2004. 11

고체산화물 연료전지S OFC의 연구동향 및 상용화 가능성

머 리 말

2 1세기는 지식과 정보가 그 국가의 경쟁력을 좌우하는 지식기

반 산업사회로 나아가고 있으며, 최고가 아니면 살아남을 수 없는

무한 경쟁시대가 되어가고 있습니다. 우리나라가 이러한 변화 속

에서 생존하기 위해서는 국가경쟁력 강화가 필수 불가결한 것으

로 인식되고 있으며, 이를 위해서는 선진국형 고부가가치 산업의

육성이 절실히 요구되고 있습니다.

이러한 시대적 요구속에서 한국과학기술정보연구원에서는 우

리나라가 지식기반 산업사회를 선도해 나아갈 수 있도록, 차세대

동력 산업에 대한 심층분석정보를 제공하고 있습니다. 이를 통해,

국가 과학기술 확산은 물론 국제경쟁력을 극대화시키기 위해 노

력하고 있습니다.

차세대 성장동력산업 분석의 일환으로 출간되는 본 보고서에서

는 우리나라의 신에너지 및 대체에너지 개발과 관련하여 고효율

의 청정에너지원으로 주목받고 있는 고체산화물 연료전지에 대하

여 기술개발 현황과 그 상용화 가능성을 분석하였습니다.

본 보고서는 고체산화물 연료전지에 대한 기술·시장의 분석,

이슈분석을 통해 체계적이고 심도있는 분석정보를 제공하고자 하

였습니다. 본 연구의 결과가 관련 과학기술정보를 국내에 확산시

키고, 이와 아울러, 관련 산업의 국제경쟁력 증대에 작으나마 도

움이 되었으면 합니다.

끝으로 본 보고서를 집필한 유재영 책임연구원, 김강회 선임연

구원, 여운동 연구원, 그리고 자문을 해주신 한국가스공사 김재동

박사님의 노고에 감사드리며, 수록된 내용은 한국과학기술정보연

구원의 공식의견이 아님을 밝혀두고자 합니다.

2 0 0 4년 1 1월

한국과학기술정보연구원

원 장

제1장 개 요 …………………………………………………………………1

1. 연구의 목적과 필요성………………………………………………………1

2. 연구 방법 ……………………………………………………………………3

제2장 기술동향분석 ………………………………………………………5

1. 기술의 특성 …………………………………………………………………5

가. SOFC의 특징 및 작동원리 …………………………………………………………………5

나. SOFC 시스템의 구성…………………………………………………………………………7

2. 연구 개발 동향 ……………………………………………………………1 0

가. 기술개발의 개요 ……………………………………………………………………………1 0

나. 기술개발 동향 ………………………………………………………………………………1 0

제3장 시장동향분석 ………………………………………………………1 7

1. 시장의 개요…………………………………………………………………1 7

2. 시장 전망……………………………………………………………………1 9

3. 업체 동향……………………………………………………………………2 1

i

목 차

제4장 이슈 분석 …………………………………………………………2 5

1. 분산형 발전과 연료전지 …………………………………………………2 5

2. SOFC의 상용화 가능성과 전망 …………………………………………2 8

참고문헌 ……………………………………………………………………3 5

i i

표 목차

주요 에너지원의 가채 년수………………………………………………………2

연료전지 종류 및 특성……………………………………………………………6

SOFC의 핵심기술 현황 …………………………………………………………1 1

분산발전용 연료전지의 기술전망………………………………………………1 4

정치형 연료전지와 연료전지 자동차의 규모 및 시장………………………1 9

용도 및 규모면에서 S O F C의 개발현황 ………………………………………2 3

분산형 전원의 g u i d e ……………………………………………………………2 6

정치형 발전시스템의 분류………………………………………………………2 6

연료전지와 기타 경쟁관계에 있는 발전시스템의 target 시장 ……………2 7

그림목차

SOFC의 작동원리 및 개념도…………………………………………………7

SOFC 시스템 구성도 …………………………………………………………8

연료처리장치의 복잡성과 연료전지의 연관성………………………………9

SECA의 프로젝트 개발 목표 ………………………………………………1 2

Sulzer-Hexis사의 1kW 가정용 SOFC 스택과 시스템 ……………………1 3

Delphi사의 5 k W급 APU 시스템 ……………………………………………1 5

Siemens-Westinghouse사의 2 5 0 k W급 복합발전……………………………1 5

세계 연료전지 시장예측………………………………………………………1 8

SOFC 가격예측 ………………………………………………………………2 0

소형 분산형 연료전지 시스템의 기술적 분포 ……………………………2 9

소형 분산형 연료전지 연료 …………………………………………………3 0

일본의 연료전지 개발 지원 예산 변화 추이………………………………3 2

i i i

i v

1

1. 연구의목적과필요성

○ 세계 에너지 수요가 산업의 발전과 인구증가에 따라 계속

증가하는 추세에 있음. 현재 주요 에너지원인 화석연료의

고갈과 함께 환경오염에 따른 지구 온난화 등 부작용으로

친환경적이면서 효율이 높은 고체산화물 연료전지( S O F C：

Solid Oxide Fuel Cell)의 중요성이 강조되고 있음.

- 석유는 2 0 1 0∼2 0 2 0년, 천연가스는 2 0 2 0∼2 0 2 5년에 생산량

이 정점에 도달할 것으로 예상.

- 1 9 9 7년 온실가스 감축을 위한 교토의정서가 채택되어 우

리나라를 비롯한 1 1 9개국이 2 0 0 3년에 비준하였으며, 선진

국은 2 0 0 8년 이후 온실가스 배출량 감축이 의무화되었고,

우리나라도 2차 공약기간중( 2 0 1 3∼2 0 1 7년) 온실가스 감축

의무 부담이 가시화될 전망임.

- S O F C는 열기관이 갖는 열역학적인 제한(Carnot 효율)을

받지 않기 때문에 발전효율이 기존의 발전장치에 비하여

제1장

개 요

매우 높음. 특히 발전과 동시에 지역 냉난방 등에 의한

열회수까지 고려한다면, 전체적인 효율은 80% 이상임.

- S O F C는 연료의 연소가 아닌 전기화학반응에 의해 전기

를 생산하기 때문에, 대기오염 물질인 질소 산화물( N O x ) ,

유황 화합물(SOx), 분진의 배출량이 극히 적고, 소음이나

진동이 없는 친환경적인 기술임.

- SOFC 발전시스템은 현재 중앙집중형의 전력생산 방식에

서 분산형 전력생산 방식으로 전환시킬 수 있는 기술로

써, 가정이나 산업현장에서 직접 전기를 생산, 공급하는

시스템이기 때문에, 송전/배전이 필요 없음.

- 따라서 송배전 전력손실, 선로 유지 보수문제 등 에너지

손실 및 관리유지비용 등을 최소화할 수 있고, 선로공사

로 인한 환경파괴도 없어 매우 경제적이고 환경친화적임.

○ 본 보고서에서는 S O F C의 전반적인 개발 현황 및 전망을

분석하고, 각 기업들의 연구개발현황 점검을 통하여 S O F C

의 상용화 가능성을 검토하고자 함.

2 고체산화물 연료전지

에너지 자원 석 유 천연가스 석 탄

가채년수 4 0 . 6년 6 0 . 7년 2 0 4년

주요 에너지원의 가채 년수( 2 0 0 2년 기준)

자료：BP statistical review of world energy 2003

2. 연구방법

○ S O F C의 기본기술과 연구개발 현황을 분석한 후, SOFC의

상용화 가능성을 검토하고자 함.

○ 제2장 기술동향분석에서는 한국과학기술정보연구원( K I S T I )

이 보유하고 있는 문헌과 최근 개최된 워크샵과 전문가 자

문 등을 통해 전체적인 기술동향을 분석함.

○ 제3장 시장동향분석에서는 S O F C의 미래 시장을 전망하고,

관련업체의 동향을 분석함.

○ 제4장 이슈분석에서는 S O F C와 경쟁구도를 형성할 수 있는

다른 분산형 발전장치의 경쟁요인을 분석하고, SOFC의 상

용화 가능성을 분석하고자 함.

제1장 개 요 3

4 고체산화물 연료전지

1. 기술의특성

○ S O F C는 전기화학적 반응에 의해 전기를 발생시키는 장치

로써 고효율이고 친환경적인 청정에너지 전환 장치임.

가. SOFC의특징및작동원리

○ S O F C는 연료전지의 한 종류로서 작동온도, 주연료의 형태,

사용되는 전해질에 따라 알칼리형 연료전지(AFC), 인산형

연료전지(PAFC), 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC), 용

융탄산염 연료전지(MCFC), 고체산화물 연료전지( S O F C )

등으로 분류됨.

○ S O F C는 구성소재가 모두 세라믹스와 금속으로 이루어져

있으며, 연료전지중 효율이 가장 높을 뿐 아니라 연료 선택

의 다양성이 있음.

○ S O F C는 산소이온 전해질을 막으로 하여 한쪽에는 탄화수

5

제2장

기술동향 분석

소나 수소를 포함하는 연료를, 다른 한쪽은 공기를 흘리게

되는데 이때 공기중 산소가 전해질막을 통해 연료극( a n o d e )

으로 이동하여 연료와 반응하며, 이때 전기와 이산화탄소

또는 물을 생성하게 됨.

○ S O F C는 이러한 연료의 산화반응시 발생하는 화학반응 에

너지를 바로 전기로 변환시키며, SOFC는 P E M F C와 달리

일산화탄소( C O )나 탄화수소계의 어떤 연료이든 모두 활용

가능하기 때문에 연료선택의 자유도가 높음.

6 고체산화물 연료전지

구 분 P E M F C P A F C M C F C S O F C

작동온도 5 0∼8 0℃ 1 6 0∼2 2 0℃ 6 2 0∼6 6 0℃ 8 0 0∼1 0 0 0℃

용 량 1∼5 0 0 k W 0 . 5∼1 . 2 M W 1∼2 0 M W 1 k W∼2 5 M W

효 율 5 0∼6 0 % 5 5 % 6 0∼6 5 % 6 0∼6 5 %

전해질이온전도성

고분자막인 산 용융탄산염 고체산화물

주원료 수소, 메탄올천연가스,

메탄올

천연가스,

석탄가스천연가스, 석탄가스

비 용

작동온도가 낮아 고가의

촉매 필요

고온 활성이 높아 저가의 촉매

사용 가능

외부 연료 개질장치( r e f o r m e r ,

converter) 필요

C O2 분리 장치

필요

연료처리 장치 간단

(internal reforming)

선택성작동 온도가 낮아 촉매나

연료의 선택에 제한

반응 속도가 빨라 촉매나 연료 선택의

폭이 넓음

안정성안정한 고상

전해질

액상 전해질이나 용융 상태의

전해질과 반응, 부식 등 문제안정한 고상 전해질

연료전지 종류 및 특성

나. SOFC 시스템의구성

○ 연료가스를 도입하여 최종으로 AC 전력과 열을 생산하기

위해서는 전기를 생산하는 SOFC 스택(stack), 스택에 수소

및 CO 가스를 공급하는 연료처리장치, SOFC 스택에서 생산

된 DC 전력을 AC 전력으로 전환할 직교전환시스템, SOFC

에서 발생하는 열을 회수하는 배열회수 장치 등이 필요함.

- 수소를 연료로 사용할 때, 연료극에 수소가 직접 공급되

어 스택이 작동되지만 천연가스를 사용할 때는 연료처리

제2장 기술동향 분석 7

SOFC의 작동원리 및 개념도

S O F CC O

R e a c t i o n

M a t e r i a l

P r e r e q u i s i t e

C O2O2

O2

O2

O2H2

H2

H2 ,H2O

H2O

O2 -

O2 -

Cathode, Air Anode, Fuel

1 / 2 O2 + 2 e-= O- 2

( L a , S r ) M n O3- Y S Z

Electronic &Ionic cond.

Gas PermeableHigh T stability

Electronic &Ionic cond.

Gas PermeableHigh T stability

Ionic cond.Dense bodyHigh Ts t a b .

Ni-YSZ cermet8mol% YSZ

O- 2+ H2= H O2+ 2 e-

1 0㎛

E l e c t r o l y t e

O- 2

시스템이 필요함.

- 연료처리장치는 천연가스 누출을 감지하기 위해 가하는

부취제의 제거장치와 천연가스에서 수소를 발생시키는

개질장치로 구성됨.

- 전기를 생산하는 스택부분에서는 연료처리장치에서 생산

된 수소 및 C O가 포함된 개질가스가 연료극에 공급되고,

공기극에는 공기가 공급되어, 수소/ C O와 공기가 전기화

학반응을 하여 전기와 열을 발생시킴.

- SOFC 시스템은 전기뿐만 아니라 열도 생산되는데 이 열

은 배열회수 장치로 회수하여 발전에 활용함

- 연료전지 시스템은 전기효율이 40% 정도이지만, SOFC

시스템에서 발생하는 열을 이용하면 전체적인 효율이

85% 이상이 될 수 있음

- 배열회수장치는 가정용 S O F C의 경우 난방 및 온수 가열

8 고체산화물 연료전지

SOFC 시스템 구성도

연 료

전 지

전기출력

열출력

연료

공기

연료처리장치

공 기공 급

제어시스템

직교전환장치

사이클시스템

배열회수장치

의 용도로 사용이 되고, 산업용인 경우 난방/온수 및 열

이용 장치를 작동시키는 역할을 함.

○ 기존의 P E M F C와 차세대 연료전지로 주목받고 있는 S O F C

의 에너지 전환 과정을 비교하면, PEMFC의 경우 천연가스

에서 부취제를 제거하는 탈황 → 천연가스에서 수소를 발생

시키는 개질(reforming) → 개질반응시 생성된 C O의 제거

(water shift reaction) → 수%의 C O를 ppm 단위로 낮추는

선택적 산화반응을 통하여 C O의 농도를 100ppm 이하로 제

어하여야 되어야 함. 그러나, SOFC의 경우 CO 가스도 연료

로 사용이 가능하기 때문에 연료처리장치가 간단해지는 장

점이 있음.

제2장 기술동향 분석 9

연료처리장치의 복잡성과 연료전지의 연관성

Natural GasS O F C

Thermally integratedr e f o r m e r

M C F CThermally integrated

r e f o r m e r

P A F C( C O < 5 % )

P E M F C( C O < 1 0 p p m )

S u l p h u rr e m o v a l

Conversion toH2 and CO

Shift reactionH2 and CO2

CO selectiveo x i d a t i o n

I n c r e a s i n gcomplexity offuel processing

Fuel cell types

5 0 0t o

8 0 0℃

5 0 0t o

8 0 0℃

6 5 0℃

2 0 0℃

8 0℃

3 0 0t o

5 0 0℃

2. 연구개발동향

가. 기술개발의개요

○ SOFC 기술은 상용화를 위하여 연료전지 시스템의 저가격

화, 고효율화, 장기 안전성 등의 방향으로 연구개발이 이루

어지고 있음.

○ 미국은 D O E (에너지성, Department of Energy) 주관으로 정

부-연구소-기업-대학의 연합프로그램( S E C A：Solid state

Energy Conversion Alliance)을 통해 2 0 1 0년 상용화를 목표

로, 1단계 SOFC 단가를 $800/kW, 2단계 $600/kW, 3단계

$ 4 0 0 / k W로 낮추어 실용화 시기를 앞당기려고 계획하고

있음.

○ 이러한 각각의 목표을 달성하기 위해서 SOFC 스택의 작동

온도 감소, 효율향상, 스택 밀봉재 개발, 스택 접속자의 저가

화, SOFC 시스템의 고효율화 및 장기 안정성 등과 같은 분

야에서 기술개발이 활발히 이루어지고 있음.

나. 기술개발동향

○ 현재 개발이 진행중인 SOFC 발전 시스템은 휴대용 5 0 0 W

시스템, 가정용 분산발전형(RPG, Residential Power

Generator) 1∼3kW 시스템, 자동차 보조전원용(APU) 5kW

1 0 고체산화물 연료전지

제2장 기술동향 분석 1 1

기 술

분 야개발목표 핵심기술

선진국대비

국내수준

소재

합성

전해질/전극 소재

양산화

·초미립, 고순도 분말 합성기술

·경제적 양산공정기술

·순도 및 입도분포 등 품질제어 기술

3 0 %

물성향상/

신소재

개발

7 0 0℃ 이하 저온용

신소재 개발 및 물성

향상

·이온전도도 향상, 계면분극감소에

의한 성능향상 기술

·전극/전해질 계면구조, 전극 미세

구조 제어기술

·저온작동 대체 전해질/전극재료

개발기술

4 0 %

단전지

제조

1 0 0∼4 0 0㎠ 단전지

( 0 . 4 W /㎠ , 700℃)

성능감소

0 . 5 % / 1 , 0 0 0시간

·전극/전해질 기판의 대면적화기술

·대면적 박막 전해질 코팅기술

·연속공정 및 동시소결 기술

·경제적 단전지 제조공정 기술

5 0 %

밀봉재열적 사이클,

분위기 안정성

·열팽창/열변형 제어기술

·대면적 밀봉재 제어기술

·열사이클 안정화 기술

·Wettability 제어기술

·고온내구성/내부식성 향상기술

3 0 %

접속자저가 금속재료

수명> 1 0 , 0 0 0시간

·저가 내열금속 소재개발

·열팽창계수 일치화기술

·접속자 표면 가공 및 처리 기술

·내산화성 향상기술

4 0 %

집전/

밀봉

·대면적 단전지 적층기술

·대면적 스택 밀봉기술·대면적

단전지 집전기술

3 0 %

스택

설계/

제조

4 0 0㎠ 단전지

적층에 의한 k W급

스택모듈

제조( 6 0 0∼7 0 0℃)

·대형 스택의 경제적 제조공정기술

·장기안정성/열사이클 안정성의

스택 설계/제조기술

·대형 스택의 신뢰성 향상기술

5 0%

SOFC의 핵심기술 현황

급, 그리고 대형 발전용 분산형 250kW 모듈 시스템 등으로

구분이 가능함.

○ S O F C는 고출력 밀도가 가능하고 연료로 디젤을 사용할 경

우에도 CO 처리문제가 없으므로 연료처리 시스템이 간단할

뿐 아니라 시스템 자체부피가 휴대용으로도 무게 10kg 이내

로 줄일 수 있음

- 미국의 TMI 및 Allied Signal Tech에서는 휴대가 가능한

1 2 고체산화물 연료전지

SECA의 프로젝트 개발 목표

Phase Ⅰ Phase Ⅱ Phase Ⅲ

Power Rating 3∼1 0 k W 3∼1 0 k W 3∼1 0 k W

C o s t $ 8 0 0 / k W $ 6 0 0 / k W $ 4 0 0 / k W

Efficiency(AC orD C / L H V )

Mobile 25%Stationary 35%

Mobile 30%Stationary 40%

Mobile 30%Stationary 40%

Steady State 1 , 5 0 0 h o u r s 1 , 5 0 0 h o u r s 1 , 5 0 0 h o u rs

·$ 8 0 0 / k W·P r o t o t y p e s ( B e t a )-Long Haul Trucks- R V’s- M i l i t a r y-Premium Power

2 0 0 5

·$ 6 0 0 / k W·Commercial Products-Transportation APUs-Residential &Industrial CHP

2 0 1 0 ·$ 4 0 0 / k W·Hybrid Systems-60~70% efficient

·Vision 21 PowerM o d u l e s-75% efficient

2 0 1 5

500W SOFC 시스템을 군사용으로 개발하고 있음.

○ 열과 전기를 동시에 생산하는 수k W급 소규모 가정용 분산

형 발전 시스템( R P G )의 경우, 대량생산에 의한 원가절감

효과가 빨리 나타나 가장 시장진입이 가장 빠르게 진행될

것으로 예상되고 있음.

- 스위스 S u l z e r - H e x i s에서 본격적으로 개발되고 있는 1∼

3 k W급 가정용 SOFC 발전시스템은 천연가스를 사용하여

열과 전기를 공급하는 시스템으로 현재 다수의 현장 시

험이 계속되고 있음.

○ 최근 자동차에는 전기/전자 장치의 비중이 크게 늘면서 고

효율의 발전장치가 필요하게 되었고, SOFC를 자동차의 보

조전원( A P U )으로 사용하는 것을 고려하고 있음.

- Delphi Automotive System은 1 9 9 9년부터 B M W와 함께

자동차 보조전원용 시스템을 개발하고 있으며, APU 시

제2장 기술동향 분석 1 3

Sulzer-Hexis사의 1kW 가정용 SOFC 스택과 시스템

스템은 SOFC 스택, 연료 개질기, 열관리 시스템, 배열회

수 시스템, 공기 공급장치, 제어시스템 등으로 구성되어

있음.

○ 대형 분산발전의 경우는 P A F C가 이미 시장에 진입한 상태

이며, 그 뒤를 이어 M C F C와 S O F C가 실용화될 것으로 예

상됨.

○ 특히 대형발전에서는 S O F C와 가스터빈의 병합발전이 주요

대안으로 받아들여지고 있으며, 연료전지-가스터빈( F C - G T )

하이브리드 시스템은 고효율 저공해 발전 방식으로 인정되

어 미국에서는 21C 연료전지 개발 프로그램의 일부로 연구

개발이 추진중에 있음.

- S i e m e n s - W e s t i n g h o u s e에서는 원통형 모듈과 가스터빈을

연계시킨 2 5 0 k W급 발전시스템을 구성하여 실증 시험을

수행하고 있음.

1 4 고체산화물 연료전지

구분 1 9 9 0년 2 0 0 0년 2 0 1 0년 2 0 2 0년 2 0 3 0년

국내 최소시장단계 기업화단계 시장자립화단계

해외 연구개발단계(소규모) 최소시장단계 기업화단계 시장보급

분산발전용 연료전지의 기술전망

제2장 기술동향 분석 1 5

Delphi사의 5 k W급 APU 시스템

Siemens-Westinghouse사의 2 5 0 k W급 복합발전

Four 15 Cell Modules

in Series

Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

Cathode Aira n d

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Cathode Aira n d

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Cathode Aira n d

Anide Gas lnlet

SOUD OXIDE FUEL CELL A P U

M a n n i f o l d i n gB a s e

M a n n i f o l d i n gB a s e

M a n n i f o l d i n gB a s e

M a n n i f o l d i n gB a s e

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M a n n i f o l d i n gB a s e

M a n n i f o l d i n gB a s e

1 6 고체산화물 연료전지

1. 시장의개요

○ 전력산업의 구조조정, 규제철폐, 고급 전기에 대한 수요증

가, 석유자원의 수급문제, 재래식 및 원자력 발전소의 입지

난 등으로 인해 신에너지 및 대체/청정 에너지의 개발수요

가 증가됨. 이에 따라 연료전지의 개발과 상용화 노력도 증

가되어 향후 대규모의 신규 시장 형성이 예측되고 있음.

○ 국내에서도 2 0 0 4년 5월 정부 주도로 연평균 2 0∼3 0 %씩 성

장하는 대체에너지 분야의 개발을 위해 오는 2 0 0 8년까지 약

2 , 5 0 0억원 이상을 투자하여 신에너지 부문에서 세계시장 공

략과 에너지산업 선진화를 위한 노력을 기울이고 있음.

○ 일본은 2 0 0 4년 신산업전략을 확정하여 연료전지를 포함한 7

분야의 시장규모를 2 0 1 0년까지 현재의 1 . 5배인 약 3 0 0조엔

정도로 육성시킬 계획을 수립하였음.

○ S O F C는 차세대 연료전지로서 PEMFC, PAFC, MCFC 중

1 7

제3장

시장동향 분석

에서 상용화가 가장 늦을 것으로 예상되고 있으며, 상용화

에 접근한 P E M F C도 아직 상품으로 시판되지 않고 있는

실정임. 연료전지의 전체적인 시장에 대한 예측은 과 같음.

○ 2 0 0 6년부터 가정용/상업용 연료전지의 시장형성이 본격적으

로 시작되어 2 0 1 3년에는 약 2 0 0억달러 규모로 성장이 예상

되고 있으며, 시장의 대부분이 P E M F C이고 S O F C가 일부를

차지할 것으로 예측됨.

○ Business Communication Company Inc.에서는 S O F C의 시장

규모가 2 0 0 8년 3 . 4 7억달러에 이를 것으로 예상하고 있으며,

연평균 성장률 2 2 %로 급격한 증가 추세를 보일 것으로 예

측하고 있음(report GB282：solid state fuel cells).

1 8 고체산화물 연료전지

세계 연료전지 시장예측

자료：Allied Business Intelligence Inc. 2003

2. 시장전망

○ 세계 연료전지 시장규모는 앞서 언급한 바와같이 2 0 0 7년 4 0

억달러에서 2 0 1 0년에는 약 1 0 0억달러에 이를 것으로 예상하

고 있으며, 국내는 2 0 0 7년 약 9 6 5억원, 2010년 4 , 8 2 5억원이

이를 것으로 추산됨. 이러한 시장에서 S O F C의 경우는 전체

의 약 1 0∼15% 규모로 성장할 것으로 판단됨.

○ 일본 실용화전략연구회에 따르면 PEMFC, PAFC, MCFC,

SOFC 등 모든 연료전지의 도입목표 및 시장규모를 정치형

과 자동차용으로 분류하여 산출하였고( ), 2020년도

에 S O F C를 포함한 정치형 시장이 2조 3천억엔에 이를 것

으로 전망됨.

제3장 시장동향 분석 1 9

일본시장 규모 2 0 1 0년도(￥) 2 0 2 0년도(￥)

자동차용 약 5 , 0 0 0억 약 5 . 6조

가 정 용 약 3 , 6 0 0억 약 1 . 7조

업 무 용 약 1 , 3 5 0억 약 6 , 6 0 0억

전체시장 약 1조 약 8조

용 도 2 0 1 0년도 2 0 2 0년도

자동차용 약 5만대 약 5백만대

정치형

전 체 약 2 . 1백만 k W 약 1 1백만 k W

가정용약 1 . 2백만 k W(약 1 . 2백만대)

약 5 . 7백만 k W(약 5 . 7백만대)

업무용 약 0 . 9백만 k W 약 4 . 4백만 kW

정치형 연료전지와 연료전지 자동차의 규모 및 시장

○ 미국 D e l p h i에서 예측한 SOFC 시스템 가격은 군사용에서는

$5,000/kW, 발전용으로는 $1,000/kW, 분산발전용 및 보조

전원용은 $ 4 0 0 / k W로 예측되며 가정용, 상업용 보조전원

용도의 시스템 가격 목표가 가장 낮음을 알 수 있음

○ SOFC 제작단가는 0 . 2 W / c m2의 성능, 수명 5년, 200

M W / y e a r의 생산속도를 가정할 때 구성 요소 재료비 및 가

공비를 포함하고 금속 분리판을 사용할 경우 약 $ 2 3 2∼

2 8 3 / k W이며, 세라믹 분리판을 사용할 경우는 $ 5 0 0 / k W로

추산됨.

○ 이는 2 0 0 k W급 발전 시스템에 가능한 최대 허용 스택 제작

단가($824/kW) 이하의 범위로 가정한 성능, 수명 및 생산속

도 등이 충족될 경우 경제성이 있는 것으로 판단하고 있음.

2 0 고체산화물 연료전지

SOFC 가격예측

1 0 , 0 0 0

2 0 0 0 2 0 0 4 2 0 0 8 2 0 1 2 2 0 1 6

1 , 0 0 0

1 0 0

현재기술

S E C A지원2세대 SOFC 기술

군 용

정치형

양산 자동차

분산전원/자동차 틈새시장

3 0 0 0 $ / k W

8 0 0 $ / k W

6 0 0 $ / k W

4 0 0 $ / k W

1 5 0 $ / k W

고집적 3세대 기술

●

●

●

●

●

자료：D e l p h i사, 2nd SECA Workshop

○ 1MW 또는 k W급 시스템에서는 현재 개발되고 있는 마이

크로터빈의 효율이 2 5 %로 낮아 SOFC 발전 시스템이 유리

한 위치에 있음

- 고성능 터빈의 경우 4 0 0 M W급 용량에서는 효율이 S O F C

시스템에 근접하여, 현재 터빈 기술의 신뢰성을 고려할

때 대형 발전용 S O F C ( 4 0 0 M W급 이상)의 시장 진입은

매우 어려울 것으로 예상됨

○ 수백 k W에서 M W급 분산형 전원의 경우 가스터빈과 연계

된 SOFC 발전 시스템의 시장 성장 가능성이 매우 밝으며,

2 0 1 0년까지 신설 전원의 2 0 %를 분산형 전원으로 대체하면

1년에 약 10GW 규모의 시장이 형성될 것으로 예측됨.

3. 업체동향

○ SOFC 관련 업체는 주로, 미국, 일본, 유럽에 분포되어 있고

국내의 경우 SOFC 전문업체는 거의 없는 상황이고, 일부

자동차관련 업체인 쌍용과 현대자동차가 K I S T와 공동연구

를 수행하고 있으며, 한국에너지기술연구원, 전력연구원, 한

국가스공사, 요업기술원 등의 연구소와 대학을 중심으로 연

구가 진행되고 있음.

○ 미국의 경우 VISION 21 및 SECA 프로그램으로 가정용 열

병합 발전기, 빌딩용 중대형 발전시스템, 대형 M W급

제3장 시장동향 분석 2 1

SOFC 복합 발전 시스템을 개발중에 있으며, 그밖에 다양한

개발이 진행되고 있음.

- 2 0 1 5년경 경제성 있는 SOFC 발전시스템을 실용화하기 위해,

스택제조단가가$100/kW, 발전시스템단가 $ 4 0 0 ~ 6 0 0 / k W ,

전체효율 7 0 ~ 8 0 %를 목표로진행중에있음.

- S i e m e n s - W e s t i n g h o u s e가 가정용 5 k W급 SOFC 시스템을

실증 후 보급예정이며, 원통형 220kW 시스템과 2 5 0 k W급

FC-GT 시스템을 개발

- Global thermalelectric은 평판형 연료전지로 k W급 시스템

을 개발

- Delphi automotive system에서 5 k W급 APU 시스템을 개발

- SOFCo사에서 평판형 k W급 스택을 개발

- Z t e k에서는 원반형 가압 25kW 모듈과 2 5 0 k W급 F C - G T

시스템을 개발

- Honeywell/GE, TMI는 각각 5 0 0 W급 시스템을 개발

- C o r n i n g은 거치식 1차전원과 열병합 발전에 사용되는

2 0 0 k W급 시스템을 개발

○ 일본의 경우 S O F C를 범국가사업으로 1 9 7 4년 개발을 시작

하였으며 Sunshine, Moon-light, New sunshine 계획으로 이

어지면서 산·학·연 공동연구로 평판형과 원통형 S O F C

개발을 병행하고 있음

- N E D O에서 주도중인 New sunshine 계획에서는 2 0 0 4년까

지 1 0 k W의 SOFC 모듈을 개발할 예정이고 성능감소율은

2 2 고체산화물 연료전지

1 , 0 0 0시간에 1 %로 설정하였음

- 일본 가스업계에서는 도쿄가스, 오사카가스, 토호가스에서

스택 모듈 및 시스템 실증운전을 중심으로 연구중임.

- 전원개발/ M i t s u b i s h i사가 석탄가스화/SOFC 복합발전

1 0 0 k W급 개발

- Murata에서 평판형 스택을 제작하여 평가

- ToTo 및 Kyushu 전력은 원통형 S O F C로 k W급 스택을

제작

○ 유럽의 경우 1 9 6 0년대 개발이 시작되었으나 1 9 7 6년 중지된

후, 1986년 유럽연합의 Joule program으로 다시 추진하고 있

으며, 독일, 스위스, 네덜란드, 덴마크에서는 셀 및 스택 연

구에 집중하고 있음.

제3장 시장동향 분석 2 3

용도 및 규모면에서 S O F C의 개발현황

구 분 기업/기관규모

( k W )

작동온도(℃) /

형태

가정용

( R P G )

Sulzer-Hexis Ltd

Fuel Cell tech. co

Global thermalelectric

McDermott tech. Inc

Tokyo Gas

1 ~ 3

5

1 ~ 2 5

2

1

9 5 0 / p l a n a r

1 0 0 0 / p l a n a r

7 0 0 - 8 0 0 / p l a n a r

9 5 0 / p l a n a r

이동형

(portable and

t r a n s p o r t a b l e )

S O F C o

T o y o t a

BMW, Rolls-Royce,

Delphi automotive system

2 5

1

수 k W

p l a n a r

p l a n a r

p l a n a r

정치형

( s t a t i o n a r y )

S i e m e n s - W e s t i n g h o u s e

Mitsubishi 중공업/전원개발

2 5 0

1 0 0

t u b u l a r

t u b u l a r

- 영국의 R o l l s - R o y c e사에서는 원통형과 평판형의 장단점을

보완한 1 k W급 집적 관상형 S O F C를 개발하였으며,

T e c h s y s사와 A d e l a n사가 소형 가정용 SOFC 개발중

- 스위스의 S u l z e r - H e x i s사는 1 k W급 SOFC 시스템을 개발

하여 판매중임.

- 독일의 S i e m e n s는 2 0 k W급 전해질 지지 평판형 SOFC 시

스템을 개발한 후, 미국 W e s t i n g h o u s e사와 합병하여 원통

형의 개발을 추진하고 있으며, Julich 연구소는 5 k W급 연

료극 지지 평판형 SOFC 시스템을 개발하였음.

○ 그밖에 호주의 Ceramic Fuel Cell에서는 전해질 지지 평판형

으로 1kW 스택을, 덴마크의 Riso 연구소는 0.5 kW급 음극

지지 평판형 스택을 개발하였음.

2 4 고체산화물 연료전지

1. 분산형발전과연료전지

○ 최근에 미국에서 발생한 전력위기, 그리고 중동 아시아의

불안정한 상황에 따른 유가 급등 등으로 인해 전력의 품질

과 신뢰성 문제가 중요한 이슈로 떠오르고 있어, 분산전원

시장의 성장성은 매우 높은 것으로 기대되고 있음.

○ 세계적으로 환경 및 에너지 관련 규약이 가장 까다롭다고 알

려진 미국의 경우 California Energy Commission의 분석

(California CEO 자료)에 따르면 미래형 에너지 보급 시스템

으로 예상되는 분산형 에너지원, 즉 DER(Distribute Energy

Resources) 기술로 다음과 같은 에너지원들이 제시됨.

○ 에서 보면 현재 분산형 발전용으로 가용한 에너지

원으로 터빈 기술과 내연, 외연 엔진기술, 그리고 연료전지

기술, 태양열, 풍력발전 기술 등이 제시되고 있으며, 미래형

분산 발전시스템으로 가장 적합한 것은 마이크로터빈( m i c r o -

t u r b i n e )과 연료전지 기술 또는 이러한 두 종류 발전방식의

2 5

제4장

이슈 분석

2 6 고체산화물 연료전지

DER Technology Commercially available Emerging Technology

M i c r o t u r b i n e s ○ ○

Combustion Turbines ○

Reciprocating Engines ○

Stirling Engine ○

Fuel Cells ○ ○

Energy Storage/UPS system ○ ○

Photovoltaic System ○

Wind System ○

Hybrid System ○

분산형 전원의 guide

정치형 발전시스템의 분류

T y p e s S i z e E f f i c i e n c y

Fuel Cells

P E M F C

P A F C

M C F C

S O F C

1∼5 0 0 k W

0 . 5∼1 . 2 M W

1∼2 0 M W

1 k W∼2 5 M W

4 0 %

4 0 %

5 5 %

6 5 %

E n g i n e s

D i e s e l

Internal Combustion

S t i r l i n g

5 0 k W∼6 M W

5 k W∼2 M W

1∼2 5 k W

3 3 ~ 3 6 %

3 3 ~ 3 5 %

2 0 %

T u r b i n e sM i c r o - T u r b i n e

Small Turbine

2 5∼5 0 0 k W

1∼1 0 0 M W

2 6 ~ 3 0 %

3 3 ~ 4 5 %

R e n e w a b l e

Solar(Photo Voltaic)

W i n d

B i o m a s s

1∼1 0 0 0 k W 1 0 ~ 2 0 %

자료：Rastler et. al., Rep. EPRI TR-106620, Electric Power Research Institute: Palo Alto,

CA, USA, 1996

hybrid 형태가 될 것으로 예측하고 있음.

○ 일반적으로 정치형 발전 시장은 3 k W∼50MW 규모의 발전

용량을 대상으로 하고 있으며, 수요용량에 따라 각 발전시

스템의 발전규모는 와 같음.

○ 각 발전시스템이 목표로 하는 발전용량은 다양한 영역을 포

함하고 있어 용량에 따라 추구하는 시장목표도 각기 다르게

설정되며, 또한 현재 연료전지 발전시스템 및 이와 경쟁관계

에 있는 기타 분산형 발전시스템이 목표로 하는 시장은 과 같음.

○ 단독 또는 다가구 주택규모의 residential application 시장을

보면 현재로서는 연료전지와 태양에너지가 경합을 벌이고

제4장 이슈 분석 2 7

연료전지와 기타 경쟁관계에 있는 발전시스템의 target 시장

R e s i d e n t i a l

( 1∼1 5 k W )

Light commercial

( 2 5∼2 5 0 k W )

Commercial with

c o g e n e r a t i o n

( 5 0 k W∼3 M W )

Industrial &

distributed

( 3∼5 0 M W )

S O F C

P E M F C

Solar PVs

Stirling Engines

S O F C

P E M F C

P A F C

Solar PVs

IC engines

M i c r o - t u r b i n e s

Stirling engines

S O F C

P A F C

M C F C

IC engines

M i c r o - t u r b i n e s

S O F C

M C F C

Gas turbines

Wind turbines

자료：Report: Fuel cells for distributed generation, Energy center of Wisconsin, 2000

있으나 발전효율이나 시스템 신뢰성면에서 연료전지가 유

망함.

○ 호텔, 쇼핑몰, 학교, 병원 등의 중대형 건물을 대상으로 하는

light commercial 시장은 현재 가장 많은 연구개발이 이루어

지고 있으며, 과 같이 연료전지와 마이크로터빈이

가장 유망한 기술로 주목받고 있음.

2. SOFC의상용화가능성과전망

○ 소형의 가정용/상업용 연료전지(분산형 전원)가 현재 가

장 시장진입이 빠를 것으로 예상되고 있으며, 그 시장은

기술적 완성도가 제일 높은 P E M F C를 중심으로 발전시스

템이 전세계적으로 시범 설치되어 운용되고 있음. 그러나,

PEMFC 시스템들은 경제적, 기술적 요인들에 의해 한계를

보이면서 최근에는 S O F C를 적용한 시스템이 주목을 받고

있음.

○ 과 같이 지금까지 residential application용 연료전

지시장은 이미 기술적 포화기에 접어든 PEMFC 발전시스

템의 개발업체들이 주도적으로 이끌어 왔으나, 최근에는 상

대적으로 SOFC 개발기업들의 급격한 증가로 그 시장점유

율도 가파른 상승을 보이고 있음.

○ 소형 분산형 연료전지 시장은 최근 2년동안 prototype type

2 8 고체산화물 연료전지

시스템의 보급율이 90% 이상 성장할 정도로 여타 연료전지

응용분야보다 급속히 발전하고 있고, 특히 일본시장을 중심

으로 급속도로 성장하고 있음.

○ 소형 분산형 연료전지의 연료는 기존 인프라가 있고 또한

사용이 편리한 천연가스를 이용하려는 경향이 강하게 나타

나고 있음. 와 같이 연료전지 연료의 3 / 4은 천연

가스를 사용하고 있음.

○ 현재 주목받고 있는 S O F C는 P E M F C의 한계로 지적되고

있는 경제성이나 에너지 효율, 연료의 선택성면에서 현격한

우위를 보임. 전기뿐 아니라 열병합 발전으로 인한 난방, 온

수공급 등도 가능하다는 장점을 가지고 있어 차세대 소형

분산형 연료전지 시장을 주도할 것으로 예상됨.

○ 또한 SOFC 발전시스템 개발의 선두주자인 스위스 S u l z e r -

제4장 이슈 분석 2 9

소형 분산형 연료전지 시스템의 기술적 분포

자료：Fuel Cell Today

H e x i s사는 기존의 천연가스 인프라를 그대로 사용할 수 있으

며, 공간이나 무게 점유율에서 훨씬 앞서는 S O F C가 분산형

발전시스템에 가장 적합한 기술로 판단함. 2010년 미국과 유

럽의 분산형 발전시스템의 예상 시장규모는 약 1 2 0억달러의

약 4% 점유를 목표로 지난 9 0년대초부터 개발을 시작하였음.

○ 열병합 발전까지 고려한 commercial application 시장은 연료

전지와 마이크로터빈 기술이 선도할 것으로 판단됨. 특히,

연료전지에서는 고온 작동으로 열병합 발전이 가능한

M C F C와 SOFC 기술이 주목받고 있으며, 현재는 기술의 성

숙도면에서 앞선 M C F C가 주류를 이루고 있으나, 머지않아

높은 발전효율과 시스템 안정성이 우수한 S O F C가 가장 경

제적이며, 신뢰성 있는 기술로 부상할 것으로 예상됨( R e p o r t :

3 0 고체산화물 연료전지

소형 분산형 연료전지 연료

자료：Fuel Cell Today

Fuel cells for distributed generation, Energy center of

Wisconsin, 2000).

○ 산업 시설, 공장 등의 industrial application 시장( 1 ~ 2 5 M W급)

과 분산형 발전소 시장( 3 ~ 1 0 0 M W급)은 MCFC, SOFC 등

고온형 연료전지와 가스터빈 기술을 중심으로 집중 연구개

발 되고 있지만, 그 중에서도 가스터빈과의 병합발전이 유일

하게 가능한 S O F C가 가장 핵심적인 기술로 인정받고 있음.

○ 특히 10MW 이상의 대형 발전시스템에는 현재 S O F C -가스

터빈 병합기술이 유일한 대안으로 인식되고 있음(Rastler et

al., Rep.EPRI TR-106620, Electric Power Research Institute:

Palo Alto, CA, USA, 1996).

○ 일본정부의 연료전지 개발 지원 예산 변화 추이를 보면 다

음과 같음.

- P A F C의 경우 인산 휘발, 전극 부식 등의 문제로 지원이

거의 중단된 상태임.

- M C F C는 대형발전 시스템의 안정성 문제로 1 9 9 7년을 정

점으로 지원이 감소하고 있음.

- P E M F C는 개발지원에 더욱 박차가 가해지고 있어 상용

화에 접근해 있는 상태임.

- SOFC 기술의 안정성 및 고효율성으로 전체 지원예산에

비해 규모는 작지만 지속적으로 증가되는 추세임.

○ 이상의 분석에서 P E M F C의 경우 대형 발전에는 부적합하

제4장 이슈 분석 3 1

고, MCFC, PAFC 등은 소형 발전용으로 적합하지 않은 한

계를 가지고 있는 반면, SOFC 기술은 소형발전 시스템을

포함하여 가장 규모가 큰 분산형 발전시스템까지 모든 영역

에 걸쳐 가장 유망한 기술로 확인할 수 있음.

○ S O F C는 다른 연료전지에 비해 field test의 경험이 적고, 기

술적 완성도가 떨어지며 기존의 발전기술과의 가격경쟁력이

뒤지는 단점은 있으나, 현재 추진되고 있는 각종 환경규제

및 에너지 효율증가 대책 등 정책적인 면과 이에 따른 시장

상황을 고려할 때, SOFC 발전시장은 잠재수요를 포함하여

예측하기 힘든 규모로 성장할 것으로 판단됨.

○ 또한 기존의 연료전지 기술들이 작동원리나 기본구조의 근

본적인 한계로 상업화에 어려움을 겪고 있는데 반해, SOFC

3 2 고체산화물 연료전지

일본의 연료전지 개발 지원 예산 변화 추이

자료：New Energy and Industrial Technology Development Organization(NEDO),Dupont Japan

제4장 이슈 분석 3 3

기술은 재료개발, 공정기술 및 제조 양산공정 등 그 기술적

완성도가 제고되면 경제성이나 신뢰성면에서도 여타 발전

기술들에 비해 상당한 우위를 나타내어 21C 청정 대체에너

지 시장의 강자로 부상할 것으로 예상됨.

3 4 고체산화물 연료전지

3 5

참고문헌

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달성을 위한 실행방안”, 산업자원부, 2004.

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13. “고체산화물 연료전지의 개발현황 및 전망”요업기술원, 2002.

14. SECA Solid Oxide Fuel Cell Program Semi-Annual Report,

2 0 0 3

3 6 고체산화물 연료전지

고체산화물 연료전지2 0 0 4년 1 1월 2 5일 인쇄

2 0 0 4년 1 1월 3 0일 발행

발 행 처

서울특별시 동대문구 청량리동 2 0 6 - 9

◯우 1 3 0 - 7 4 2

전화 : 3299-6114

등록: 1991년2월 1 2일 제5 - 2 5 8호

발 행 인

조 영 화

인 쇄 처

이룸출판사

BA295 유재영·김강회·여운동

저자소개

유 재 영

•공학박사

•산업기술정보원 컨텐츠개발실 부연구위원

•현, 한국과학기술정보연구원 책임연구원

•부품소재정보분석실 실장

김 강 회

•국제경영학 석사

•산업기술정보원 책임연구원

•현, 한국과학기술정보연구원 선임연구원

여 운 동

•전자공학 석사

•현, 한국과학기술정보연구원 연구원

자문위원

김 재 동

•공학박사

•한국가스공사 연구개발원 선임연구원