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14 연료전지, 이제 나노기술로 만든다! 관리자 2005-05-25 5852

- 나노기술과 차세대 에너지원의 접목 - 

□ 온실가스 배출로 인한 심각한 지구 온난화, 기후변화 및 환경오염과 더불어 최근의 고유가 행진으로 인하여 인류의 주 에너지원인 석유와 석탄 같은 화석연료를 대체할 차세대 에너지의 개발에 대한 관심이 증가함에 따라 수소에너지를 이용한 연료전지(Fuel Cells)의 기술개발이 활발히 이루어지고 있다. 

○ 연료전지는 1893년 영국의 Sir Grove에 의해 그 원리가 발견 및 시현된 이후 1950년대 미국 NASA의 제미니/아폴로 우주선 개발계획에 의해 획기적인 발달이 이루어졌으며, 1990년대에는 GE 같은 다국적기업에 의해 대체 에너지원으로 인정받아 발전소, 자동차, 가정용 전원 및 휴대전자기기 등의 전원으로 다양한 연구가 이루어지고 있다. 

○ 연료전지는 작동온도와 전해질(Electrolyte)의 종류에 따라 분류되며, 현재 자동차, 가정용 전원 및 휴대전자기기의 전원으로 사용될 수 있는 고분자 전해질형과 직접 메탄올형의 연구가 활발히 이루어지고 있고, 연료전지란 수소를 전자와 수소 양이온(Proton)으로 분리하여 전자가 전기회로를 따라 전달되게 함으로써 전기를 발생시킨다. 분리된 수소 양이온은 전해질을 따라 전달되어 분리된 산소 음이온과 결합함으로써 안정된 물질 즉, 물로 전환된다. 

□ 고분자 전해질형 및 직접 메탄올형 연료전지의 핵심기술 및 부품은 금속촉매(Catalyst) 및 촉매담체(Catalyst support)를 포함하는 양극(+)과 음극(-), 고분자 화합물을 사용하는 전해질(Membrane) 및 양극, 음극 및 전해질을 결합시킨 MEA(Membrane Electrolyte Assembly)가 있고 또한, MEA를 양쪽에서 탄소판이나 금속판으로 덮어 보호하는 양극판(Bipolar plate), 전기적 제어부품(Control part) 및 수소저장(H2 storage) 기술 등이 필요하다. 

○ 나노기술은 1991년 일본의 Ijima에 의해 직경이 나노 크기인 탄소튜브(Carbon nanotubes)가 발견된 후, 일정 크기 이하로 제조된 물질이 가지는 성질을 이용하기 위하여 금속 및 무기물 분발, 탄소흡착제 등의 분야에서 지난 10여 년간 꾸준히 연구되었다. 

○ 연료전지에 사용되는 나노기술은 금속촉매 분야에서 금속을 나노 크기의 분발로 제조하여 적은양의 금속으로 더 큰 효과를 발현하기 위하여 사용되며, 촉매담체 분야에서는 나노 크기의 기공으로 표면이 이루어져 높은 표면적을 갖는 탄소소재를 이용하여 높은 분산력을 나타내도록 사용된다. 전해질은 대부분 고분자화합물로 구성되나 직접 메탄올형 연료전지의 경우 반응하지 않은 메탄올이 전해질을 통과하는 현상을 막기 위하여 무기물 나노 분말이 고분자화합물과 혼합되어 전해질을 제조하는데 사용된다. 양극판은 탄소 나노튜브나 탄소 나노분말을 이용하여 경량이면서 높은 전도성을 가지게 제조되며 탄소 나노튜브는 연료전지뿐만 아니라, 수소에너지의 상용화에 필수적인 수소저장물질로서 이용된다. 

□ 특허청 자료에 의하면, 

○ 나노기술을 이용한 연료전지 관련 특허출원은, 2000년부터 2004년까지 5년간 총 88건이 출원되었으며 특히 2001년 이후의 출원이 전체 출원의 80.7% 이상을 나타내고 있음은 최근 고유가로 인한 대체에너지에 대한 기술개발의 관심을 알 수 있고 또한 1990년대 초부터 연구되고 있는 나노기술이 2000년부터 소재 자체의 개발을 지나 실용화 단계에 접어들고 있음을 나타낸다. 내외국인 출원 동향은 총 88건 중 내국인 출원은 67건으로 76.1%, 외국인 출원이 21건, 23.9%를 차지하고 있다. 

○ 나노기술을 이용한 연료전지 관련 특허출원의 주요기술별을 보면, 금속분말을 이용한 촉매기술이 24건으로 약27.3%, 탄소소재를 이용한 촉매담체 기술은 23건, 약26.1%를 차지함으로, 이는 전체 출원 88건의 절반이상인 53.4%를 차지하고 있음을 보면 이 분야에 대한 적극적인 기술개발의 결과로 보이고, 또한 이 이밖에도 연료전지에서 전해질과 수소저장의 중요성이 증가하면서 이들 분야의 출원도 증가하고 있다. 

□ 향후전망 

○ 우리나라를 비롯한 세계 각국은 배출권 거래제의 시행을 앞두고 화석연료의 사용을 줄임으로부터 고유가와 환경문제를 동시에 해결할 수 있는 대체에너지 개발에 총력을 기울이고 있다. 

○ 대체에너지 기술 중 가장 각광받고 있는 연료전지는 미국, 캐나다, 독일 등 선진국에서는 이미 부분적으로 상용화가 이루어지고 있고 우리나라에서는 대기업과 연구소를 중심으로 활발한 연구가 이루어지고 있으나 연구, 개발수준이 아직 초기단계에 머물고 있다. 

○ 우리나라는 2003년도에 연료전지를 10대 성장 동력의 하나로 선정하여 기술개발에 관심을 기울이고 있어 이 분야도 기술우위를 통한 국가경쟁력 향상에 이바지 할 것으로 예상된다. 



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