화석연료를 대체할 에너지원으로 태양광, 풍력, bio mass, 수소 등 환경친화적이면서도 재생이 가능한 에너지가 유력히 검토되고 있다. 이중 수소는 에너지원으로서보다는 에너지를 전달하는 매체로서 가장 매력적인 것으로 여겨지고 있다.

현존하는 가스중 가장 가벼운 수소는 상온에서는 무색, 무취, 무미한 가연성 가스이고 무독성의 가스로 석유화학이나 석유정제분야에 주로 사용되고 있으며 고압가스안전관리법령에 따라 고압가스로 규제를 받고 있다.

미국, 일본 등 주요 선진국의 기준 개발 동향을 잠시 살펴보고 우리공사에서 추진하고 있는 수소관련 연구 동향을 간략히 소개하겠다.

미국 부시 대통령은 2003년 연두교서를 통해 12억달러에 달하는 FreedomCAR(Cooperative Automotive Research) and Fuel Initiative(무공해자동차협력연구 및 연료개발 선도계획)을 발표하였다. 이 계획은 연료전지 자동차와 전력 생산용으로 사용되는 수소를 생산, 저장, 수송하기 위한 기술과 기간시설(infrastructure)을 개발하는데 차후 5년에 걸쳐 신규로 7억 2,000만 달러를 투자하는 것이 될 것이다. 2002년 1월에 시작된 FreedomCAR and Fuel Initiative(무공해자동차협력연구 및 연료개발 선도계획)에 따라 부시대통령은 수소연료전지, 수소인프라 및 혁신자동차 기술들에 향후 5년간에 걸쳐 총액 17억달러의 투자를 제안하였다.

미국은 무공해자동차협력연구 및 연료개발 선도계획을 통해 기술과 비용면의 핵심 장벽들인 수소 생산비 저감 문제, 수소저장 신기술 개발문제, 수소 연료전지 제작단가를 적정 수준까지 낮추는 문제를 해결하고자 한다.

미국에서는 상용화를 위한 주요 요소로서 연구·개발뿐 아니라 안전과 코드 등에 많은 중점을 두고 있다.

특히, 상용화를 위한 연료전지 자동차용 수소 용기에 대하여 기존의 NGV2-2000 modified를 사용하던 것을 최근 HGV라는 새로운 기준으로 제정하기 위한 작업을 추진하고 있으며, 고정식 연료전지에 대한 기준을 ANSI FC 1:1998 기준을 새롭게 정비하여 ANSI/CSA FC 1 : 2004를 발간하여 운영중에 있다. 그 외에도 수소·연료전지 인프라 관련 기준 제정이 상당부분 마무리 될 것으로 전망된다.

일본도 고이즈미 총리가 2002년 2월 국회연설에서 “연료전지 자동차와 가정용연료전지 시스템을 3년 이내에 실용화”를 발표하였으며, 이에 대한 구체적인 후속조치로서 일본 정부내 관련 부처의 국장급으로 구성된 연락회의를 2002년 5월에 구성하고 연락회의의 실제적인 업무를 담당할 관련 부처의 과장급으로 구성된 연락회의 간사회를 구성하였다.

일본은 이미 수소에너지 기술개발 계획인 WE-NET(World Energy Network)을 중심으로 수소와 관련된 국책사업을 수행하고 있으며 동 계획은 1993년부터 2020년까지 25억불을 투자하여 연구를 수행하고 있으며 1999년부터 2005년까지 2단계 연구 수행하고 있다.

일본은 We-Net 프로그램에 이어 수소 및 연료전지에 대한 실증연구를 위하여 JHFC 프로그램을 발족하고 동 프로그램에 따라 아래와 같이 10개의 수소충전소를 건설하고 수소자동차에 대한 시범운영을 실시중에 있다.

유럽연합은 CUTE 프로젝트(Clean Urban Transport for Europe)에 연료전지 버스 실증계획이 10도시(유럽연합 9도시 + 아이슬란드)에 충전소가 설치되어 운영되고 있으며 관련 법령은 EIHP 프로그램을 통하여 2003년 12월에 최종(안)을 제시하고 이를 UN의 International regulation으로 반영하기 위하여 EIHP와 UN ECE의 연합모임을 정기적으로 개최하고 있다.

우리나라의 경우 산자부에서는 산·학·연 협력하에 수소 상용화 기술개발중이며, 과기부는 원천기술 중심으로 수소에 대한 연구 프로그램을 운영중에 있다. 산업자원부에서는 천연가스 이용 수소 생산기술, 수소-천연가스 중대형 동력시스템 개발 등을 실시하였고, 과기부에서는 고효율 수소제조 개발사업을 추진하고 있으며 이와 함께 21세기 수소 프론티어 사업을 연간 100억원 규모의 연구자금을 투자하여 수행중에 있다. 산자부에서는 수소와 함께 연료전지에 대한 개발도 ‘01년 신·재생에너지 기술개발 3대 중점분야중 하나(연료전지, 풍력, 태양광)로 선정, 집중적인 기술개발 투자중에 있다.

우리공사에서는 지난 2002년 말부터 수소·연료전지 관련 해외 동향을 파악하고 이에 대체하기 위한 방안을 모색하고 과학기술부의 21세기 프론티어개발 사업중 고효율 수소에너지 제조·저장·이용 기술개발 사업에 적극 참여하여 차세대 무공해 자동차로 각광받고 있는 연료전지자동차에 적용할 연료시스템인 초고압기체수소저장시스템의 인증을 위한 기술기준 개발 연구를 2003년부터 현대자동차와 함께 수행하고 있다.

수소연료전지자동차용 350 bar급 고압 수소기체 저장 시스템의 안전성을 보장할 수 있는 설계·해석·제작 및 시험평가의 기준 연구 및 국내 규격 초안을 작성하는 것이 주요 목표이다.

수소연료전지자동차에 탑재되는 수소기체 용기는 그 사용압력이 350 bar 이상의 초고압으로 동 시스템의 안전 확보는 차량의 상용화에 가장 중요한 과제이다.

금번 연구에서는 우리나라보다 기술이 앞서 있고 수소연료전지 자동차용 초고압 수소기체 저장용기에 대한 인증 사례가 있는 국외의 검사 및 시험 절차에 관한 조사·분석을 실시하고 이를 바탕으로 성능 기준(안)을 작성중에 있다.

국산화 개발되고 있는 Type 3 용기는 알루미늄 라이너(6061 T6)에 PAN계 탄소섬유를 적층하고 안전율 2.35, 내용적 70리터, 중량 33.4kg정도이고, Type 4용기는 HDPE 라이너에 PAN계 탄소섬유를 적층하고 안전율 2.35, 내용적 70리터, 중량 35kg 정도이다. 이러한 요구 성능을 확인하기 위한 시험평가 및 인증기술을 확보할 수 있는 기준의 제정을 위해서는 실험과 분석에 의한 경험을 바탕으로 시험평가 절차와 적합 기준을 작성하는 것이 이상적이나 국내의 기술개발 실태와 시료 구입 등이 이를 수행하기에는 곤란하므로 기술이 앞선 국가에서 제정을 추진하고 있는 규격의 초안들을 조사·분석하였고, 국내시장뿐 아니라 국외 시장에서도 적용할 수 있는 방향으로 기준(안)을 작성중에 있다.

수소연료전지 자동차에 적용될 초고압 수소기체 저장시스템은 최대내부압력에 대한 적절한 안전성, 내부에 고압이 가해질 때 용기에 영구적인 변형 저항, 장시간 사용에 대한 내구성과 용기의 수명에 대한 적절한 평가, 충격에 대한 저항, 저온과 고온 노출시의 재료 건전성, 화재시의 안전성, 고속 충격시의 건전성 확보가 요구되고 있다.

작성된 기준(안)의 제시된 주요 시험 항목은 용기 재료에 대한 시험(인장시험, 충격시험 등)과 완성된 용기에 대한 시험(압력시험, 압력반복시험, 화염시험, 총격시험, 낙하시험, 파열시험 등)으로 규정하고 있다. 기준(안)의 작성을 위해 참고한 선진국들의 기준 모두가 공히 용기의 사용 수명을 20년 이내로 규정하고 있으나, 수소 연료전지 자동차 용기 기준인 유럽이나 ISO 기준은 최소 충전횟수를 5,000회(1일 1회 15년 기준), 천연가스 자동차 용기 기준인 미국이나 일본의 기준은 1만1,250회(750회/년×15년 기준)로 규정하고 있으며 시험 온도와 압력에 대해서도 서로 다르게 규정된 것으로 조사되었다. 용기의 사용 안전성과 건전성을 확인하는 완성된 용기에 대한 시험의 경우 천연가스 자동차 용기 기준의 경우는 12종, 수소연료전지자동차 용기의 경우는 15종이 규정된 것으로 조사되었으나, 수소 용기 기준이 보다 가혹한 조건의 시험과 합격기준(예: 화염시험온도 천연가스 430℃, 수소 590℃)을 요구하는 것으로 조사되어 이를 반영하였다.

향후에는 사고사례조사와 실제 제작된 시험용 시제품 적용을 통하여 작성된 기준(안)에 요구되는 성능평가 및 인증기술의 적정성을 확인할 계획이다.

또한, 지난 2004년에는 산업자원부에서 주관하는 우리공사에서는 산업자원부의 대체에너지개발 연구프로젝트에 지난 9월부터 (주)퓨얼셀파워와 함께 참여하여 1kW급 가정용 연료전지에 대한 실증 운영을 기초로 하여 국내에 적용할 안전기준을 개발하고 있다.

주요 연구 내용으로는 1kW 고체고분자연료전지 시스템의 안전 관련 설계 및 구조를 분석하고 장기 기 운전·원격 제어 및 데이터 수집을 통하여 안전성에 대한 분석을 실시하고, 우리보다 먼저 실증연구를 수행하고 있는 일본의 연구 결과의 조사 분석을 통하여 실용화 시스템 상품의 표준 시험 기준을 제시할 계획이다.

연료전지 상용화의 최 선단에 위치한 것은 1kW급 가정용 고분자 연료전지 시스템에 대한 기준 개발 연구에도 참여하고 있다.

1kW 시스템은 기술적 난이도나 시장 침투의 용이성 등에서 성공확률이 높고 특히 일본, 한국, 대만과 같이 인구가 밀집되어 있고 도시가스 인프라가 잘 발달된 지역에서 계통연계형으로 운영하는 것을 주요 시장목표로 하고 있다. 일본은 수년전 이미 1kW급 가정용 고분자 연료전지 시스템 개발을 국가 목표로 하여 산학연이 집중적인 개발에 착수했다. 이미 여러 차례에 걸친 실증연구를 통하여 시스템을 개선, 개발 완성도를 높였으며 2005년부터 초기 시장 보급을 계획하고 있는 실정이다.

JIA(일본 가스기기검사협회)에서는 일본가스협회(JGA)로부터 위탁받아 2002년부터 일본의 가정용 연료전지 7개사 14대에 대하여 연료전지 실증평가를 실시하여 연료전지 관련 각종 실험방법을 확립하고 실용화에 대비한 인증기준을 제정하였다. 또한, 지난 12월 20일부터 신청받아 연료전지에 대한 인증업무를 시작하였다. 또한 인증을 위한 기준인 固·高分子形燃料電池·査規程(JIA F035-04)을 제정하고 도시가스 또는 LP가스를 연료로 사용하는 정격 출력 10 kW 미만의 고체고분자형 연료전지에 대하여 적용할 예정이다.

수소·연료전지는 화석연료의 한계를 극복하는 청정하고 재생가능한 대체에너지 자원으로 주목받고 있으며, 수소·연료전지를 기반으로 수소경제시대가 다음세대에는 가능할 것으로 기대된다. 하지만 이를 현실로 만들기 위해서는 극복해야 할 많은 기술장벽들과 시장의 장벽들이 있다.

특히, 수소·연료전지를 상용화하기 위해서는 필수적인 안전과 이를 기반으로 하는 제도의 보완은 선행되어야 할 과제이다. 미국과 일본의 사례에서 살펴본 바에서 짐작할 수 있듯이 선진국과의 기술차이는 분명하며 우리나라가 이런 기술적 차이를 극복하기 위해서는 선진국의 진행경과와 시행착오를 분석하고 우리나라 현실에 맞도록 재구성하는 것이 필요하다.

연구개발뿐 아니라 상용화를 위해서 제시되어야 할 안전관련 실험자료와 관련 기준의 제·개정을 위한 보다 적극적인 정부와 관련 기업 및 연구기관의 관심이 요구되고 있다.

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