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환경친화 '고분자 전해질 연료전지' 2008-02-05 10:33
교토의정서의 발효에 따라 온실가스 감축부담이 본격화되고, 중동지역의 정정불안, BRICs 국가의 에너지 수요증가, OPEC의 시장지배력 강화 등에 의해 고유가 상황이 고착되면서 미래 신에너지의 필요성과 중요성이 부각되고 있다. 이러한 현 상황의 고유가, 석유위기, 기후변화 위기와 환경과 삶의 질에 관한 일반인들의 관심의 증가로, 보다 깨끗하고 효율적인 대체 신에너지 개념의 연료전지에 대한 기술개발과 특허출원이 활발히 이뤄지고 있다.

연료전지(Fuel Cell)란 수소와 산소(산화제 가스)를 결합시켜 전기를 생산하는 발전(發電)형 전지(電池)다. 연료전지는 건전지나 축전지 등 일반 화학전지와 달리 수소와 산소가 공급되는 한 계속 전기를 생산할 수 있어 장소에 구애 없이 사용할 수 있다. 특히 열손실이 없어 내연기관보다 효율이 2배 가량 높다.

연료전지는 배기가스 대신 물이 생성돼 환경친화적이며, 석유, 메탄올, 천연가스, 바이오 매스 등에서의 추출 및 광촉매와 태양 에너지에 의한 물 분해에 의해 생산되는 수소를 연료로 이용할 수 있다. 따라서 환경오염 문제 및 자원고갈에 대한 걱정을 줄일 수 있어 신에너지로서 부각되고 있다.

연료전지는 전해질의 종류에 따라서 크게 고분자 전해질형, 인산형(PAFC), 용융탄산염형(MCFC), 고체산화물형(SOFC), 알칼리형(AFC) 연료 전지로 분류된다. 이중 고분자 전해질 연료전지는 사용 연료의 종류에 따라 수소를 사용하는 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)와 메탄올을 사용하는 DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)로 나누어진다. 고분자 전해질 연료전지의 전해질은 액체가 아닌 고체 고분자 막(membrane)으로서 인산형, 용융탄산염형, 고체산화물형 연료전지에 비해 저온에서 동작되고, 출력밀도가 크므로 소형화가 가능하다. 대규모 발전 시스템 이외의 자동차, 주거 시설, 노트북 PC, 휴대폰 등의 실생활에 사용되는 전자 기기의 모든 영역에 폭넓게 사용될 수 있어 자동차 및 이동용 전원에 대한 수요가 높아지는 현 시장 상황에 맞물려 각광을 받고 있다.

향후 예상되는 급격한 전력 및 에너지 소비 증가에 따른 에너지 고갈과 점점 더 심각해지는 환경 문제를 해결할 수 있는 청정에너지원이며 일반 대중이 쉽게 접해 사용 가능한 것이 바로 '고분자 전해질 연료전지'다. 기존의 에너지 변환 방식과는 달리 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환함으로써 고효율, 고출력, 무공해 및 무소음의 특징을 갖는 발전 시스템인 고분자 전해질 연료전지의 국가경쟁력 확보 차원에서, 연료전지의 셀 스택과 시스템 및 운전의 요소기술을 중심으로 국내외의 특허동향 및 대응방안을 알아본다.

고분자 전해질 연료전지는 크게 두 개의 구성 요소로 나눠지는데 하나는 셀 스택 부분이au, 다른 하나는 시스템 및 운전 부분이다. 셀 스택은 전기를 궁극적으로 생산하는 부분이며, 세부적으로는 연료와 산화가스가 공급되는 양극·음극 전극촉매, 전해질, 그리고 이 양극·음극 전극촉매 사이에 전해질을 삽입해 접합한 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly), 연료전지는 다중의 막-전극 접합체로 이루어지는데 이런 다중의 막-전극 접합체를 사이를 분리하는 분리판, 공급된 연료와 산화제 가스를 전극촉매에 고루 분산시켜주는 가스확산층과 상기 MEA, 분리판, 가스확산층 등이 최종 적층된 스택으로 분류된다. 시스템 및 운전 요소 부분은 연료 공급 장치, 산화제 가스 공급 장치, 연료전지에서 발생하는 열을 조절하기 위한 열-물 관리 장치, 전력 변환 장치, 제어 장치와 상기 연료·산화제 가스 공급, 열-물 관리, 전력 변환, 제어 장치를 최종적으로 연결해 구성한 시스템으로 분류된다.

크게 셀 스택과 시스템 및 운전 요소 부분으로 분류된 상기 구성 요소들을 포함하는 고분자 전해질 연료전지의 1985년 1월 1일부터 2006년 5월 31일까지 출원, 공개(등록)된 한국, 미국, 일본, 유럽 4개국 특허를 대상으로 수행한 특허분석 자료에 따르면 고분자 전해질 연료전지의 국가 및 기술별 전체 특허동향에 있어 전체 5976건 중 일본특허가 셀 스택 기술 1209건과 시스템 및 운전 기술 1519건으로 총 2728건을 출원하고 있다. 미국특허 2093건, 한국특허 605건, 유럽특허 550건 순으로 출원 동향을 보이고 있다.

전체 출원건수 중 시스템 및 운전 기술이 3565건으로 60%를 점유하고 있으며, 셀 스택 기술의 2411건보다 연구개발이 활발한 것으로 나타났다. 한국특허상의 국내인 비율은 80% 이상이며, 고분자 전해질 연료전지에 대한 특허가 본격화된 한국특허의 출원연도는 일본특허와 미국특허에 비해 5~6년 이상 늦은 것으로 나타나 한국의 고분자 전해질 연료전지 기술의 연구개발이 선진국에 비해 매우 늦는 것으로 분석됐다.

셀 스택 기술의 특허건수는 2411건이며, 이 중에서 일본특허가 1209건으로 셀 스택 기술 전체 출원의 절반 정도의 수준을 점유하고 있고, 다음으로 미국특허 800건, 유럽특허 269건 순이며, 한국특허는 133건으로 특허건수가 타 국가에 비해 적게 나타나고 있다. 일본특허는 전극촉매, MEA, 분리판, 가스확산층 분야에서, 미국특허는 일본특허와 달리 전해질막, 스택 분야에서 출원이 활발히 진행되고 있다. 셀 스택의 요소기술별 출원동향을 보면, 전극촉매가 737건으로 셀 스택 부분에서 가장 많은 출원수를 나타내고 있어 연료전지 기술의 핵심 부분임을 알 수 있다.

전극촉매에 대한 다출원 회사로는 일본의 마츠시다가 최다출원하고 있으며 2000년대에 들어서 일본의 도요타 및 혼다 등의 자동차 회사가 마츠시다에 이어 다출원하고 있고 한국의 경우는 삼성 SDI가 2000년에 들어서 전해질막에 대해 많은 출원을 하고 있는 것으로 나타났다. 전극촉매 다음으로 다출원하고 있는 분야는 전해질막 533건, 분리판 458건, MEA 400건, 스택 분야 227건, 가스확산층 분야 56건 순서로 분석됐다.

시스템 및 운전 기술의 특허동향에 대해서, 시스템 및 운전 기술의 특허건수는 3565건이며, 이 중에서 일본특허가 1519건으로 나타나 시스템 및 운전 기술 부분에서 일본이 최다 출원국으로 나타나고 있고, 다음으로 미국특허 1293건, 한국특허 472건, 유럽특허 281건 순서이다. 시스템 및 운전의 요소기술별 출원동향을 보면, 시스템계가 1395건으로 가장 많은 출원 현황을 보이고 있다.

시스템계 관련 기술은 고분자 전해질 연료전지의 개별 요소 기술을 연계 조립해 최종적으로 연료전지를 제품화할 수 있는 것으로 이는 실제 연료전지 장치에 대한 제품화 연구가 활발히 진행되고 있는 추세다. 일본, 미국, 유럽, 한국 모두 2000∼2005년에 시스템계 관련 기술의 특허가 급신장하고 있는 것으로 나타나 이를 뒷받침하고 있다. 특히 일본의 경우는 도요타, 혼다, 닛산 등의 자동차 회사 중심으로 각 분야에서 많은 출원을 하고 있으며, 한국의 경우는 삼성 SDI가 2000년대에 들어서 시스템 기술분야에 비로소 많은 출원을 하고 있어 시스템 기술분야에서 일본의 자동차 회사들과 경쟁을 하고 있다. 시스템계 기술에 뒤를 이어 연료 공급계 1059건, 산화제 공급계 377건, 제어계 281건, 열 및 물 관리계 279건, 전력변환계 174건 순으로 출원 동향을 보이고 있으며, 일본특허의 경우는 1985년부터 1995년 사이에는 연료 공급계의 출원비율이 높았고 2000년 이후 시스템계의 출원이 급격히 증가하고 있으며, 미국은 2000년 이후 연료 공급계 및 시스템계의 출원이 일정하게 증가하는 경향을 보여주고 있다.

고분자 전해질 연료전지 기술개발은 세계 에너지 고갈에 따른 위기와 에너지자원이 부족해 해외 의존도가 높은 우리에게는 절실한 과제다. 한국보다 10 여년 전부터 일본과 미국 등 선진국이 기술개발을 해왔으며 앞으로도 선진국의 기술개발 주도는 계속될 것이다. 이 기술의 본격적인 상용화는 20년 이상의 시간을 요하는 장기적인 프로젝트이고, 현재 연료전지의 발전효율 및 안전성 확보에 관한 기술개발과 동시에 비용문제가 대두되고 있다.

연료전지 관련 세계 시장 형성 보고에 의하면, 영국의 ABI(Allied Business Intelligence)는 2003년 보고서에서 2010년까지 주거 분산발전형 (40억 달러), 휴대용(7.5억 달러) 및 자동차용 (3.75억 달러) 등의 연료전지 시장은 약 51억 달러로 성장할 것으로 추정 예측하고 2012년에는 124억 달러, 2013년에는 200억 달러(약 20조원) 정도로 전망했다.

일본의 후지 경제사는 '2005년판 연료전지 연관기술 장래전망'이란 보고서에서 2020년에 주거 분산발전형(3075억엔), 자동차용(9000억엔), 휴대기기용(144억엔)으로 연료전지 시장을 예측했다. 고분자 전해질 연료전지는 상기 주거 발전형, 자동차형, 휴대기기용 모두에 사용 가능한 연료전지 분야로 특히 각광을 받을 것이므로, 이러한 시장 현황과 맞물리어 현시점은 선진국에서 다소 취약하거나 소홀히 하고 있는 분야의 원천기술 개발과 더불어 실생활에 적용 가능하도록 최적의 결합을 통한 고분자 전해질 연료전지 최종 완제품을 만드는 기술 개발을 위한 국내업체들의 지속적인 투자확대로 외국 선진 기술종속을 피하는 특허권 확보 노력이 절실히 필요한 시기라 할 것이다.




특허청 환경화학심사팀 조준배 사무관    

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