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문제 정의
- 따라서, 본고에서는 백금의 세계 수급동향과 고분자 연료전지를 중심으로 한 백금 사용량 저감을 위한 기술개발 동향을 소개하고자 한다.
성능/효과
- 결론적으로, 가스 상의 원활한 이동이 농도분극을 유발하는 직접적인 원인이 되므로 가스 상의 이동경로인 기공과 관련한 미세조직이 농도분극 거동을 결정짓는다.
- 결론적으로, 가스 상의 원활한 이동이 농도분극을 유발하는 직접적인 원인이 되므로 가스 상의 이동경로인 기공과 관련한 미세조직이 농도분극 거동을 결정짓는다. 결론적으로, 고분자 연료전지의 성능은 반응 속도론을 얼마나 효율적으로 제어하는 가에 따라서 결정되며, 이는 전달 대상물질과 물질전달 경로와의 상관관계를 이해하고 물질전달반응에서의 저항을 최소화하는 구조제어기술이 중요하다는 것을 알 수 있다. 표 3은 MEA의 전반적인 개요와 기술동향에 대해서 요약하였고, 실제로 소재개발의 동향이 반응의 최적화와 더불어 경제성의 확보 측면에서 원천소재기술을 개발하고자 한다는 것을 확인할 수 있다.
- 그림에서 나타난 바와 같이 ’03년 이후 가격이 지속적으로 증가하는 양상을 보이며 ’08년 백금 세계 표준가격이 ’03년 대비 2.4배 상승한 것으로 나타났고, 2010년 10월에는 온스당 국제 기준가격이 1,700 달러를 넘어 가격상승이 선형적인 증가를 나타내고 있다.
- 세계 기술동향을 Sciencedirect를 통해서 분석한 결과 1990년에서 2000년까지 누적 연구결과에서 고분자연료전지는 2000년 이후에 크게 증가하는 양상을 보이고, MEA의 경우 2000년 이후 고분자전해질 연구와 유사한 연구활동을 보이며 MEA 제조공정기술은 2006년 이후 연구가 활발히 증가하는 양상을 나타냄을 확인 할 수 있다. 그림 10의 계열 1조건에서 고분자전해질 연료전지는 총 5,861 건의 연구결과를 나타내며 MEA는 2,198건, 그리고, MEA 제조기술은 662건으로 나타났다.
- 이상으로 백금의 공급적 측면과 수요적인 측면을 살펴보았고, 이미 상당한 수요-공급의 불균형이 전개되었고, 향후 수급의 불안정성은 더욱 확대될 것이라는 것을 예측할 수 있다. 실제로, 이러한 수급의 불안정성은 크게 가격의 불안정성과 공급 자체의 불안정성으로 현실화 될 수 있다.
- Grove가 개념을 정립하고 1952년 베이컨이 특허를 취득한 이후 아폴로 우주선에 활용되므로써 개념이 완성되었다. 이후에 다양한 개념의 연료전지가 제시되고 다양한 디자인과 특성의 제시과정을 통해서 산업화의 기반성과 기술적 완성도가 입증되었다. 그러나, 경제성이나 대량생산의 기술적 해법이 정립되지않아 아직 전환기로의 전환이 이루어지지 않은 것으로 판단한다.
후속연구
- 고분자 연료전지는 기본적으로 수소 산화반응과 산소 환원반응이 백금을 촉매로 발생하게 되며, 촉매반응 자체와 촉매반응 속도 및 촉매의 안정성이 MEA 및 스택의 성능을 결정짓게 되므로 연료전지의 성능, 경제성과 내구성이 백금에 크게 의존한다고 볼 수 있다. 결론적으로, 양산측면에서 연료전지의 경제성과 내구성의 확보를 동시에 해결할 수 있는 기술적인 방안이 모색되어야 한다. 그림 11은 고분자 전해질 연료전지의 기술개발 방향에 대해서 제시하였다.
- 백금은 수소의 산화반응과 산소의 환원반응을 유발하는 촉매소재로 고분자 전해질 연료전지의 원천소재이다. 결론적으로, 연료전지의 양산화를 위해서는 백금소재의 안정적인 수급이 담보되어야 할 필요성이 있지만 백금은 희소금속으로 자원이 유한하다는 근원적인 한계가 있다.
- 동시에, 자동차용 백금 수요가 ’03년 이후 전체 시장점유율의 50% 이상을 점유하는 것으로 보고되고 있다. 결론적으로, 현재까지의 백금의 수요는 내연기관 자동차 부문의 환경규제의 강화에 따라 배기가스정화용 백금촉매의 수요증가가 전체 백금의 수요를 견인하였고, 향후 수송기기에 대한 환경규제가 세계적으로 보다 강화되는 추세에 있어 백금촉매의 수요는 양적인 증가가 지속될 것으로 예상되며 청정 분산전원으로서의 연료전지가 발전원과 수송용 기기의 동력원등으로 진입함에 따른 신규 백금의 수요가 크게 증대될 것으로 예상된다.
- 희소금속인 백금을 부분적으로 대체하거나 전면적으로 대체할 수 있는 새로운 촉매소재의 개발이 백금 수급 안정성과 연료전지 경제성 측면에서 최종적인 해결방법이 될 수 있으나 전혀 새로운 소재의 개발은 장주기 기술개발을 특징으로 한다. 따라서 백금의 물질 사용 효율측면에서 백금의 실제 사용량을 저감할 수 있는 고기능성 백금촉매 소재와 백금 부분대체 촉매소재 및 전면대체 촉매소재의 개발이 고르게 전개될 필요가 있다. 또한, 소재연구와 더불어 전극 내 백금촉매의 위치를 자유롭게 제어하므로 반응효율과 물질효율을 높일 수 있는 전극 및 MEA 제조공정기술의 개발이 병행될 필요가 있다.
- 따라서 백금의 물질 사용 효율측면에서 백금의 실제 사용량을 저감할 수 있는 고기능성 백금촉매 소재와 백금 부분대체 촉매소재 및 전면대체 촉매소재의 개발이 고르게 전개될 필요가 있다. 또한, 소재연구와 더불어 전극 내 백금촉매의 위치를 자유롭게 제어하므로 반응효율과 물질효율을 높일 수 있는 전극 및 MEA 제조공정기술의 개발이 병행될 필요가 있다. 아울러, 내구성과 신뢰성의 측면에서 촉매, 전극, MEA의 특성평가와 최적의 운전조건을 도출 및 시스템기술의 개발은 연료전지라는 신수종 사업을 조기에 견인할 수 있는 방법론을 제시할 것이다.
- 사회적인 에너지 비용은 현재 기준으로는 수소 에너지원이 화석연료에 비해서 제조단가가 높으나 중장기적으로 화석연료의 유한성에 따라 가격이 증가 기조에 있으며, 이산화탄소, NOx, SOx, 입자상 유해물질(particulate matter)에 대한 환경비용 등이 화석연료의 사회적 비용을 높이는 반면, 신재생 에너지 발전단가 하락을 포함한 수소제조 단가의 하락이 수소 에너지의 에너지 비용 저감을 주도하여 에너지 비용적 측면에서 수소가 보다 유리한 에너지원으로 자리 잡게 될 것이다. 그러므로, 수소 사회로의 전환은 사회경제적 측면에서 이루어질 것으로 판단되나 문제는 얼마나 빠른 속도로 전환이 이루어질 것인가 하는 점이다.
- 또한, 소재연구와 더불어 전극 내 백금촉매의 위치를 자유롭게 제어하므로 반응효율과 물질효율을 높일 수 있는 전극 및 MEA 제조공정기술의 개발이 병행될 필요가 있다. 아울러, 내구성과 신뢰성의 측면에서 촉매, 전극, MEA의 특성평가와 최적의 운전조건을 도출 및 시스템기술의 개발은 연료전지라는 신수종 사업을 조기에 견인할 수 있는 방법론을 제시할 것이다. 아울러 광의의 관점에서 지속가능한 녹색성장을 지향하는 새로운 패러다임에 부합하기 위해서는 새롭게 제시되는 산업이 그림 13에 제안된 바와 같이 거시적으로 자원-소재-제품-사용후 제품의 물질 전주기적 측면에서 물질효율을 극대화하며 유해물질을 최소화할 수 있는 녹색순환의 경로를 형성할 수 있어야 한다.
- 다시 말해서, 전체비용의 30% 수준이 백금을 함유한 전극이 차지하고 있다. 향후 백금가격은 지속적으로 증가할 수밖에 없으므로 타 소재의 비용을 혁신적으로 절감한다 하더라도 백금가격증가에 따라 연료전지 가격의 감소효과는 크지 않을 것으로 판단된다. 이러한 요인이 백금 사용량 저감기술을 연료전지의 핵심기술로 간주하는 주요인이다.
- 고분자 전해질 연료전지는 수소사회의 전환과 그 과정에서 다양한 제품군으로 응용 가능한 신성장동력산업의 활성화에 있어 파급효과가 클 것으로 예상된다. 협의의 관점에서 고분자 전해질 연료전지와 관련하여 현재까지의 연구가 주로 연료전지의 다양한 산업적 응용을 검증하는 단계의 연구였다면 향후 연료전지는 산업화를 위한 양산기술과 이를 위한 원천기술의 개발이 주를 이룰 것으로 예상되며, 궁극적인 목표는 백금 의존성을 최소화한 고성능 연료전지의 대량생산기술이 될 것이다. 희소금속인 백금을 부분적으로 대체하거나 전면적으로 대체할 수 있는 새로운 촉매소재의 개발이 백금 수급 안정성과 연료전지 경제성 측면에서 최종적인 해결방법이 될 수 있으나 전혀 새로운 소재의 개발은 장주기 기술개발을 특징으로 한다.
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