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…NICE, 제29권 제4호, 2011서론
18세기에 증기기관이 발명되면서부터 인류는 급속 한 기계화 및 공업화에 따른 농수산물 생산량의 증가 와 편리한 공산품의 보급으로 삶의 질을 높일 수 있 게 되었다. 그러나 삶의 질의 개선 속도만큼 에너지 에 대한 수요는 폭발적으로 증가하여 현재 석유에 대 한 의존도가 갈수록 높아져 가고 있으며 이에 따르는 환경오염 또한 더욱 가속화되고 있다. 석유 자원에 대한 한계성은 둘째로 치더라도 최근 각종 매스컴에 서 지적하는 지구온난화에 따른 자연재해에 대한 문
제의 심각성은 누구도 부인할 수 없을 것이다. 따라 서 친환경 발전장치 개발 요구는 시대적 요구사항이 되었다.
특성으로 인하여 높은 효율을 달성한 것으로 보고되 고 있다. 이후 동일한 그룹에서 고분자 주쇄에 페닐기 를 도입하여 에너지준위를 조절하여 개방전압을 향상 시켜 5.5%로 향상된 광전변환효율을 달성하였다. 또 한 2011년에는 You 그룹에서 트리아졸에 불소를 도 입하여 씨오펜과의 상호작용을 가진 PBnDT-FTAZ 를 합성하여 7.1%의 고효율을 보고 하였다. 그리고 Tao 연구그룹에서 같은해에 낮은 HOMO 준위를 가 지며 고분자의 전자주개와 전자받개 간의 상호작용을 증가시킨 PDTSTPD를 합성하여 7.3%를 달성하였 다. 최근 미쓰비시화학은 구조는 밝히지 않았지만 9.2%의 효율을 기록하고, 인쇄 유기태양전지를 상용 화하겠다고 발표한 바 있다.
결론
유기태양전지는 차세대 태양전지로써 기존의 무기 계 태양전지에 비하여 비용적으로 저렴하고 디자인이
가능하여 다양한 기기에 적용 가능하는 등 무수한 가 능성이 보이고 있다. 기술동향에서 소개하였듯이 전 체적으로 효율이 증가하고 있는 추세이지만 기존의 무기계 단위소자의 효율에는 미치지 못하며 안정성 또한 떨어진다. 전고상 염료감응 태양전지 분야는 얇 은 산화물 반도체에서 효율적으로 흡수 가능한 염료 의 개발과 나노수준의 공극을 잘 침투할 수 있는 정공 전달물질의 개발이 필수적이다. 또한 기존의 좋은 정 공전달특성을 보이는 물질의 공극을 충진하기 위한 효율적인 공정이 개발되어야 한다. 한편, 유기박막 태 양전지는 현재 수준의 높은 효율을 보존하면서 단위 소자의 안정성을 확보하는 것이 필요하다. 또한, 현재 고효율을 나타내는 PCBM의 비용적인 측면의 감소 또는 새로운 전자받개의 개발이 필요하다. 산업적으 로 차세대 태양전지를 응용하기 위한 방법으로 잉크 젯, 프린팅 등의 대면적화 및 장기 안정성을 확보하는 연구가 필요하다.
특·별·기·획(Ⅲ)
연료전지 시장 현황 및 전망
윤 성 필
한국과학기술연구원 연료전지연구센터, [email protected]
그림 1. 일본 PEMFC 가정용 연료전지 시스템.
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 29, No. 4, 2011…
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특·별·기·획(Ⅲ)
연료전지의 기본 작동 원리는 19세기 영국의 Grove 경에 의해 가시화되었으나 60년대 와서야 비로소 우 주선 및 군사용 목적으로 그 응용이 시작되었고, 70년 대 초 오일 파동 이후 민수용 목적으로 본격적인 개발 이 진행되어 왔다. 연료전지는 수소를 연료로 하여 전 기를 발생시키는 일종의 발전기로서 물의 전기분해반 응의 역반응을 이용하여 수소와 산소로부터 전기와 물을 만들어 낸다. 이와 같은 연료전지는 수소 및 탄 화수소에너지를 가장 효율적으로 활용할 수 있는 핵 심기술로 평가받고 있으며, 석탄을 에너지원으로 한 동력원으로서 증기기관이 개발되어 산업혁명이 이루 어졌고, 석유시대에는 내연기관이 개발되어 20세기의 산업발전을 주도하였듯이, 연료전지는 수소에너지를 전기에너지와 열에너지로 전환시키는 환경친화적이 고 에너지효율이 높은 발전장치로서 21세기 수소에너 지 시대를 가능하게 할 새로운 동력장치로 평가되고 있다. 또한 자동차 동력원 및 휴대전원용 등 그 응용 범위가 매우 넓어 향후 에너지 시장을 주도할 대표적 인 기술로서 경제적인 개발 가치 또한 매우 클 것으로
기대되고 있다.
본 논문에서는 연료전지의 적용분야에 따라 건물용, 발전용, 수송용, 이동전원용 4분야로 나누어 최근 진 행되고 있는 선진각국들의 연료전지 시장 현황 및 전 망을 살펴보고자 한다.
건물용 연료전지
건물용 연료전지는 열과 전기를 동시에 공급하기 위한 목적으로 1~100 kW급의 고체고분자 연료전지 (이하 PEMFC), 용융탄산염 연료전지 (이하 MCFC) 및 고체산화물 연료전지 (이하 SOFC)가 개발되고 있다. 1~3 kW급의 소위 가정용에는 주로 PEMFC 와 SOFC 시스템이 개발되고 있고 일본에서는
‘ENEFARM’이라는 통합제품명으로 2009년 이미 상용 판매가 시작되어 2010년 연간 5천대 규모로 판 매 중이다 (시장규모 175억엔, 3.5 M￥/unit, 소비자 부담금 0.4 M￥/unit). [그림 1]은 PEMFC로 구성 된 일본 가정용 연료전지 시스템이고, SOFC로 구성 된 시스템의 경우, 일본 세라믹 업체 (Kyocera, 표 1. 일본 회사별 제품 사양
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TOTO, NTK 등)가 SOFC 스택을 개발 공급하고 유 틸리티 업체 (Osaka gas, Tokyo gas, Toho gas 등) 와 공동협력으로 시스템을 개발하는 형태로 실증을 진행해 나가고 있다.
[표 1]에는 일본 회사별 제품 사양을 요약하였으며, 발전효율과 종합효율이 각각 45%(LHV)과 85%로 나타나 있다.
국내의 경우 1 kW 급 PEMFC 열병합 발전 시스 템이 2010년까지 누적 210기가 보급되었으며, 2010년 시작된 그린홈 100만호 보급사업, 그린빌리지 사업 등 정부 지원 사업으로 초기 시장 진입이 시작될 것으로 예상되며, 올해 시작되는 공공기관 신·재생에너지 설치의무화에 따라 건물용 연료전지 시장이 형성되고 이후 의무비율 증가에 따라 시장도 확대될 전망이다.
발전용 연료전지
현재 발전용 연료전지는 MCFC, 인산형 연료전지 (이하 PAFC)와 PEMFC 시장으로 구분되며, PAFC는 1980년대에 개발되어 수백 kW급 시스템이 누적 200기 정도 설치되었으나, 가격문제로 시장보급 은 실적은 그리 신통치 않은 편이다. 그러나 MCFC 는 FCE(미)를 선두로 수백 kW∼ 수 MW급 시스템
의 실증을 완료하고 전세계적으로 2010년 기준, 약 75 MW 정도를 보급하고 있으며, 국내에도 16기의 250 kW∼2.4 MW급 시스템을 설치/운전하여 상용화에 가장 근접한 연료전지 시스템임을 입증하고 있다.
발전용 연료전지는 2030년까지 분산전원용 및 산업 용, 플랜트 연계형 등으로 시장이 확대되어 수 MW급 의 대형 플랜트를 중심으로 18조~41조원 규모의 시 장 형성이 예상되며, MCFC 시스템의 경우, 4만시간 수명 확보(현재 2만시간)와 시스템 가격은 $1,500/kW 이하(현재 약 $5,000/kW)로 낮추는 것이 시장진입 에 관건이 될 것으로 판단된다.
수송용 연료전지
연료전지 자동차는 연료전지에서 생산된 전기를 주 동력으로 구동되는 자동차를 지칭하며, 그 구조는 연 료전지 시스템을 중심으로, 연료전지 스택에 수소를 공급하기 위한 수소저장기 혹은 연료변환기와 스택에 서 생산된 전기를 변환하는 전력변환기 그리고 모터 를 포함하는 기계적 구동 시스템으로 구성된다. 연료 전지 자동차는 2015년 소량 양산이 시작되어 북미, 서 유럽, 아시아태평양 지역을 중심으로 연평균 25.9%로 시장이 성장하여 2030년 123조원에 이를 것으로 전망
그림 2. Fuel Cell Energy 사의 시범 운전 현황.
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되며, 연료전지 자동차 부품 시장은 이미 형성되어 2007년 기준 4천억원 규모에 이르고 있어 지속적으로 증가할 것으로 예상된다. 현재 수송용 연료전지는 자 동차용 연료전지, 특히 PEMFC가 장착된 연료전지 시스템을 의미하며, 그 외에 자동차용 및 선박용 보조 전원용으로 각각 SOFC와 MCFC 시스템에 대한 적 용 가능성이 연구되고 있다.
최근 GM[그림 3], 도요타 등의 선도기업들은 가격 저감 및 내구성 개선을 위한 원천 소재/부품 기술 개 발과 함께 상용화에 필수적인 소형화, 시스템 출력밀 도 650 W/L, 시스템 효율 60% 달성을 위한 연구개 발을 진행 중이며, 2015년 DOE의 연료전지시스템 가 격목표(년 50만대 생산을 가정)인 $30/kW 달성을 위하여 백금 사용량 저감 및 나피온 대체 멤브레인 개 발 등 가격저감화를 위한 연구가 본격적으로 진행되 고 있다.
이동전원용 연료전지
배터리를 대체할 용도의 휴대용 (수 W~수백 W 급) 연료전지의 경우에는 연료에 대한 공급, 보관 및 저장이 간편한 직접메탄올 연료전지 (이하 DMFC) 와 액체 연료인 메탄올을 개질기를 통해 수소로 개질 하여 사용하는 마이크로 연료개질기 (fuel processor) 가 부착된 소형 PEMFC가 집중적으로 연구되고 있
다. DMFC 또는 마이크로 개질기가 부착된 소형 PEMFC는 기존 배터리의 단점인 단위부피당 출력밀 도 및 작동시간을 획기적으로 개선함으로써 노트북, PDA, 휴대폰, 레져용 포터블 전원 등 이동용 IT 분야 의 다양한 요구를 만족시키고 IT 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 군용 연료전지 분야에서 병사용 전원, 유무선 통신용 발전 전원, 군 작전을 위 한 이동용 전원, 이동 상황실의 비상발전용, 무전기 및 주변 장비용 전원용 등으로 개발을 마치고 일부 적용 실험 중이며, 디젤 및 JP-8 등의 연료 이용에 용이한 SOFC 시스템 개발도 진행 중에 있다.
이동전원용 연료전지시장 규모 예측에서 Japan Economic Center의 2009년 자료에 따르면 2015년과 2020년의 이동전원용 연료전지의 세계시장 규모는 각 각 2,920억원과 5,140억원이 될 것으로 전망된다.
결언
연료전지 분산전원, 자동차 등 일부 수소 이용 기술 이 실용화 가시권에 접어들고 있으며, 수소제조, 저장 등 대부분 기술들의 연구개발사업이 활발히 추진되고 있어 향후 10년 이내에 분야에 따라서 상용화가 시작 할 것으로 예측된다. 저탄소 녹색성장을 위한 다른 어 느 분야 보다 사회적, 경제적 파급효과가 크므로 국가 의 정책적 지원이 절실히 요구되고 있으며, 장기적 안 목을 갖고 인내심을 발휘하여 지속적 지원이 이루어 진다면 미래 대한민국을 먹여 살릴 미래 에너지 기술 로 부각될 것이 분명하다.
