고 있고 보 다 높은 연료전지 자동차의 효율을 위해 중요한 문제이나 연료전지를 새로 운 사고방식의 자동차 디자인이라는 시각에서 다시 고려해보면 출력밀도의 부족은 자동차 구조의 근본적인 변화로 인해 충분히 해결될 수 있을 것으로 보인다.
PEMFC의 기술적인 면에서의 난제 중 대표적인 것이 Water Management 의 어려움이다. PEM은 높은 양성자 전도성을 위하여 항상 습기를 유지해야 하는 반면, 물이 너무 많으면 다공성 전극을 막아 전극 반응을 막기 때문에 공기극에서 생성된 물은 적절히 배출되어야 한다. 물은 Ionic Drag에 의해 연료극에서 공기극으로 이동하여 고전류에서 Anode쪽의 수분이 없어질 수 있다.
반면 확산에 의해 공기극에서 물의 농도가 상대적으로 작은 Anode로 통 과, 이동하기도 한다. 물은 보통 공기극에서 흐르는 공기에 의해 제거되는데, 65℃ 이상에서는 제거되는 물의 양이 생성되는 물의 양보다 항상 많기 때문 에 공기 혹은 연료를 가습하여 공급해야 한다. 이때 공기의 흐름에 의한 습 기의 변화를 잘 조절하여 전체 전해질 막에서 균일한 습기를 유지해야 높은 연료전지의 성능 저하를 막는 것은 매우 어려운 문제이다.
열 설계도 PEM의 효율에 영향을 주는 중요한 문제이다. PEMFC의 효율이 50% 정도라고 생각했을 때 50kW의 전기출력을 가지는 PEMFC는 50kW의 열을 방출하게 된다. 그러나 PEMFC는 80℃의 저온에서 작동되므로 열을 방 출하는 것이 쉽지 않아 연료전지 자동차와 같이 수십 kW급의 스택을 사용 하는 경우 보통 따로 수냉을 하고 있다. 이는 곧 전력의 손실을 의미하며, 낮은 작동온도로 열교환기가 지나치게 큰 문제점도 가져온다.
따라서 보다 높은 효율을 위해서는 130℃ 이상에서 작동하는 PEM 혹은 새로운 종류의 전해질 개발이 요구되며 현재 많은 연구가 이루어지고 있다.
작동온도의 상승은 CO를 20ppm 이하의 매우 작은 농도로 줄여야 하는 연 료개질 시스템의 부담을 덜어주는 역할도 할 것이다.