수소연료전지 연구 동향

여기 소개된 보고서는 일본 NEDO의 연료전지와 수소분야의 관련 연구과제를 간략하게 소개하고 있다. 우선 수소
의 온보드 저장분야에서 특이한 현상은 고압과 극저온 냉장을 주도하는 연구에 치중하고 있는 점이다. 미국의 DOE
를 비롯한 서구 국가들은 엔탈피와 수소와의 반응성을 고려한 금속/비금속 계통의 저장재료에 치중하는 것과 대조
를 이루고 있다고 본다. 그 중에서 수소흡장합금과 초고압 용기를 조합한 하이브리드 저장탱크의 연구개발은 서구
의 과학자들도 상당히 관심을 표시하는 과제이다.

수소저장 합금과 35MPa급 자동차용 압축수소 용기를 조합한 하이브리드 저장탱크와 MH 카트리지 내장 라이너의 생산기술의 개발로 저장밀도와 충진 시간 향상을 기하고 있는점은 우수한 가능성 중의 하나로 보인다. PEFC의 본격적 실용화를 목적으로 고효율화, 고신뢰성, 저코스트를 목적으로 하는 연구 개발 사업은 연료 중에서PEFC는 고출력밀도, 저온 작동 등의 특징을 활용하여 가정용, 연료전지 자동차 등의 차세대 에너지 공급기구로서본격적 실용화를 목표로 기술과제의 브레이크스루를 위한 기술개발을 실시하고 있다. 수소연료의 공급을 위한 고효율의 콤팩트한 멤브레인 리엑터형의 LPG 개질장치를 개발하는 사업의 실용화는 효율이 좋고 콤팩트한 사이즈로 고순도의 수소를 얻을 수 있어 FC 시스템에 널리 보급이 기대되는 과제로 생각된다.

석유 의존도의 저감을 위하여 FC, 전기, 하이브리드 등 자동차의 보급은 고성능 축전지기술의 개발이 중요하다. 축전지 기술은 일본이 세계적으로 앞서 있어 신기술 개념의 전력저장기술의 비약적 성능향상과 저코스트화를 연구 중인데 상당히 주목되는 부문이다. SOFC는 발전효율이 높고 고가의 백금촉매를 필요로 하지 않기 때문에 일본이 축적한 세라믹 기술을 활용하여 분산전원으로의 확대와 이에 대비한 내구성 등 실증 데이터의 확보를 기하고 있다.앞선 기술을 눈여겨볼 필요가 있다. <편집자 주 : 본 원고는‘FCH Fuel Cell & Hydrogen 2OO8’에 실린 내용을
한국과학기술정보연구원 손영목 전문연구위원이 번역하고 전문가 의견을 제시한 것으로 ReSEAT

(고경력 과학기술인 홈페이지)에서 발췌했다.>

1. 서론
최근 지구환경 문제에 대한 인식이 높아지면서 고체 고분자연료전지를 중심으로 하는 연료전지 기술개발이 세계적인 각축을 벌이고 있다. 일본에서도 자동차용, 정치용, 휴대전자기기용 등의 연료전지의 실용화를 향한 연구개발이 국가, 민간레벨에서 적극적으로 수행되고 있다. 또한 산학연의 협력으로 수소에너지 이용 기술 개발, 연료전지 자동차. 수소 스테이션.정치형 연료전지의 실증시험, 기준. 표준 등의 기반 정비사업 등 실용화를 향한 여러 가지의 방안이 체계적으로 추진되고 있다. 이어서 연료전지의 도입 보급, 수소사회 구축에관계된 규제의 재점검도 정부의 일체적인 정책으로 착실하게 시행되고 있다. 이 보고서는 일본 NEDO에서 발행한 2007년의 연료전지와 수소 기술에 대한 총괄적인 간략 보고서이다.

1. 수소 과제
NEDO 기술 개발 기구는 연료전지 자동차 같이 청정수소를이용하는 사회의 실현을 목표로 연구한다. 앞으로 수소에너지의 이용이 진행되면서 대기오염이나 지구온난화를 억제하는 데 많은 효과가 있으리라 여긴다. 그러나 수소에너지의 보급에는 많은 기술적 과제가 있는데, 수소의 제조, 저장, 수송,이용을 포함하는 전체의 시스템을 구축하는 것이 필요하다.

■ 특징
- 연소 시 유해가스가 없다.
- 천연가스, 물, 바이오매스 등 다양한 물질로부터 제조한다.
- 지구온난화의 원인인 CO2의 배출 경감에 공헌한다.

■ 과제
- 제조코스트의 저감, 생산능력의 향상
- 콤팩트 저장방법
- 수소 취화 등 수소특유의 문제 개선
- 충분한 안전성 확보
- 제조, 저장, 수송, 이용을 포함하는 전체 시스템의 구축

2. 연료전지(FC) 과제
연료전지는 2개의 전극이 있고 가운데 전해질이 있다. 이전해질은 전자는 통과시키지 않고 이온만 통과시킨다. 이의

분류는 저온역에 고체고분자형, 알칼리형, 인산형 연료전지, 고온역에 용융탄산염형, 고체산화물형 연료전지가 있다.

■ 특징
- 이론적 발전효율이 높다(약 83%).
- CO2의 발생이 없다.
- NOx, SOx의 발생이 없다.
- 열병합발전 등으로 전체 효율이 높다.
- 연료인 수소를 여러 가지 원료로부터 제조한다.
- 소음, 진동이 없다.

■ 과제
- 시스템의 발전효율 향상
- 코스트 저감
- 내구성 향상
- 반응기구의 충분한 이해

Ⅱ 연구과제별 개요

1. 고체 고분자형 연료전지 실용화 전략적 기술개발

■ 프로젝트의 배경
연료 중에서 PEFC는 고출력밀도, 저온작동 등의 특징을 활용하여 가정용, 연료전지 자동차 등의 차세대 에너지 공급기구로서 본격적 실용화를 목표로 기술과제의 브레이크스루를 위한 기술개발을 실시하고 있다.

■ 프로젝트의 특징
기초적 공통적 과제의 접근으로 내구성, 경제성 및 열화기구의 규명 등에 공동체를 형성하여 복합적으로 접근한다. 요소 기술개발로 전해질막, 세퍼레이터, 주변기기, 개질기 등요소 기술의 첨단적 기술개발과 실용화 기술개발로 부재생산공정기술과 양산화 기술개발. 차세대 기술개발로 FCV의 본격적 보급시기를 2020-2030년으로 상정하여 새로운 고성능재료의 탐색, 나노분자 구조 제어, 셀 내의 반응기구와 물질 이동의 과학적 기초적 연구개발 등

■ 토픽
세계 최초로 연료전지 내의 산소농도 분포의 가시화에 성공하였다. 산소, 온도, 수분 3성분의 동시계측 가시화의 실현이 예상되어 MEA, 셀의 고성능설계와 열화기구의 규명이 가능성이 기대된다.

■ 전망
이 과제는 2005-2009년의 과제로 산학의 예지를 결집, 강력 추진하여 PEFC의 효율, 신뢰성의 확보로 본격 보급을 겨냥한다.

2. 정치형 연료전지 대규모 실증 연구사업

■ 프로젝트의 배경
연료전지(FC)의 실용화와 보급은 대폭적인 코스트삭감, 내구성의 향상의 향상이 필요, 따라서 필드에서의 라이프스타일에 맞는 실제 사용조건의 데이터 수집으로 양산화에 필요하다.

■ 프로젝트의 특징
이 사업은 가정용에 설치하는 세계 최초의 대규모사업으로FC 기술의 비약적 진보를 기대, 가스와 석유회사도 참여시켜시장창출의 실현성을 극대화한다.

■ 향후계획
PEFC 실용화 전략적 기술개발과 연계하여 PEFC의 보급촉진을 도모한다.

3. 고내구성 멤브레인형 LP가스 개질장치의 개발

■ 프로젝트의 배경
LPG는 석탄, 석유에 비해서 CO2 배출량이 적고 압력용기로 수송이 간편하여 일본 전국의 56%가 LPG를 사용한다. 이LPG의 개질은 수증기개질의 멤브레인 리엑터이다. 이의 실용화는 효율이 좋고 콤팩트한 사이즈로 고순도의 수소를 얻을 수 있어 FC 시스템에 널리 보급이 기대된다.

■ 프로젝트의 특징
고내구성 수소 분리막의 개발은 개질가스 중에 공존하는 CO, CO2, 메탄 등이 수소 분리막에 끼치는 영향을 규명하여 내구성 향상에 반영한다. 또한 분리막은 Pd합금의 박막으로세공의 균일화와 지지체로의 가공법과 내열성 향상을 검토한다.
LPG 개질장치의 개발은 개질온도를 550-600℃로 낮추면서 탄소석출에 강한 개질촉매의 개발이 필요하다. 또한 이들의 개질 전체 효율 향상을 목적으로 평가와 최적화를 행한다.

■ 향후 계획
고내구성, 고효율의 콤팩트한 개질장치의 개발을 도모한다.

4. 수소 첨단과학 기초연구 사업

■ 프로젝트의 배경
수소에너지 사회의 구축에는 대용량 수소의 콤팩트한 수송과 저장이 필요하다. 이에 대하여 고압수소의 물성, 수소취화의 규명과 대책, 장기사용의 재료강도 특성연구, 수소 확산,누설거동의 시뮬레이션 등의 연구이다.

■ 프로젝트의 특징
고압수소 물성의 기초연구는 고압수소 취급 기기의 설계에소요되는 기존의 학설 이외에 초고압 물성, 저장재료의 열적물성 등의 데이터를 정비한다. 고압/액화에 의한 금속재료 등의 수소취화 기본원리의 규명
과 대책검토는 어떠한 환경과 재료가 초고압수소 환경 하에서 영향을 받는 기구를 규명한다.
액화/고압상태에서 장기 사용과 가공, 온도 등의 영향에 의한 재료 강도 특성연구는 성형, 용접, 표면처리 등이 가속열화 시험과 재료 열화 단기 시험 방법을 제안한다. 재료 등 내부의 수소 확산, 누설 등의 수소거동 시뮬레이션
연구는 고체 내 수소 확산의 시뮬레이션과 수소가 재료 강도 나 피로 강도에 영향을 미치는 기구를 규명한다.

■ 토픽
2006년 Kyushu대학 Ito 캠퍼스에 설치한 수소재료 첨단과학 연구센터(HYDROGENIUS)를 중심으로 활동 중이다. 실험시설, 기구의 도입과 국내외 연구원을 초청하기도 한다.

■ 향후계획
위의 센터를 중심으로 2012년까지 각종 재료에 영향을 미치는 기구와 고압/액화상태의 수소특성을 규명하여 산업화한다.

5 수소사회 구축 공통기반 정비사업

■ 프로젝트의 배경
기존 사회에 본격적으로 수소에너지를 도입하기 위해서는수소의 제조, 수송, 저장, 충진 등 공급설비의 정비가 필요하고 공업지역 이외의 취급은 규제완화 등 소프트 인프라의 정비가 필요하다. 이는 국제적 규범으로 확대된다.

■ 프로젝트의 특징
FC 자동차에 관계된 규제 재점검과 표준화를 위한 연구개발은 FC 성능평가법의 표준화와 수소/FCV의 안전성 검정 평가이다. 정치형 FC 시스템과 관련된 규제 재점검과 표준화를 위한 연구개발은 정치형 PEFC와 관계된 안정성 확보를 위한 데이터 수집과 차세대 FC에 관한 기준/표준화 검토를 위한 데이터 수집이다.
수소 인프라 등에 관계된 규제 재점검과 표준화를 위한 연구개발은 수소 스테이션 등에 관련된 기반정비, 수소분위기하에서의 재료의 안정성 검정과 수소 기초물성의 파악이다.

■ 향후계획
규제완화/국제표준화에 필요한 얻어진 데이터들을 기초로하여 2009년도까지 예시 기준안과 국제표준안을 제안한다..

6 수소 안전 이용 등 기반기술 개발

■ 프로젝트의 배경
FC에 수소의 공급 체계 정비를 위해서는 수소의 제조, 수송,저장, 충진 등에 관계되는 실용화 기술의 확립이 전제된다.

■ 프로젝트의 특징
수소의 제조, 수송, 저장, 충진 등에 관계되는 기술에 관하여 성능, 경제성, 신뢰성, 내구성 향상, 소형화 등을 목표로
연구한다. FC/수소에너지의 실용화에 의한 새로운 에너지 시스템을 구축한다.

■ 토픽
고효율 수소제조 멤브레인 기술의 개발은 Tokyo가스(주),Mitsubishi중공업 등이 참여하여 도시가스 개질기 내에 수소분리막을 장치하여 개질반응과 수소정제를 동시에 시행하는신개념의 수소 제조 장치의 고효율화를 기한다.
100MPa급 수소압축기의 개발은 Hitachi 등이 참여하여 FC 자동차의 주행거리의 연장과 적재 탱크의 소형화 및 충진시간 단축을 위하여 토출압력 100MPa, 300Nm3/h 대용량의고압수소 압축기를 개발한다.

수소충전기의 실용화 기술의 개발은 Tokyutechno(주), Hitachi 등 이 참여하여 70MPa의 고압수소를 안전/용이하
게 조작하여 FC 자동차 등에 충전하기 위한 수소충전기와 그의 요소기기 및 충전제어 시스템의 실용화를 연구한다.
수소흡장합금과 초고압 용기를 조합한 하이브리드 저장탱크의 연구개발은 Samtech(주), (재)일본자동차연구소 등이 참여한다. 수소저장합금과 35MPa급 자동차용 압축수소 용기를 조합한 하이브리드 저장탱크와 MH 카트리지 내장 라이너의 생산기술의 개발로 저장밀도와 충진 시간 향상을 기하고 있다.

■ 향후계획
FC 자동차의 온보드 수소저장 탱크와 수소공급을 위한 압축 충전 장치, 수소가스 센서 등 수소 스테이션의 안정성 확보를 위한 기술, 액체수소 운반 컨테이너 등을 개발한다.

7 수소 저장 재료 첨단기반 연구사업

■ 프로젝트의 배경
수소 저장 재료는 온보드용으로 5-6wt% 이상으로 저장성능을 갖는 재료로서 적절한 수소화 엔탈피를 갖고 입출 사이클에 대한 충분한 내구성이 요구된다. 이에 흡장기구의 규명과 물성의 파악이 요구된다.

■ 프로젝트의 특징
금속계 흡장재료의 기초연구는 금속계 재료의 결정구조, 국소구조, 결함구조 등의 여러 스케일에 대응한 구조해석을 통하여 반응기구의 해석 등을 수행한다.
비금속계 수소 저장 재료의 기초연구는 경원소 수소 저장재료로 NaAlH4, MgH2, Li-Mg-N-H 등 중량 수소밀도가
수소 저장 합금에 비해서 커야 하고, 탱크의 경량화를 기한다. 촉매나 복수의 수소화물 등 나노복합화에 의해서 목표달성을 기한다. 수소와 재료의 상호작용의 실험적 규명은 수소와 재료의 상호작용의 규명을 위해 고밀도 수소화물의 구조물성, 재료표면의 화학적 제어와 재료특성의 관계, 저장물질의 국소 전자상태와 구조변화, 재료의 전자물성 등을 M-e-H 간 상호작용의 NMR 분광 해석을 SPring-8로 분석한다.

계산 과학적 방법에 기초한 수소흡장재료의 특성평가와 기구규명에 관한 연구는 제1원리 계산을 사용하여 여러 가지 수소저장계의 가장 안정 수소 위치, 전자밀도 분포, 전자구조, 수소 저장과정의 다이내믹 해석 등을 행한다. 중성자 실험장치에 의한 수소 저장 재료에 관한 공통 기반연구는 수소저장합금으로 무기재료, 탄소재료, 산화물재료등의 구조 개념을 정리하고 J-PARC에서 중성자전산란장치로 구조연구를 행한다.

■ 연구체제
NEDO가 프로젝트 리더를 맡고 그 밑에 서브리더로서 5개의 재료 물성, 중성자 그룹이 있으며 전체 대학과 연구소를 포함하여 24개 기관이 참여한다.

■ 향후계획
세계 톱 레벨의 양자빔시설(SPring-8, J-PARC)을 활용하게 된다.

8 차세대 자동차용 고성능 축전 시스템 기술개발

■ 프로젝트의 배경
석유 의존도의 저감을 위하여 FC, 전기, 하이브리드 등 자동차의 보급은 고성능 축전지 기술의 개발이 중요하다. 이는 전력 저장 기술의 비약적 성능향상과 저코스트화를 목적으로 산학연 협동으로 수행한다.

■ 프로젝트의 특징
요소 기술 개발은 리튬전지 등의 고성능화, 저코스트화를 위한 요소기술과 전지제어와 모터 등 주변기기의 개발
차세대 기술개발은 차세대 축전지에 요구되는 코스트, 수명, 안전성, 에너지밀도, 출력밀도 등 신개념의 재료로 원리와 구조에 대한 기술개발이다.
기반 기술개발은 축전지의 수명예측, 내구성, 안정성 시험방법의 확립과 표준화로 성능향상 인자의 해석, 반응기구의 해석방법 확립 등이 있다.

■ 토픽
요소기술, 차세대 기술개발, 기반기술 개발에 각각 위탁 연구과제가 12, 11, 1건으로 전지모듈, 이온액체 신규전해질, 합금계 정부극, 공기전지 등 연구 개발과제가 있다.

■ 향후계획
Li-HEV 등 시판 Li이온 전지의 성능을 상회하는 신개념의고성능 전지개발

9 고체산화물형 연료전지(SOFC) 시스템 기술개발

■ 프로젝트의 배경
화석연료의 대체에너지로 고온형 FC의 연구개발을 가속하여 열병합발전 시장과 분산전지 시장에의 진입을 적극적으로 추진할 필요가 있다.

■ 프로젝트의 특징
시스템 기술개발은 10-100㎾급의 열병합 발전시스템의 설계 제작의 열병합 발전시스템 개발, 마이크로 터빈과 SOFC의 결합한 100㎾급의 컴바인드 사이클 시스템 개발 및 전기적, 열적 성능 평가의 SOFC 시스템 성능평가 기술개발이 포함되어 있다. 요소 기술개발은 SOFC의 열화기구를 규명하는 신뢰성 향상에 관한 연구개발, 소형 저가화를 위한 셀. 스택의 고출력화에 관한 연구개발, 불순물과 독성물질에 의한 저항성을 위한 적응성 확대에 관한 연구개발이 있다.

■ 향후계획
성능검정과 기본시스템 기술은 확립되었고, 차세대 SOFC에 필요한 요소기술 확립을 목표로 연구를 진행한다.

10 고체산화물형 연료전지 실증연구

■ 프로젝트의 배경
SOFC는 발전효율이 높고 고가의 백금촉매를 필요로 하지않기 때문에 일본이 축적한 세라믹 기술을 활용하여 분산전원으로의 확대가 요구된다. 이에 대비한 내구성 등 실증 데이터의 확보를 기한다.

■ 프로젝트의 특징
출력 1-10㎾ 정도의 소형 SOFC를 대상으로 실재의 부하를걸어 내구성, 운전, 고장, 효율 데이터를 수집 평가하여 실용화를 촉진한다.

■ 향후계획
전술한 SOFC 시스템 기술개발과 연계하여 SOFC 실용화를 촉진한다.

출처 : NEDO, “FCH Fuel Cell & Hydrogen 2OO8”, NEDO, 2008,
pp.1~32