글로벌 연료전지 시장은 연료전지의 가격 하락과 국가 정책 지원 강화로 지속적인 성장세를 보이고 있다. 2015년 기준 세계 연료전지 시장 규모는 약 36억 달러이며, 2024년에는 255억 달러 규모로 시장이 확대될 것으로 예상된다. <자료 : 녹색기술센터 정책연구부>

연료전지의 발전원리

연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 기술이다. 생성물이 전기와 순수(純水)인 발효율 30~40%, 열효율 40% 이상으로 총 70~80%의 효율을 갖는 신기술이다. 

연료전지 발전원리(단위전지)는 연료 중 수소와 공기 중 산소가 전기화학반응에 의해 직접 발전한다. 구체적으로는 ① 연료극(양극)에 공급된 수소는 수소이온과 전자로 분리되고 → ② 수소이온은 전해질층을 통해 공기극으로 이동하고 잔자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동 → ③ 공기극(음극) 쪽에서 산소이온과 수소이온이 만나 반응생성물(물)을 생성한다. 최종적인 반응은 수소와 산소가 결합하여 전기, 물 및 열을 생성한다. 

연료전지 발전시스템은 개질기와 셀, 스택, 전력변환기 및 발전 등으로 구성된다. 개질기는 석탄, 석유, 메탄올, 천연가스 등의 화석연료를 수소연료로 변환하는 장치이고, 셀은 전해질이 함유된 전해질 판과 공기극, 연료극을 분리하기 위한 분리판 등으로 구성된다. 

스택은 셀을 수십, 수백 장 쌓아 올린 본체로 원하는 전기출력을 얻기 위해 사용된다. 전력변환기는 연료전지에서 나오는 직류전기를 교류로 전환시키는 장치이다. 

연료전지를 실질적으로 응용되는 산업분야에 따라 구분하면 크게 발전용, 가정용, 수송용, 휴대용 4가지로 구분한다. 

우리나라의 경우 현재 상용화되어 있는 연료전지는 발전용이 높은 비율을 차지하고 있으며, 발전용의 경우 가정용 열병합발전과 상업용 목적으로 다양한 연료전지가 개발되고 있다. 

특히 중대형 발전의 경우 다양한 연료의 사용 가능성과 타 발전원과의 연계를 통해 전력변환 효율을 향상시킬 수 있기 때문에 고온 연료전지가 저온 연료전지에 비하여 적용하기가 수월할 수 있다(한국과학기술연구원, 2006).

가정용의 경우 일반 가정 등에 필요한 전력 등 에너지를 공급하는 소규모 열병합발전과 관련된다. 현재까지는 화석연료를 활용한 보일러시스템이 주류이나 연료전지 시스템이 전기와 열을 동시에 생성하는 열병합발전용으로서 실용화되고 안정화되면 활용도가 높아질 것으로 예상된다. 

수송용의 대표적인 적용분야는 자동차이며 기존 내연기관을 대체하는 연료전지자동차는 시동이 간편하고 성능이 높은 고분자전해질막연료전지(PEMFC)가 적합하다고 알려져 있다(한국과학기술연구원, 2006).

한편 최근 타 연료와의 하이브리드 형태의 고체산화물연료전지(SOFC) 활용의 가능성도 관심을 받고 있다. 이는 수송용 차량의 전기화 추세 속에서 충전인프라 부족 등의 극복을 위해 적정 주행거리를 확보하기 위한 연료전환의 다각화에 대한 시사점을 제공하는 것이다. 

휴대용의 경우 연료의 공급체계가 간단한 직접메탄올연료전지(DMFC)가 적합하며 최근 미세가공기술을 적용하여 부피 및 무게를 줄이는 연료전지 기술개발이 진행되고 있다. 휴대용 연료전지의 경우 정보통신 산업의 발전으로 인해 휴대폰 배터리 등에 활발하게 적용될 수 있다. 

연료전지의 글로벌 시장 확대 및 국내 보급

글로벌‌연료전지 시장은 연료전지의 가격하락과 국가 정책 지원 강화로 지속적인 성장세를 보이고 있다. 2015년 기준 세계 연료전지 시장 규모는 약 36억 달러이며, 2024년에는 255억 달러 규모의 시장 확대가 예상된다(Global Market Insights, 2016).

2015년 전 세계 연료전지시스템 판매는 전년대비 약‌12% 증가한 71,500기로 집계된다. 정치형(stationary) 연료전지시스템은 판매량과 발전용량 모두 타 연료전지 시스템과 비교해 가장 큰 비중을 차지한다. 

지역별로는 최근 아시아 연료전지 시장이 강한 성장세를 보이며 글로벌 연료시장을 선도하고 있는 것으로 나타났다. 2015년 연간 연료전지시스템 판매 실적을 기준으로 아시아 지역은 전 세계 연료전지 시장의 65%, 전 용량을 기준으로는 전 세계의 50%를 차지한다. 

2015년까지의 연료전지의 판매량과 출하량의 증가 추세를 고려했을 때 연료전지의 성장은 지속될 것이라고 전망되며, 수년 내로 기가와트의 생산 용량에 도찰할 것으로 예상된다. 

국내 연료전지 보급량 및 발전량은 2008년 이후 급속도로 증가하는 추세를 보인다. 2008년 대비하여 2014년의 연료전지 누적보급용량은 약 20배, 발전량은 약 46배 증가한다. 발전용 연료전지의 보급량이 전체 보급량의 약 98.7%를 차지한다. 

국내 연료전지 시장은 신재생에너지 공급의무화(RPS:‌Renewable‌ Portfolio‌Standard) 제도 및 연료전지 발전소 설치 등의 효과로 시장의 확대가 기대된다.