수소 및 연료전지 시스템: 핵심 이론, 설계, 경제성 분석 및 전주기 심층 보고서

 

I. 서론

수소 에너지는 기후 변화 대응 및 탄소중립 사회 구현을 위한 핵심적인 대안으로 전 세계적인 주목을 받고 있다. 특히 수소 연료전지는 수소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 고효율, 친환경 장치로서, 발전, 모빌리티, 산업 등 다양한 분야에 걸쳐 광범위한 적용 가능성을 제시한다.1 이러한 연료전지 기술은 에너지 안보를 강화하고 지속 가능한 에너지 시스템을 구축하는 데 필수적인 역할을 수행할 것으로 기대된다.

본 보고서는 수소연료전지 시스템의 핵심 이론부터 실제 설계 원칙, 그리고 경제성 분석 방법론에 이르기까지 전반적인 내용을 심층적으로 다룬다. 연료전지의 전기화학적 기본 원리, 주요 구성 요소 및 설계 고려 사항, 그리고 발전단가(LCoE) 및 수소 생산단가(LCoH) 계산 방법론을 상세히 분석한다. 또한, 수소 에너지의 생산, 저장, 운송, 활용에 이르는 전주기적 관점에서 기술적, 경제적, 환경적 측면을 조명하고, 최신 기술 동향과 미래 전망을 제시한다. 이 보고서를 통해 독자는 수소 및 연료전지 기술에 대한 포괄적인 이해를 바탕으로, 실제 수소 시스템 설계 및 경제성 분석 역량을 강화하고 관련 분야의 전문가로 성장하는 데 필요한 견고한 기반을 마련할 수 있을 것이다.

II. 연료전지의 전기화학적 이해

연료전지 기본 작동 원리 및 반응 메커니즘

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 장치이다. 이는 기존 발전 방식과 달리 연소 과정을 거치지 않아 오염 물질 배출이 적고 효율이 높다는 특징을 가진다.2 기본적으로 연료전지는 연료극(anode), 공기극(cathode), 그리고 이들 사이에 위치한 전해질로 구성된다.7

작동 원리는 다음과 같다. 먼저 연료극에 공급된 수소(H2)는 촉매층에서 산화 반응을 통해 전자(e-)와 양성자(H+)로 분리된다. 분리된 양성자는 전해질을 통해 공기극으로 이동하며, 전자는 외부 회로를 따라 이동하여 전류를 발생시킨다. 공기극에서는 공기 중의 산소(O2)가 외부 회로를 통해 들어온 전자 및 전해질을 통해 이동한 양성자와 반응하여 물(H2O)을 생성한다. 이 과정에서 직류 전기가 생산되며, 부산물로 열과 물이 발생한다.6

주요 연료전지 유형별 전기화학 반응식은 다음과 같다:

• 고분자 전해질 연료전지 (PEMFC) 반응식:

• 연료극 (Anode): H2 → 2H+ + 2e─ 7
• 공기극 (Cathode): ½O2 + 2e─ + 2H+ → H2O 7
• 전체 반응: ½O2 + H2 → H2O 7

• 고체산화물 연료전지 (SOFC) 반응식:

• 공기극 (Cathode): ½O2 + 2e─ → O2─ 7
• 연료극 (Anode): H2 + O2─ → H2O + 2e─ 7

연료전지의 근본적인 전기화학 반응은 단순히 전기만을 생산하는 것이 아니라, 필연적으로 열을 부산물로 발생시킨다. 이러한 열은 열 회수 시스템을 통해 재활용되어 열병합 발전(CHP) 시스템으로 활용될 수 있으며, 이는 연료전지 시스템의 전체 에너지 효율을 극대화하는 중요한 요소로 작용한다.5 연료전지 작동 중 발생하는 열은 전기 생산과 분리할 수 없는 본질적인 특성이며, 이 열을 효과적으로 활용하는 것이 시스템 설계의 핵심 고려사항이 된다.

주요 연료전지 종류 및 특징 비교

연료전지는 전해질의 종류와 작동 온도에 따라 여러 가지 유형으로 분류된다. 대표적인 연료전지로는 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)가 있으며, 이 외에도 인산형 연료전지(PAFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 알칼리형 연료전지(AFC) 등이 있다.5 각 연료전지 유형은 고유한 작동 특성과 장단점을 가지며, 이는 특정 응용 분야에 대한 적합성을 결정한다.

표 1: 주요 연료전지 종류별 특성 및 장단점 비교

종류	작동 온도	전해질	주 연료	기술 수준/상용화 단계	주요 적용 대상	핵심 장점	핵심 단점	촉매 종류
PEMFC	상온~100°C	이온(H+) 전도성 고분자 막	수소, 메탄올	개발 및 실증 단계, 상용화 단계	소형 전원, 자동차, 열차, 선박, 비행기, 휴대용 제품	저온 특화, 빠른 시동, kw당 가격 저렴	낮은 보정계수, 대용량/대규모 설치 불리, 짧은 가동 시간, 백금 촉매 사용으로 고가, 멤브레인 비용 높음, 겨울철 성능 저하 가능성	백금 (귀금속)
SOFC	700~1000°C	고체산화물 (Yttria-stabilized zirconia)	수소, 천연가스	개발 단계	복합 발전, 열병합 발전, 선박, 대규모 발전, 중소사업소 설비	24시간 상시 가동, 높은 발전 효율 (최대 60%), 대규모/대용량 설치 유리, 내부 개질 가능, 백금 등 고가 촉매 불필요	kw당 가격 비쌈, 고온 열화, 열 파괴, 긴 시동 시간	니켈 (비귀금속)
PAFC	150~200°C	인산 (H3PO4)	수소, 천연가스, 메탄올	상용화 단계	분산 전원, 열병합 발전	기술 성숙도 높음, 안정적	낮은 효율 (단일 발전 시), 부식성 전해질	백금 (귀금속)
MCFC	600~700°C	용융탄산염 (Li2CO3-K2CO3)	수소, 천연가스, 석탄가스	개발 단계	복합 발전, 열병합 발전, 선박	높은 효율 (열병합 시 85% 이상), 연료 유연성, 내부 개질 가능	고온 작동 과제, 재료 부식, 긴 시동 시간, 고비용	니켈 (비귀금속)
AFC	상온~100°C	수산화칼륨 (KOH)	수소	상용화 단계 (특수 목적)	우주 분야	귀금속 촉매 불필요, 저온 작동	CO2에 취약, 전해질 관리 필요	니켈 (비귀금속)

PEMFC는 일반적으로 "저렴한 kw당 가격" 13과 "저가 건설" 7이 장점으로 언급되지만, 실제로는 고가의 백금 촉매 14와 연료전지 전체 원가의 43%를 차지하는 양성자 교환막(PEM) 15으로 인해 비용 상승 요인이 매우 크다. 이는 PEMFC의 "저렴하다"는 인식이 초기 투자 비용이나 특정 구성 요소에 한정될 수 있으며, 전체 시스템 관점에서는 여전히 비용 절감이 중요한 과제임을 시사한다. 따라서 PEMFC의 경제성을 평가할 때는 단순히 단위 비용만 볼 것이 아니라, 고가의 핵심 부품이 전체 가격에 미치는 영향을 종합적으로 고려해야 한다.

반면, SOFC는 700~1000°C의 고온에서 작동하는 특성상 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매 없이도 니켈과 같은 저렴한 촉매를 사용할 수 있다.14 더욱이 SOFC는 자체적으로 연료를 개질(내부 개질)할 수 있어 외부 개질기 없이 천연가스 등을 직접 연료로 활용할 수 있다.5 이러한 특성은 시스템 복잡성을 줄이고 연료 유연성을 높여 SOFC의 장기적인 경제성 확보에 유리한 요인으로 작용한다. 연료전지의 작동 온도 차이는 촉매 선택 및 연료 개질 방식에 직접적인 영향을 미치며, 이는 각 연료전지 유형의 경제성과 적용 가능성을 결정하는 중요한 요소이다.

전기화학 반응 및 물질/열 전달 현상 심층 분석

연료전지 내부에서는 전기화학 반응뿐만 아니라 복잡한 물질 전달 및 열 전달 현상이 동시에 발생한다. 반응물(수소, 산소)은 전극으로 확산되어야 하고, 생성물(물, 열)은 효율적으로 배출되어야 한다.7 이러한 전달 현상은 연료전지의 성능과 안정성에 결정적인 영향을 미친다.

특히 PEMFC의 경우, 물 관리가 매우 중요하다. 반응 과정에서 생성되는 물은 전해질 막의 이온 전도도를 유지하는 데 필수적이지만, 과도하게 축적될 경우 가스 확산층(GDL)을 막아 반응물의 공급을 방해하는 플러딩(flooding) 현상을 유발할 수 있다. 반대로 물이 부족하면 전해질 막이 건조(membrane dry out)되어 이온 전도도가 저하되고 성능이 떨어진다.10 따라서 PEMFC의 성능은 단순히 전기화학 반응을 넘어, 온도, 압력, 습도와 같은 물리적 요인 및 복잡한 물질/열 전달 현상에 매우 민감하게 반응한다.17 이는 연료전지 시스템의 최적 성능을 달성하기 위해 재료 과학적 접근뿐만 아니라, 시스템 수준에서의 정교한 설계 및 제어, 특히 물 관리의 중요성을 강조한다. 시스템 설계자는 스택 자체의 성능뿐만 아니라, 이를 둘러싼 환경 제어 및 보조 시스템의 중요성을 깊이 이해해야 한다.

정확한 시스템 모델링, 예를 들어 3차원 전산 유체 역학(CFD) 모델은 연료전지 내부에서 발생하는 이러한 복합적인 반응 및 전달 현상을 이해하고 최적화하는 데 필수적이다.7 이러한 모델링을 통해 실제 반응 중 직접 관찰하기 어려운 물질 및 열 전달, 화학 반응 등을 예측하고, 다양한 운전 조건(온도, 압력, 상대 습도, 전류 밀도 등)이 연료전지 성능에 미치는 영향을 분석할 수 있다.17

III. 수소연료전지 시스템 설계

시스템 구성 요소 및 역할 상세

수소연료전지 시스템은 단순히 연료전지 스택(Stack) 하나로 작동하는 것이 아니라, 안정적이고 효율적인 발전을 위해 다양한 보조 시스템(Balance of Plant, BOP)이 유기적으로 통합되어야 한다.5 각 구성 요소의 역할은 다음과 같다:

• 연료전지 스택 (Fuel Cell Stack): 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 직류 전기를 생성하는 시스템의 핵심 발전부이다. 여러 개의 단일 셀이 직렬로 연결되어 원하는 전압과 출력을 얻는다.6
• 연료 개질 장치 (Fuel Reformer): 순수 수소가 아닌 LPG, LNG, 메탄, 석탄가스, 메탄올 등 탄화수소계 연료를 사용할 경우, 이들로부터 수소가 풍부한 가스(hydrogen rich gas)를 생산하는 장치이다. 고온 연료전지(SOFC)의 경우, 스택 자체 내에서 연료를 개질하는 내부 개질이 가능하다.5
• 연료 공급 시스템 (Fuel Supply System): 연료전지에 필요한 연료(수소 또는 개질된 연료)를 안정적으로 공급하는 시스템이다. 수소 저장 용기, 압력 조절기, 밸브, 배관 등으로 구성되며, 연료의 순도와 압력을 제어한다.5
• 공기 공급 시스템 (Air Supply System): 연료전지 반응에 필요한 산소를 공기 중에서 흡입하여 스택에 공급하는 시스템이다. 에어 컴프레서, 습도 조절 시스템, 압력 조절기 등이 포함되며, 공기량과 습도를 조절하여 연료전지 성능을 최적화한다.5
• 전력 변환 장치 (Power Conditioning Unit/Inverter): 연료전지 스택에서 생성된 직류(DC) 전기를 우리가 사용하는 교류(AC) 전기로 변환하는 장치이다. 이는 전력망 연계 또는 다양한 전기 부하에 전력을 공급하기 위해 필수적이다.5
• 열 회수 시스템 (Heat Recovery System): 연료전지 작동 과정에서 발생하는 폐열을 회수하여 재활용하는 장치이다. 회수된 열은 난방, 온수 공급, 또는 연료 개질 장치 예열 등에 사용되어 전체 에너지 이용 효율을 극대화한다. 이는 열병합 발전(CHP) 시스템의 핵심 구성 요소이다.5
• 물 관리 시스템 (Water Management System): 연료전지 반응에 필요한 물을 공급하고, 생성된 물을 효율적으로 배출하며, 냉각수의 순도(탈이온화)를 유지하는 시스템이다. 특히 PEMFC에서는 막 건조와 플러딩 방지를 위해 정교한 물 관리가 요구된다.10

연료전지 시스템의 효율성과 전반적인 성능은 연료전지 스택 자체의 성능뿐만 아니라, 연료 개질, 공기 공급, 열 관리, 전력 변환 등 수많은 보조 시스템(BOP)의 유기적인 통합과 최적화된 작동에 결정적으로 의존한다.5 단일 BOP 구성 요소의 결함이나 비효율은 전체 시스템의 성능을 저하시킬 수 있으므로, 시스템 설계 시 각 구성 요소 간의 상호 작용을 면밀히 고려하고 전체 시스템 관점에서 이들의 조화로운 작동을 최적화하는 것이 중요하다.

연료 공급 및 공기 공급 시스템 설계 고려사항

연료전지 시스템의 안정적이고 효율적인 작동을 위해서는 연료와 공기의 공급 시스템 설계가 매우 중요하다.

1. 연료 공급 시스템 설계:

연료전지는 순수 수소를 직접 연료로 사용할 수 있지만, 메탄올, 천연가스, LPG 등 탄화수소계 연료를 개질하여 수소를 얻는 방식도 널리 사용된다.5 이러한 개질 방식은 기존 연료 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있어, 순수 수소 인프라가 부족한 초기 단계에서 유용하다.5 그러나 차량 탑재 개질기의 경우 이산화탄소를 배출하며, 연료 내 불순물(예: 일산화탄소)이 연료전지 스택의 촉매를 피독시켜 효율을 저하시킬 수 있다는 단점이 있다.5 따라서 연료 공급 시스템 설계 시에는 연료의 종류, 개질 방식, 그리고 이로 인한 시스템 효율 및 환경 영향 간의 균형을 고려해야 한다. 연료 개질기를 통해 천연가스나 메탄올과 같은 기존 연료를 활용하는 것은 기존 인프라를 사용하고 에너지 밀도를 높이는 장점이 있지만, 동시에 이산화탄소 배출과 연료 내 불순물로 인한 연료전지 효율 저하라는 단점을 수반한다. 이는 연료 공급 시스템 설계 시 편의성과 환경성 및 효율성 간의 중요한 트레이드오프를 고려해야 함을 의미한다.

수소 저장 기술은 연료전지 시스템의 안전한 운전을 위해 필수적이다. 수소는 액화 수소, 압축 수소, 금속 수소화물, 화학적 수소화물 등 다양한 형태로 저장될 수 있으며, 현재 수송용으로는 고압 압축 수소 저장 방식이 가장 일반적이다.5 연료 공급 시스템은 저장된 수소를 적절한 압력과 유량으로 연료전지 스택에 공급해야 하며, 이 과정에서 파손 방지를 위한 안전 시스템이 필수적으로 요구된다.5

2. 공기 공급 시스템 설계:

공기 공급 시스템은 연료전지 반응에 필요한 산소를 안정적으로 공급하는 역할을 한다. 공급되는 공기의 양과 압력은 연료전지의 성능과 운전 조건을 결정하는 중요한 요소이다.5 주요 구성 요소로는 에어 컴프레서, 습도 조절 시스템, 압력 조절기 등이 있다. 특히 공기 컴프레서에서 발생할 수 있는 윤활유가 연료전지를 오염시키는 것을 방지하기 위해 공기 베어링을 사용하는 것이 권장된다.5 공기 공급 시스템은 연료전지 스택의 요구 사항에 맞춰 산소 농도, 습도, 압력을 정밀하게 제어해야 하며, 이는 연료전지의 효율과 내구성에 직접적인 영향을 미친다.

열 관리 시스템 (냉각, 가열, 물 관리) 설계 및 최적화

연료전지 시스템의 효율성, 내구성, 그리고 안정적인 작동을 위해서는 정교한 열 관리 시스템이 필수적이다. 연료전지 반응에서 발생하는 열을 효과적으로 제어하지 못하면 스택의 성능 저하 및 수명 단축으로 이어질 수 있다.20

주요 열 관리 구성 요소는 다음과 같다:

• 물 펌프: 냉각수 순환을 담당하는 시스템의 "심장"으로, 스택이 과열될 경우 냉각수 유량을 증가시켜 스택을 냉각한다. 높은 유량, 높은 헤드, 절연성 및 EMC(전자기 적합성) 용량이 중요하다.19
• 인터쿨러: 공기 압축기에서 압축된 공기의 온도를 냉각수와의 열 교환을 통해 낮춰, 반응기로 유입되는 공기 온도를 적정 범위 내로 유지한다. 대용량 열 교환 능력과 높은 청결도가 요구된다.19
• PTC 히터 (Positive Temperature Coefficient Heater): 주변 온도가 낮을 때 연료전지의 냉간 시동(cold start)을 돕기 위해 냉각수를 가열하여, 냉각수가 가능한 한 빨리 필요한 온도에 도달하도록 한다. 이는 연료전지 시스템의 시동 시간을 단축하는 데 기여한다.19
• 방열판 (Radiator): 냉각수의 열을 외부 환경으로 방출하여 냉각수 온도를 낮춘다. 차량용 연료전지는 내연기관보다 운전 온도가 낮고 대기와의 온도차가 작기 때문에 고성능 방열판 및 열 관리 시스템이 요구된다.19 방열판의 팬은 대용량 공기량, 낮은 소음, 그리고 가변 속도 조절 기능이 필요하다.19
• 탈이온기 (Deionizer): 연료전지 작동 중 냉각수의 이온 함량이 증가하여 전도도가 높아지고 시스템의 절연이 저하될 수 있다. 탈이온기는 냉각수의 전도도를 감소시키고 열 관리 시스템 부품에서 방출되는 이온을 흡수하여 시스템의 높은 절연 수준을 유지한다.19
• 냉각 파이프라인: 열 관리 시스템의 다양한 부품을 연결하여 냉각수의 완전한 순환을 형성하는 "혈관" 역할을 한다. 모든 부품과 마찬가지로 절연 및 높은 청결도가 요구된다.19

연료전지 시스템의 열 관리는 단순히 과열을 방지하는 것을 넘어, 최적의 작동 온도를 유지하여 효율성과 내구성을 확보하고, 저온 환경에서의 시동 성능까지 결정하는 복합적인 시스템이다.20 따라서 열 관리 시스템의 설계는 연료전지 시스템의 전반적인 성능과 수명, 그리고 다양한 기후 조건에서의 실용성에 직접적인 영향을 미친다. 효과적인 열 관리는 연료전지 시스템의 서비스 수명을 개선하고, 포괄적인 열 활용을 통해 에너지 절약 및 시스템의 배출 감소에도 기여한다.19

시스템 제어 및 운전 전략

연료전지 시스템의 최적 성능과 안정성을 확보하기 위해서는 정교한 제어 및 운전 전략이 필수적이다. 이는 스택의 물리적 상태, 외부 환경 조건, 그리고 사용자의 에너지 수요를 종합적으로 고려하여 이루어진다.

주요 제어 전략은 다음과 같다:

• 온도 및 SOC(State Of Charge) 기반 제어: 연료전지 스택의 온도와 고전압 배터리의 SOC를 실시간으로 모니터링하여 시스템 운전을 제어한다. 예를 들어, 스택 온도가 기준치 이상이거나 배터리 SOC가 높을 경우, 과충전을 회피하고 폐열을 난방에 활용하는 전략을 수행할 수 있다.23
• 하이브리드 파워 시스템 통합: 연료전지의 성능은 출력 변동 범위가 넓어 순간적인 전력 수요에 대응하기 어려울 수 있다. 이를 보완하기 위해 보조 배터리나 슈퍼 커패시터와 같은 에너지 저장 장치를 연료전지 시스템에 결합하는 하이브리드 방식이 널리 적용된다.18 이러한 하이브리드 시스템은 가속이나 등판 시 추가적인 파워를 공급하고, 연료전지의 과잉 출력이나 제동 에너지를 흡수하여 시스템의 유연성을 높이고 연료 소비를 최적화한다.18
• DC/DC 컨버터 활용: 연료전지와 2차 전지 사이의 전압을 조절하여 파워 수용 변화에 효과적으로 대응하기 위해 DC/DC 컨버터가 필수적으로 사용된다. 이는 높은 전환 효율과 전압 부스터 기능을 제공해야 한다.18
• 물 관리 및 퍼징(Purging) 제어: PEMFC의 경우, 전해질 막의 건조를 방지하고 캐소드 플러딩을 최소화하기 위한 정교한 물 관리 제어가 중요하다.10 또한, 연료전지 막을 통과하여 산화전극에 축적될 수 있는 질소는 수소의 연료 이용률을 낮추고 출력을 감소시키므로, 정기적인 퍼징 시스템 작동을 통해 질소를 배출해야 한다.25
• 최적 운전 모드 선택: 연료전지 시스템의 운전 전략은 크게 전력 부하를 추종하는 전기 추종 운전, 열 부하를 추종하는 열 추종 운전, 그리고 이 두 가지 운전 전략의 비용을 비교하여 가장 경제적인 방식을 선택하는 복합 추종 운전으로 나눌 수 있다.26 이는 주어진 조건에서 에너지 효율을 극대화하고 운전 비용을 절감하는 데 기여한다.

연료전지 시스템의 최적 운전은 전력 수요, 온도, 물 함량, 배터리 충전 상태 등 여러 상충될 수 있는 매개변수들을 동시에 고려하여 균형을 맞춰야 하는 복잡한 최적화 문제이다. 이는 고도화된 제어 알고리즘과 하이브리드 에너지 저장 시스템의 통합을 통해 시스템의 효율성, 내구성, 그리고 다양한 운전 조건에서의 반응성을 확보해야 함을 의미한다. 시스템 설계자는 이러한 다변수 최적화 문제를 해결하기 위해 Matlab/Simulink와 같은 모델링 환경에서 제어 알고리즘을 개발하고 검증할 수 있다.20

주요 부품 재료 선택 및 내구성 확보 방안

연료전지 시스템의 성능, 수명, 그리고 경제성은 핵심 부품의 재료 선택에 크게 좌우된다. 각 부품은 고유한 운전 환경과 기능적 요구 사항을 충족해야 하며, 동시에 비용 효율성과 장기적인 내구성을 확보해야 한다.

• 촉매 (Catalyst): PEMFC는 높은 반응성을 위해 백금(Pt)을 주 촉매로 사용하지만, 백금은 희귀하고 고가이다.14 따라서 백금 사용량을 줄이면서 성능을 유지하거나 향상시키는 기술, 예를 들어 코어-쉘(Core-Shell) 구조의 촉매 27 또는 비귀금속 촉매 개발 29이 활발히 연구되고 있다. 낮은 작동 온도에서는 촉매 피독 현상(poisoning)이 증가할 수 있어 수소의 순도를 높이는 것이 중요하다.30
• 전해질 막 (Electrolyte Membrane): PEMFC의 핵심인 양성자 교환막(PEM)은 전체 연료전지 원가의 상당 부분을 차지하며 15, 장기간 사용 시 열화 및 안정성 문제가 발생할 수 있다.31 불소를 치환한 고분자막이 주로 사용되지만, 값이 비싸고 메탄올에 대한 선택성이 낮다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 저렴하고 불소를 포함하지 않는 탄화수소 기반 고분자막 개발이 진행 중이다.32 고온형 연료전지(SOFC)는 고체산화물 전해질을 사용하므로 전해질 손실이나 보충의 필요가 없다.16
• 가스 확산층 (Gas Diffusion Layer, GDL): GDL은 반응 가스의 통로이자 물 배출 통로, 전자 및 열 이동 통로 역할을 한다.30 연료전지 반응 결과물인 물이 GDL 기공에 과도하게 쌓이는 플러딩 현상을 방지하기 위해 테프론(PTFE) 등으로 소수성(발수성) 코팅을 한다. GDL의 열화(카본 부식, PTFE 손실)는 플러딩을 유발하여 물질 전달 저항을 증가시키고 연료전지 성능을 저하시킬 수 있다.30
• 분리판 (Bipolar Plate): 연료전지 스택의 각 셀을 분리하고, 반응 가스를 분배하며, 전류를 수집하는 역할을 한다. 금속 분리판은 경량화 및 대량 생산에 유리하지만, 산성 분위기에서 부식에 취약하며, 부식으로 인한 금속 이온 용출은 전해질 막을 열화시킬 수 있다.30 이를 방지하기 위해 내식성과 전도성을 향상시키는 표면 코팅 기술(예: 비정질 탄소, 질화물)이 연구되고 있다.30
• 수소 저장 용기 및 배관: 수소는 매우 작은 분자이므로 재료의 입방 격자망을 통과하여 재료의 무결성을 손상시키는 수소 취성(Hydrogen embrittlement)을 유발할 수 있다.33 따라서 수소 환경에 강한 재료, 예를 들어 니켈 함량이 높은 316 스테인리스강을 사용해야 한다.33 또한 고압 및 진동에 대한 내구성, 누설 방지를 위한 완전 용접 및 연결부 최소화가 중요하다.33

연료전지 시스템의 재료 선택은 비용, 성능, 내구성이라는 세 가지 핵심 요소 사이의 복합적인 균형점을 찾는 과정이다. 고성능을 위한 귀금속 촉매는 비용을 높이고, 저렴한 재료는 내구성이나 효율을 저하시킬 수 있으며, 수소 환경 특유의 재료 열화(예: 수소 취성)는 안전성과 수명에 직접적인 영향을 미친다.30 따라서 최적의 재료 선택은 단순히 개별 특성을 넘어 시스템 전체의 경제성과 신뢰성을 고려한 다각적인 접근이 필요하며, 이는 시스템의 상용화와 직결되는 핵심적인 설계 고려사항이다. 수송용 연료전지의 운전 수명 목표는 5,000시간이며, 열병합 발전용은 40,000시간(5년)까지 유사한 성능 저하율이 요구된다.32

안전성 설계 원칙 및 위험 관리

수소는 폭발 범위가 넓고 점화 에너지가 매우 낮아 누출 시 화재 및 폭발 위험이 매우 크다.36 따라서 수소연료전지 시스템의 설계 및 운영에 있어 안전성은 최우선적으로 고려되어야 할 사항이다. 주요 위험 요소로는 화재 및 폭발 외에도 고전압으로 인한 전기적 위험, 독성 물질 발생 가능성, 연료의 자동 발화 등이 있다.34

수소연료전지 시스템의 안전성 확보를 위한 설계 원칙과 위험 관리 방안은 다음과 같다:

• 누출 방지 및 탐지:

• 수소 또는 개질된 연료를 포함하는 모든 배관은 가능한 한 완전 용접되어야 하며, 연결부의 수를 최소화해야 한다.34
• 밸브, 플랜지, 실(seals) 등 수소 누출이 발생할 수 있는 모든 장소에는 고정식 수소 누출 탐지 장치를 설치하여 지속적으로 감시해야 한다.34
• 누출 탐지기는 가스/증기가 축적될 수 있는 위치 및 통풍구에 배치되어야 하며, 최적의 배치를 위해 가스 분산 분석 또는 물리적 연기 시험을 활용할 수 있다.34

• 환기 시스템:

• 수소 가스 축적을 피하기 위해 연료전지 구역은 상부에 방해되는 구조를 갖지 않고 간단한 기하학적 형상을 가지도록 배치되어야 한다.34
• 누출 가능성이 있는 연료 가스의 밀도를 고려하여 전체 구역의 부압을 유지하기 위한 효과적인 기계식 통풍 장치를 설치해야 한다.34
• 통풍 장치는 100% 용량의 팬 2대가 이중화되어 설치되어야 하며, 각각 별도의 회로로부터 전원이 공급되어야 한다.40
• 환기 속도는 수소의 경우 부피비 1% 이하를 유지하도록 설계되어야 한다.38

• 점화원 관리:

• 용접 불꽃, 정전기, 모터의 전기 불꽃 등 연료전지 장치에서 발생할 수 있는 모든 잠재적 점화원을 제거하거나 제어해야 한다.36
• 연료전지 설비와 점화원 사이에 충분한 이격 거리를 유지하고, 위험 구역을 명확하게 설정하여 해당 구역 내에서는 점화원이 발생하지 않도록 철저히 관리해야 한다.36

• 비상 정지 및 차단:

• 연료전지 전력 시스템은 안전한 운전을 위해 필요한 모든 감시 및 제어 시설을 갖추고 자동 운전되도록 설계되어야 한다.34
• 연료전지 구역 외부의 쉽게 접근 가능한 장소에서 시스템을 비상 정지할 수 있어야 하며, 비상 정지 시 연료 차단 밸브가 자동으로 작동해야 한다.34
• 주 연료 및 개질된 연료를 안전하게 제거할 수 있는 수단이 제공되어야 한다.34

• 화재 방지 및 진압:

• 연료전지 구역은 화재 방지 목적으로 A-60급 방열이 적용되어야 한다.34
• 고정식 화재 탐지 장치 및 화재 경보 장치가 설치되어야 하며, 가스 연료를 사용하는 경우 연기 탐지기만으로는 신속한 화재 탐지가 어려울 수 있으므로 적절한 화재 탐지기가 선택되어야 한다.34
• 사용되는 연료의 특성을 고려하여 적합한 소화 장치가 설치되어야 한다.34

• 전기적 안전:

• 연료전지 스택에서 발생하는 직류 전압은 200~400V에 달할 수 있으며, 대형 시스템은 매우 강한 전압을 발생시키므로 안전한 설비 관리가 중요하다.36
• 고전압 범위에 적합한 전기 절연 재료를 선택하고, 강도 이상의 고전압 발생 시 연료전지 스택, 장치, 회로 등이 차단되도록 안전장치를 설계해야 한다.31

• 운전 및 유지보수 프로토콜:

• 연료전지 설치 및 유지보수 시 매뉴얼을 철저히 따르는 것이 중요하며, 연료전지의 특성 및 위험 요소를 이해하고 비상 상황에 대비한 교육 및 훈련이 모든 작업자에게 제공되어야 한다.36
• 비상 대응 절차는 문서화되어야 하며, 정기적인 훈련을 통해 모든 작업자가 이를 숙지해야 한다.36

수소의 낮은 점화 에너지와 넓은 폭발 범위로 인해, 연료전지 시스템의 안전 설계는 단순한 부품별 안전을 넘어, 시스템 전체 라이프사이클에 걸쳐 물리적 설계(환기, 누출 봉쇄), 재료 선택(수소 취성 저항), 능동적 모니터링(가스 감지), 자동 제어(비상 차단), 그리고 엄격한 운영 절차 및 인력 훈련을 포함하는 다층적이고 총체적인 접근 방식이 필수적이다. 이는 시스템의 안전한 운용을 보장하는 데 가장 중요한 요소이다.

효율성 및 확장성을 고려한 시스템 설계

수소연료전지 시스템의 성공적인 상용화를 위해서는 높은 효율성과 더불어 다양한 규모와 응용 분야에 유연하게 적용될 수 있는 확장성이 필수적이다.

1. 효율성 극대화 설계:

• 시스템 통합 효율: 연료전지 스택 자체의 발전 효율을 높이는 것 외에도, 시스템 전반의 에너지 흐름을 최적화하여 전체 효율을 극대화해야 한다. 현대자동차의 연료전지 시스템은 설계 최적화를 통해 시스템 효율을 최대 62%까지 달성했다.41
• 열병합 발전 (CHP): 연료전지에서 발생하는 폐열을 회수하여 난방, 온수 공급 등에 활용하는 열병합 발전 시스템은 전체 에너지 이용 효율을 80~95%까지 끌어올릴 수 있다.2 이는 단순 발전 효율을 넘어선 시스템 차원의 효율 극대화 전략이다.
• 미반응 수소 재순환: 연료전지 스택에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 효율적으로 재순환시키는 기술은 연료 이용률을 높여 시스템의 연비를 향상시키고 최적 스택 용량을 선정하는 데 기여한다.29

2. 확장성 고려 설계:

• 모듈화 아키텍처: 연료전지 시스템을 모듈 형태로 설계하면, 요구 출력에 따라 복수의 시스템을 유연하게 적용할 수 있다.41 블룸에너지의 기술은 100kW 시스템에서 얻은 효율성이 4MW 규모에서도 유지되는 모듈식 아키텍처를 통해 소규모에서 대규모로의 확장이 가능함을 입증했다.43 이는 설치 속도를 단축하고 다양한 용량 수요에 대응할 수 있게 한다.
• 부품 소형화 및 패키징 간소화: 부품의 소형화와 패키징의 간소화는 시스템의 설치 용이성을 높이고, 궁극적으로 시스템 가격 절감에 기여한다.41
• 대량 생산 및 규모의 경제: 신뢰할 수 있는 성능과 내구성을 바탕으로 대량 생산 체계를 구축하는 것은 시스템 가격을 절감하고 수소연료전지 기술의 경제성을 확보하는 핵심적인 방법이다.41 규모의 경제 실현은 수소 산업의 확대를 가속화하는 중요한 동력이다.

연료전지 시스템의 효율성 및 확장성 설계는 단순히 개별 부품의 성능 향상을 넘어, 시스템 통합 효율(열 회수, 미반응 수소 재순환)을 극대화하고, 모듈화 및 대량 생산을 통해 다양한 규모와 응용 분야에 유연하게 대응할 수 있는 능력을 확보하는 것을 의미한다. 이는 기술적 성능과 경제적 실현 가능성을 동시에 고려하는 총체적인 설계 접근이 필요함을 시사한다. 이러한 설계는 수소 시스템의 상용화와 시장 확대를 위한 필수적인 요소이다.

IV. 수소 및 연료전지 경제성 분석

발전단가(LCoE) 이해 및 계산 방법론

균등화 발전비용(Levelized Cost of Electricity, LCoE)은 특정 발전원의 경제성을 평가하는 데 가장 널리 사용되는 지표 중 하나이다.44 이는 발전 설비의 전체 수명 주기 동안 발생하는 총비용의 현재 가치를 해당 기간 동안 생산될 총 전력량의 현재 가치로 나누어 산출한다.44 발전 투입 비용이 다양하고 시점별로 불규칙하게 발생하므로, 화폐의 시간적 가치를 고려하여 연도별 비용과 발전량을 균등화함으로써 서로 다른 발전원 간의 경제성 비교를 용이하게 한다.44

LCoE 추정 산식:

LCoE = Σ (건설비_t + 운전유지비_t + 연료비_t + 탄소비용_t) / Σ 총 발전량_t (모두 할인율로 할인된 값) 44

(여기서 t는 연도를 의미하며, 모든 비용과 발전량은 해당 시점의 할인율로 현재 가치화된다.)

LCoE를 구성하는 주요 파라미터:

• 건설비 (Capital Cost): 발전소 건설에 필요한 초기 투자 비용이다. 여기에는 부지 준비, 엔지니어링, 장비 구매 및 설치 비용 등이 포함된다.44
• 운전유지비 (Operation & Maintenance Cost, O&M): 발전소의 일상적인 운영 및 유지보수에 소요되는 비용이다. 고정 O&M 비용(인건비, 보험료 등)과 변동 O&M 비용(소모품, 수리비 등)으로 나눌 수 있으며, 건설비의 일정 비율로 추정되기도 한다.44
• 연료비 (Fuel Cost): 발전원이 사용하는 연료의 구매 비용이다. 연료전지의 경우 수소 또는 개질용 연료(천연가스, 메탄올 등)의 가격이 해당된다. 연료비는 LCoE에 가장 큰 영향을 미치는 민감한 요소 중 하나이다.44
• 탄소비용 (Carbon Cost): 발전 과정에서 발생하는 이산화탄소 배출에 대한 비용이다. 탄소 배출권 거래제 등 환경 규제에 따라 발생하며, SOx, NOx, 미세먼지 등 다른 대기 환경 오염 물질에 대한 비용을 반영하기도 한다.44
• 할인율 (Discount Rate): 미래에 발생하는 비용과 수익의 현재 가치를 계산하기 위해 적용되는 이자율이다. 프로젝트의 위험도와 자본 조달 비용 등을 반영하며, 일반적으로 3%, 7%, 10% 등 다양한 시나리오로 분석된다.44
• 설비 이용률 (Capacity Factor): 발전 설비가 실제 가동되는 시간의 비율을 나타낸다. 발전원별로 특성이 다르며, 재생에너지(태양광, 풍력)의 경우 간헐성을 고려한 이용률이 적용된다.44
• 프로젝트 수명 (Plant Life): 발전 설비가 경제적으로 운용될 수 있는 기간이다. 발전원별로 풍력/태양광은 25년, 가스복합은 30년, 석탄/지열은 40년 등으로 설정된다.44

표 2: 연료전지 LCoE 계산 주요 파라미터 및 예시 (개념적)

 

파라미터	설명	연료전지 시스템 예시 값 (개념적)	비고
건설비	초기 투자 비용	100kW 시스템: 300,000 USD	시스템 용량 및 기술 수준에 따라 상이 46
운전유지비 (O&M)	연간 운영 및 유지보수 비용	연간 초기 투자의 1% (3,000 USD/년)	연료전지 유형, 가동률, LTSA 계약에 따라 변동 46
연료비	수소 또는 개질용 연료 구매 비용	수소 가격: 5 USD/kg	LCoE에 가장 민감한 요소 47
탄소비용	CO2 배출에 대한 비용	30 USD/tCO2 (가정)	정책 및 규제에 따라 변동 44
할인율	미래 비용의 현재 가치 환산율	7%	프로젝트의 위험도 반영 44
설비 이용률	연간 실제 발전 시간 비율	85% (기저부하 가정 시)	연료전지 유형 및 운전 방식에 따라 상이 44
프로젝트 수명	발전 설비의 경제적 수명	25년	발전원별로 상이 44
연간 총 발전량	연간 예상 전력 생산량	182,500 kWh (100kW 시스템, 25년 수명 가정 시)	설비 용량 및 이용률에 따라 계산 46

실제 사례 및 전망:

2019년 한국의 발전용 연료전지 LCoE는 241원/kWh로 추정되었으며, 정부는 2030년까지 이를 141원/kWh로 절감하는 목표를 수립했다.48 그러나 현재 연료전지의 LCoE는 태양광, 풍력, 가스복합 등 다른 발전원보다 높은 수준이다.47 이는 주로 높은 연료비와 초기 건설 비용에 기인하며, 이러한 높은 LCoE는 다른 발전원 대비 경쟁력 확보에 큰 장애물로 작용한다.

2030년까지의 LCoE 절감 목표 달성을 위해서는 연료전지 주기기 가격 인하, LTSA(Long-Term Service Agreement) 계약 단가 인하 노력, 그리고 정부의 정책적 지원(예: 탄소비용 반영, 보조금)이 필수적이다.48 재생에너지(태양광, 풍력)의 LCoE는 지속적으로 하락하는 추세이며 50, 2030년에는 태양광이 가장 저렴한 발전원이 될 것으로 전망된다.53 이는 연료전지 발전이 시장 경쟁력을 확보하기 위해 더욱 공격적인 비용 절감 노력이 필요함을 시사한다.

수소 생산단가(LCoH) 이해 및 계산 방법론

균등화 수소 원가(Levelized Cost of Hydrogen, LCoH)는 수소 생산의 경제성을 평가하기 위한 지표이다.55 이는 수소 생산을 위해 총 발생하는 비용의 현재 가치를 해당 기간 동안 생산될 총 수소량의 현재 가치로 나누어 계산한다.55 LCoH는 생산자가 직면하는 모든 비용, 즉 자본비, 운전유지비, 연료비, 금융 비용 등을 포함하지만, 생산된 수소의 전달, 저장 또는 최종 사용과 관련된 비용은 포함하지 않는다.56

LCoH를 구성하는 주요 파라미터:

• 이용률 (Utilization Rate): 수소 생산 설비가 연간 실제 가동되는 시간의 비율을 나타낸다.55
• 자본비 (Capital Cost): 수소 생산 설비(예: 수전해 설비, 개질 설비)의 초기 투자 비용이다.55
• 운전유지비 (Operation & Maintenance Cost, O&M): 수소 생산 설비의 운영 및 유지보수에 소요되는 비용이다.55
• 연료비 (Fuel Cost): 수소 생산에 필요한 에너지원(예: 수전해의 경우 전기 요금, 개질의 경우 천연가스 가격)의 비용이다.56
• 금융 비용 (Financial Cost): 설비 투자에 필요한 자본 조달(대출 등)에 따른 이자 비용 등이다.56

표 3: 수소 LCoH 계산 주요 파라미터 및 예시 (개념적)

 

파라미터	설명	그린수소 생산 예시 값 (개념적)	비고
자본비	수소 생산 설비 초기 투자 비용	1,000 USD/kW (수전해 설비)	생산 방식(수전해, 개질 등)에 따라 상이
운전유지비 (O&M)	연간 운영 및 유지보수 비용	자본비의 2% (20 USD/kW/년)	설비 규모 및 복잡성에 따라 변동
연료비	수소 생산에 필요한 에너지원 비용	전기 요금: 0.05 USD/kWh	수전해의 경우 전력 가격이 가장 중요 49
금융 비용	자본 조달에 따른 비용	할인율 7% 적용	프로젝트의 재무 구조 반영
이용률	연간 설비 가동 시간 비율	80%	재생에너지 연계 시 변동성 고려 49
수소 생산 효율	투입 에너지 대비 수소 생산량	70% (수전해 효율)	기술 수준에 따라 변동
수소 생산량	연간 예상 수소 생산량	100 kg/일 (가정)	설비 용량 및 이용률에 따라 계산 57

실제 사례 및 전망:

그린수소(재생에너지 기반 수전해)의 LCoH는 전력 생성 비용이 중요한 요소로 작용하며, 현재 수소 경제 활성화의 가장 큰 도전 과제 중 하나이다.49 여러 연구에서는 2050년까지 LCoH를 1.5~2.0 USD/kg 이하로 내리는 목표를 설정하고 있으며, 이를 달성하기 위한 기술 개발이 활발히 진행 중이다.49 현재 재생에너지-수전해로 생산한 수소의 비용이 가장 높게 나타나지만 58, 고효율 풍력 터빈 기술 49 및 음이온 교환막 수전해(AEMWE)와 같은 신기술 개발을 통해 LCoH 최적화 노력이 이루어지고 있다.49

LCoH는 수소 생산 단계의 비용만을 나타내지만, 실제 수소의 최종 소비자 가격은 저장, 운송, 분배 등 전주기적 비용이 상당한 영향을 미친다.56 수소는 다른 에너지 캐리어에 비해 단위 부피당 저장할 수 있는 에너지가 낮아 높은 운송 비용을 유발한다.59 이는 LCoH 최적화 노력과 함께 수소 공급망 전체의 비용 효율성을 고려해야만 수소 경제의 실질적인 경쟁력을 확보할 수 있음을 의미한다. 화력발전-CCS(탄소 포집 및 저장)로 생산한 수소는 운송 및 저장 비용을 고려할 때 특정 지역에서 비교적 저렴하게 생산될 수 있다고 분석되기도 한다.58

미국 인플레이션 감축법(IRA)의 Section 45V와 같은 정책은 수소 1kg 생산 시 배출하는 CO2 양에 따라 세액공제(최대 3달러/kg)를 제공하여 청정수소 생산을 장려한다.49 이러한 정책적 지원은 LCoH를 낮추는 데 중요한 역할을 한다.

엑셀 기반 경제성 분석 실무 적용

수소 및 연료전지 프로젝트의 경제성을 실무적으로 분석하기 위한 도구로 엑셀 기반 모델이 널리 활용된다. 대표적인 예시로는 미국 에너지부(DOE)의 국립재생에너지연구소(NREL) 및 아르곤국립연구소(ANL)에서 개발한 H2A(Hydrogen Analysis Production Models) 프로그램이 있다.61

H2A 모델의 주요 특징 및 기능:

• 엑셀 기반: H2A는 엑셀 스프레드시트 형태로 제공되어 사용자가 쉽게 접근하고 활용할 수 있다.61
• 분석 범위: 수소 생산 규모, 생산 기술(예: 수증기 메탄 개질, 수전해), 기술 적용 시기별로 경제성 분석이 가능하다.61
• 입력 파라미터: 사용자는 프로젝트 정보(생산 용량, 가동 시작 연도), 기술 운전 파라미터(설비 가동률, 시스템 효율), 재무 입력 값(건설 기간, 플랜트 수명, 할인율, 세금), 에너지 원료/유틸리티/부산물 가격, 자본 비용, 고정 및 변동 운영 비용 등을 입력할 수 있다.57 H2A는 많은 입력 파라미터에 대해 기본값을 제공하지만, 사용자가 직접 값을 입력하여 다양한 시나리오를 분석할 수 있다.62
• 계산 방법론: 표준 할인 현금 흐름(Discounted Cash Flow, DCF) 분석 방법론을 사용하여 원하는 내부 수익률(Internal Rate of Return, IRR)을 달성하기 위한 수소 판매 비용을 결정한다.62
• 출력 결과: 균등화 수소 가격(LCoH), 균등화 전기 가격(LCoE, 연료전지 발전의 경우), 편익비용비(Benefit/Cost Ratio, B/C), 순현재가치(Net Present Value, NPV), 내부수익률(IRR) 등 다양한 경제성 지표를 산출한다.61 또한 현금 흐름 분석 및 민감도 분석 결과도 제공한다.61
• 모듈화: H2A는 수소 생산 기술별로 엑셀 기반의 개별 프로그램으로 구성되어 있으며, 수소 수송 기술(HDSAM) 및 충전소(HRSAM) 경제성 분석 프로그램도 별도로 개발되어 있다.61

엑셀 기반의 H2A 모델은 수소 프로젝트의 경제성 분석을 위한 실용적인 기초를 제공하지만, 실제 시스템의 복잡한 동적 특성과 불확실성을 완전히 반영하기에는 한계가 있다. 예를 들어, 재생에너지 기반 수소 생산의 경우 전력 생산의 가변성이 크기 때문에 정적인 스프레드시트 모델만으로는 이를 정확히 포착하기 어렵다.63 따라서 보다 심층적인 경제성 분석과 위험 평가를 위해서는 H2A와 같은 정적 모델링 툴을 넘어, AnyLogic과 같은 동적 시뮬레이션 툴의 활용을 고려해야 한다.63 동적 시뮬레이션은 가변성과 역학 관계를 더 잘 반영하고, 프로세스를 시각화하며, 프로젝트의 디지털 복제본을 통해 경영진이 더욱 지능적인 결정을 내릴 수 있도록 돕는다.63 이러한 시뮬레이션 모델은 장비 설정 테스트, 유지보수 및 파손으로 인한 동적 이용도 변화, 각 생산 단계에서의 에너지 소모량 등을 모니터링하고 평가하는 데 유용하다.63

V. 수소 에너지 전주기 이해 및 실습

수소 경제는 수소의 생산부터 저장, 운송, 그리고 최종 활용에 이르는 전주기(Life Cycle)에 걸친 통합적인 시스템을 의미한다.64 각 단계에서의 효율성과 경제성, 환경 영향은 수소 경제의 실현 가능성과 지속 가능성을 결정하는 중요한 요소이다.

수소 생산 방식별 효율성 및 경제성 비교

수소는 다양한 방식으로 생산될 수 있으며, 각 방식은 고유한 효율성, 경제성, 그리고 환경적 특성을 가진다.

• 개질 수소 (Reforming Hydrogen):

• 천연가스 수증기 개질 (Steam Methane Reforming, SMR): 현재 전 세계 수소 생산량의 약 98%를 차지하는 가장 일반적이고 저렴한 방식이다.1 도시가스를 이용해 수소를 생산하며 21, 대량 생산이 용이하다. 그러나 이산화탄소(CO2)를 배출하므로 탄소 포집 및 저장(CCS) 기술과 결합하여 '블루 수소'로 전환될 수 있다.66 CCS를 적용하면 탄소 집약도를 50% 이상 감축할 수 있지만, SMR 단독 생산보다 비용이 약 55% 가량 높아진다.66
• 이산화탄소 개질: 수증기 대신 이산화탄소를 이용해 메탄을 개질하는 방법이다. SMR 대비 수소 생산량은 낮고 일산화탄소가 높은 생성물이 남지만, 온실가스인 CO2를 재활용한다는 장점이 있다.15
• 부생 수소: 석유화학 공정 등 산업 공정에서 부산물로 생산되는 수소이다. 생산 단가가 저렴하지만 생산량이 제한적이라는 단점이 있다.1

• 수전해 수소 (Electrolysis Hydrogen):

• 물을 전기분해하여 수소와 산소를 생산하는 방식으로, 전력을 재생에너지(태양광, 풍력)로 공급할 경우 이산화탄소 배출이 전혀 없는 '그린 수소'를 생산할 수 있다.1
• 양성자 교환막 수전해 (PEMWE): 전류 밀도가 높아 에너지 효율이 높고, 생산된 수소의 순도가 매우 높아 미래 수전해 수소 생산 분야의 핵심 기술로 기대된다.15 그러나 양성자 교환막과 백금 촉매가 비싸 초기 설치 비용이 많이 드는 단점이 있다.15
• 알칼라인 수전해 (AWE): 가장 상업화된 수전해 방식으로, 안정성과 긴 수명을 제공하지만 전력 효율이 상대적으로 낮고 고온에서 효율성이 떨어진다는 단점이 있다. 고순도 수소 생성에는 한계가 있다.49
• 음이온 교환막 수전해 (AEMWE): AWE와 PEMWE의 장점을 결합한 방식으로, LCoH 최적화를 위한 연구가 진행 중이다.49

수전해 방식의 수소는 가장 친환경적이지만 생산 단가가 비싸고 1, 재생에너지-수전해로 생산한 수소의 비용이 가장 높게 나타난다.58 반면 부생 수소는 저렴하지만 생산량이 제한적이다.1 수소 생산 방법 선택은 환경 부담에 큰 영향을 미치며, 수증기 바이오메탄 개질 시나리오가 가장 환경친화적인 것으로 평가되기도 한다.64

수소 저장 및 운송 기술별 비용 효율성 및 안전성 분석

수소는 기체 상태에서 부피가 매우 커 운송 및 저장이 어렵다는 단점이 있다.1 따라서 효율적인 저장 및 운송 기술은 수소 경제의 확대를 위해 필수적이다.

• 압축 수소 (Compressed Hydrogen, CH2):

• 현재 수송용으로 가장 일반적인 저장 방식이다.5 고압 탱크에 저장되며, 350bar 또는 700bar의 압력으로 저장된다. 700bar 저장 시 1,000km 이동을 목표로 설계된다.33
• 저장 탱크 비용은 약 1,000 USD/kg으로 액체 수소보다 비싸며, 장비 설치 면적도 더 넓다.67
• 운송 과정에서 제품 손실이 거의 없지만, 차압을 통한 이송 방식은 시간이 오래 걸리고 비효율적이다.67
• 압축 과정에서 많은 에너지가 소모되며, 냉각 비용이 전체 에너지 비용의 40%를 차지할 수 있다.67
• 수소 충전소의 경제성은 용량 500kg/day까지는 기체 수소 방식이 유리하지만, 수요가 확대되면 액체 수소 방식이 더 경제적이다.68

• 액화 수소 (Liquid Hydrogen, LH2):

• 수소를 -253°C의 극저온으로 냉각하여 액체 상태로 변환하는 방식이다. 부피를 약 800분의 1로 줄일 수 있어 저장 효율이 높고, 운송 비용도 1/10로 낮아진다.1
• 액화 과정과 운송 비용이 매우 높다는 단점이 있다.69 저장 탱크 비용은 약 200 USD/kg으로 압축 수소보다 저렴하다.67
• 액화 수소 시스템은 초기 비용이 적게 들고, 필요한 장비가 적으며, 중장비 환경에서 우수한 운전 효율성을 제공한다.67
• 액화 수소의 낮은 온도를 활용하여 차량 탱크를 채우는 데 필요한 냉각 요구 사항을 충족할 수 있어 에너지 효율적이다.67
• 저장 중 증발(boil-off) 현상이 발생할 수 있으나, 추가 냉각 장비를 통해 관리 및 감소시킬 수 있다.67

• 화학적 수소 운반체 (Chemical Hydrogen Carriers):

• 암모니아 (NH3): 수소 밀도가 액체 수소(70kg/㎥) 대비 1.8배, LOHC(47kg/㎥) 대비 2.5배 높아 운송 효율성이 우수하다.70 기존 암모니아 운송 인프라를 활용할 수 있어 대규모 투자 없이 대용량 수소 운송이 가능하다는 경제적 장점이 있다.70 수소 추출 비용을 포함해도 액화 수소나 LOHC 대비 저렴한 옵션으로 평가된다.70
• 액상 유기 수소 운반체 (Liquid Organic Hydrogen Carrier, LOHC): 수소를 유기 화합물에 저장하는 방식이다. 기존 오일 수송 인프라를 활용할 수 있다는 장점이 있으나, 수소를 다시 추출하기 위한 재변환 과정에서 많은 에너지와 비용이 소모된다는 단점이 있다.69

수소의 저장과 운송은 수소 경제의 비용을 증가시키는 주요 요인 중 하나이며 59, 최종 수소 활용 형태에 따라 최적의 운송 수단이 달라진다.72 7,000km 이상 해상 운송에는 암모니아와 LOHC가 효율적이며, 1,500km 이하 내륙 운송에는 파이프라인이 적합하다.72 장기 저장에는 염동(salt caverns)이 가장 비용 효율적일 수 있다.73

수소 활용 분야별 시스템 적용 사례 및 설계 고려사항

수소 연료전지 시스템은 발전, 모빌리티, 산업 등 다양한 분야에서 활용될 수 있으며, 각 분야의 특성에 맞는 설계 고려사항이 필요하다.

• 발전 분야:

• 분산 전원: 연료전지는 수요지 근처에 설치 가능한 분산 발전원으로, 40~65%의 고효율 발전을 제공하며, 외부 요인에 의한 간헐성이 적다.42 이는 전력망 안정화에 기여하고 송전 손실을 줄일 수 있다.1
• 열병합 발전 (CHP): 전기와 열을 동시에 생산하여 에너지 이용 효율을 80~95%까지 극대화할 수 있다.2 가정용, 상업용, 산업용 건물에 전기와 열을 공급하는 데 적합하다.3
• 비상 전원 및 원거리 전력 공급: 높은 에너지 밀도와 출력 밀도, 모듈화 용이성으로 긴급 보조 전원이나 원거리 전력 공급용으로 활용된다.2
• 설계 고려사항: 발전 효율, 열 회수율, 장기 운전 신뢰성 및 내구성, 설치 면적, 계통 연계성, 그리고 경제성(LCoE)이 주요 고려사항이다.42

• 모빌리티 분야:

• 수소전기차 (FCEV): 현대자동차 넥쏘와 같이 승용차, 버스, 트럭 등 다양한 차량에 적용되며, 짧은 충전 시간과 긴 항속 거리가 장점이다.41
• 특수 모빌리티: 드론, 철도 차량, 선박, 지게차, 굴착기 등 대형 건설 기계, 심지어 미래의 도심 항공 모빌리티(UAM)까지 적용이 확대되고 있다.1
• 설계 고려사항:

• 경량화 및 소형화: 차량 탑재를 위해 시스템의 무게와 부피를 최소화하는 것이 중요하다.41
• 내구성 및 냉간 시동성: 혹한 환경에서도 안정적으로 작동할 수 있는 냉간 시동 성능과 장기간 운전에 견딜 수 있는 내구성이 요구된다.41
• 안전성: 고압 수소 저장 및 운송으로 인한 화재/폭발 위험을 최소화하기 위한 엄격한 안전 기준과 운영 매뉴얼이 필수적이다.36
• 충전 인프라: 수소 충전 시간 단축과 충전소 인프라 확충이 보급의 핵심 과제이다.41

• 산업 분야:

• 산업 공정에서 필요한 전기와 열을 공급하거나, 특정 공정의 무탄소화를 위해 수소 연료전지가 활용될 수 있다.3
• 설계 고려사항: 대용량화, 24시간 상시 가동 능력, 다양한 연료 유연성(내부 개질), 그리고 기존 산업 설비와의 연계성 및 호환성이 중요하다.7

수소 연료전지 시스템은 수소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하며, 이는 미래의 모빌리티, 주택 및 상업용 건물 난방, 산업 분야에서 사용될 수 있는 에너지를 생성한다.3 정부는 2040년까지 발전용 연료전지 15GW, 공동주택 건물용 2.1GW 보급 목표를 수립하는 등 국내 수소연료전지 소비 시장이 증가하는 추세이다.1

수소 전주기 환경 영향 분석 (LCA 방법론 및 평가 지표)

수소 에너지 시스템의 진정한 친환경성을 평가하기 위해서는 단순히 최종 활용 단계에서의 무배출 특성만을 볼 것이 아니라, 수소의 생산부터 저장, 운송, 활용, 그리고 폐기에 이르는 전체 수명 주기(Life Cycle)에 걸친 환경 영향을 종합적으로 분석해야 한다.64 이를 위해 전 수명 평가(Life Cycle Assessment, LCA) 방법론이 활용된다.64

LCA 방법론의 주요 단계:

LCA는 ISO 14040 및 ISO 14044 국제 표준에 따라 다음 4단계로 구성된다 64:

1. 목표 및 범위 정의 (Goal and Scope Definition): 평가의 목적(예: 수소 생산 기술 간 환경성능 비교)과 시스템 경계(원료 추출부터 제조, 사용, 처분까지)를 명확히 설정한다.64
2. 전 수명 목록 분석 (Life Cycle Inventory Analysis, LCI): 설정된 시스템 경계 내에서 제품 또는 서비스 시스템의 전 수명 주기에 걸쳐 발생하는 모든 투입량(에너지, 원료) 및 산출량(제품, 폐기물, 오염 물질)을 정량적으로 수집하고 편집한다.64 예를 들어, 수소 생산 공정에서 사용되는 전력 생산 단계에서의 자원 소비 및 오염 물질 방출도 포함된다.64
3. 전 수명 영향 평가 (Life Cycle Impact Assessment, LCIA): 목록 분석 단계에서 수집된 환경 부하 데이터가 환경에 미치는 잠재적 영향을 평가한다. 이는 지구 온난화 잠재성(Global Warming Potential, GWP), 산성화 잠재성(Acidification Potential, AP), 부영양화 잠재성(Eutrophication Potential, EP), 오존층 고갈 잠재성(Ozone Depletion Potential, ODP), 무생물 자원 고갈 잠재성(Abiotic Depletion Potential, ADP) 등 다양한 환경 영향 범주 지표를 사용하여 정량화된다.64
4. 전 수명 결과 해석 (Life Cycle Interpretation): 영향 평가 결과를 바탕으로 시스템의 환경 성능을 분석하고, 환경 부하를 줄이기 위한 개선 방안을 도출한다.64

수소 에너지 시스템의 환경 영향 분석 결과:

• 생산 방식의 영향: 원료 선택과 수소 생산 방법 선택이 환경 부담에 큰 영향을 미친다.64

• 화석 메탄 개질 시스템은 온실가스를 최대로 많이 배출한다.64
• 수증기 바이오메탄 개질 시나리오가 가장 환경친화적인 것으로 평가된다.64
• 바이오에탄올로부터 수소를 생산하는 기술은 환경에 가장 유해할 수 있다.64
• 수소 생산 공정에서 사용되는 전력 믹스(재생에너지 vs. 화석연료)는 지구 온난화 잠재성 영향에 큰 영향을 준다.64

• 연료전지 제조 과정의 영향: 겉보기에는 친환경적인 연료전지도 제조 과정에서 환경 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 고체산화물 연료전지(SOFC)의 경우:

• 연료극지지형 스택은 핵심 소재인 니켈로 인해 토양 산성화 가능성이 높다.79
• 전해질지지형 스택은 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 인해 해수 부영양화 가능성이 높다.79
• 금속지지형 스택은 스테인리스 스틸(STS)로 인해 인체 발암 독성 가능성이 높다.79
• 이러한 분석은 특정 소재가 환경에 미치는 영향을 정량적으로 파악하여, 친환경 연료전지 상용화를 위한 환경 기준을 제시하고 개선 방향을 명확히 하는 데 기여한다.79

LCA는 제품 또는 서비스 시스템의 전 수명 주기에 걸쳐 필연적으로 발생하는 환경 부하를 규명하고, 환경 부하가 환경에 미치는 영향을 정량적으로 평가하여 이를 저감하고 개선하는 기법이다.64 이는 기업이 환경 영향을 파악하여 대안을 세우고, 정부가 객관적인 기준을 통해 규제를 수립하는 데 중요한 기반을 제공한다.79

VI. 최신 기술 동향 및 미래 전망

수소 및 연료전지 기술은 지속적인 연구 개발을 통해 빠르게 발전하고 있으며, 이는 미래 에너지 시스템의 핵심 동력으로 자리매김할 것이다.

연료전지 신소재 및 효율 향상 기술 개발 동향

연료전지의 성능, 내구성, 그리고 경제성을 향상시키기 위한 신소재 및 효율 향상 기술 개발이 활발히 진행 중이다.

• 촉매 기술 혁신: 연료전지 스택 제조 비용의 60%를 차지하는 고가의 백금 촉매 사용량을 줄이는 것이 핵심 과제이다.27

• 코어-쉘 전극 촉매 기술: 팔라듐과 같은 중심 금속 위에 백금을 얇게 코팅하여 백금 사용량을 최소화하는 기술이다. 한국에너지기술연구원(KIER)은 이 기술을 고도화하여 촉매 생산량을 10배 수준으로 올리고 백금 사용량을 40% 저감하여 스택 제조 비용을 20% 이상 낮추는 것을 목표로 유럽 연구기관들과 공동 연구를 수행하고 있다.28
• 비귀금속 촉매 개발: 백금을 대체할 수 있는 전이금속 및 비귀금속 촉매 개발을 통해 가격 경쟁력을 확보하려는 노력이 지속되고 있다.29

• 전해질 및 분리막 기술:

• 고온 고분자 전해질 분리막: 220°C 이상에서 높은 성능을 유지하며 장기간 운전되는 고성능 고분자 전해질 분리막 연료전지 개발이 진행 중이다. 이는 암모니아, 메탄올 개질을 통한 저순도 수소 활용을 가능하게 하여 기존 인프라 활용에 유리하며 비용 절감에 기여할 것으로 기대된다.81
• 스피넬 산화물 신소재: 인공지능(AI)과 계산화학을 결합하여 그린수소 및 배터리 분야의 차세대 촉매 및 전극 물질로 활용될 수 있는 스피넬 산화물 신소재를 효율적으로 설계하는 기술이 개발되었다. 이는 산소 환원 반응(ORR)과 산소 발생 반응(OER) 속도를 향상시킬 잠재력이 높다.82

• 고체산화물 연료전지(SOFC) 성능 향상:

• 한국에너지기술연구원은 전기화학 증착 기술을 통해 고체산화물 연료전지의 성능을 4분 만에 3배로 향상시키는 촉매 코팅 기술을 개발했다. 이는 프라세오디뮴(Pr) 이온이 포함된 용액에 전극을 담그고 전류를 흘려 표면에 산화물 코팅 층을 형성하는 방식으로, 공정 시간을 획기적으로 단축하고 제작 비용을 줄이며, 650°C에서 기존 연료전지 대비 3배 높은 전력 생산 성능을 보였다.83

이러한 신소재 및 효율 향상 기술 개발은 연료전지 시스템의 가격 경쟁력을 확보하고, 내구성을 향상시키며, 다양한 운전 조건에서의 성능을 최적화하는 데 기여하여 광범위한 상용화를 촉진할 것이다.2

수소 인프라 구축 현황 및 투자 동향, 당면 과제

수소 경제의 활성화를 위해서는 수소의 생산, 저장, 운송, 그리고 최종 활용에 이르는 전주기적 인프라 구축이 필수적이다.

• 시장 규모 및 성장 전망: 글로벌 수소 인프라 시장은 2022년 0.51억 달러에서 2032년 120억 달러 규모로 성장할 것으로 예상되며, 예측 기간(2024~2032년) 동안 연평균 성장률(CAGR)은 약 37.02%에 달할 것으로 전망된다.85 이는 청정 에너지 솔루션에 대한 수요 증가, 탈탄소화 노력, 그리고 수소 생산 기술 발전 및 정부 정책 지원에 힘입은 결과이다.86
• 수소 충전소 현황: 2022년 12월 기준 전 세계적으로 총 1,020기의 수소 충전소가 구축되었으며, 중국(319기), 한국(212기), 일본(163기)이 선두를 달리고 있다.87 한국은 단기간 내 세계 최대 규모의 수소 충전 인프라를 구축했으며, 2030년까지 수소 충전소 핵심 장비의 100% 국산화를 목표로 하고 있다.87
• 액체 수소 인프라: 국내에서는 2024년부터 액체 수소의 생산, 이송, 충전소 활용이 시작될 것으로 예상되며, 액체 수소 관련 연구 개발이 활발히 추진 중이다.87 액체 수소 충전소는 대량의 수소 소비에 대비하여 효율적이고 경제적인 중대형 충전소 구축에 필수적이다.87
• 수소 배관망: 장기적으로는 100기압 수소 배관망 구축이 필요하며, 비용 절감 및 시공 편의성을 위해 유연한(Flexible) 배관 개발이 요구된다.87 유럽에서는 기존 천연가스 인프라를 수소 파이프라인으로 전환하는 방안을 적극 추진 중이다.60

당면 과제:

• 고비용: 수소 저장 및 운송 비용은 여전히 높으며, 특히 액화 수소는 변환 비용이 높다.59 LOHC 또한 재변환 과정에서 많은 에너지와 비용이 소모된다.69
• 운송 효율성: 수소는 단위 부피당 에너지 밀도가 낮아 운송 효율이 떨어진다.1
• 안전성 및 주민 수용성: 수소의 인화성 및 폭발 위험성으로 인해 안전성 확보와 주민 수용성 문제가 중요한 과제로 남아있다.36
• 기술 개발 및 양산화: 핵심 장비의 국산화율을 높이고, 대용량화 및 대량 생산을 통한 경제성 확보가 시급하다.42 기술 개발 단계에서의 성능 검증(효율성, 내구성)과 기술 개선을 위한 실증 경험(Track Record)의 절대적인 부족도 해결해야 할 문제이다.87

이러한 과제들을 극복하기 위해 정부는 수소 충전소 및 관련 핵심 기술을 '7대 전략 분야'에 포함하여 기술 개발을 집중하고 있으며, 2030년까지 선진국 수준의 기술 확보를 목표로 하고 있다.87

수소 경제 활성화를 위한 국내외 정책 및 국제 협력 동향

수소 경제의 성공적인 이행을 위해서는 정부의 강력한 정책 지원과 국제적인 협력이 필수적이다.

• 국내 정책 동향:

• 수소경제 활성화 로드맵: 한국 정부는 2019년 '수소경제 활성화 로드맵'을 발표하며 수소차와 연료전지를 양대 축으로 수소 경제 생태계를 구축하고 선도하겠다는 의지를 밝혔다.65 이 로드맵은 2040년까지 발전용 연료전지 보급 목표(15GW)와 공동주택 건물용 연료전지 보급 목표(2.1GW)를 제시한다.1
• 수소 기술개발 로드맵: 발전용 연료전지 LCoE를 2030년까지 141원/kWh로 절감하는 목표를 수립했으며, 이를 위해 주기기 가격 및 LTSA 계약 단가 인하 노력이 필요하다.48
• 수소발전 입찰시장 (CHPS): 2023년부터 청정수소 활용 확대를 위한 수소발전 입찰시장이 개설되었으며, 2024년부터 청정 수소를 이용한 청정 수소 발전 시장도 개설될 예정이다.42 이는 발전용 연료전지의 양산 기술 국산화의 중요성을 높인다.42
• 수소 충전소 국산화: 2030년까지 수소 충전소 핵심 장비의 100% 국산화를 목표로 정부 주도의 기술 개발이 진행 중이며, 이를 통해 충전소 구축 비용을 30% 이상 절감할 계획이다.87

• 해외 정책 및 국제 협력 동향:

• 미국 (IRA Section 45V): 인플레이션 감축법(IRA)의 Section 45V는 수소 1kg 생산 시 배출하는 CO2 양에 따라 세액공제(최대 3달러/kg)를 제공하여 청정수소 생산을 장려한다.49 이 정책은 2025년 최종 규칙 발표를 통해 시간대별 전력 매칭, 에너지 속성 인증서 등 구체적인 기준을 마련하고 있다.49
• 유럽: 유럽은 수소 파이프라인 확장에 힘쓰며, 기존 천연가스 인프라를 수소 인프라로 전환하는 방안을 적극 추진 중이다.60
• 일본: 일본은 수소 기본 전략 개정안('23.6)을 통해 수소 관련 국제 협력의 일환으로 표준화 전략, 다자간 프레임워크에서의 활동을 구체적으로 다루어 글로벌 기술 우위를 확립하려 한다.88 수소 각료회의를 통해 2028년까지 수소 충전소 1만 개소 설치 및 연료전지 시스템 1,000만 대 도입을 목표로 국제 협력을 진행하고 있다.88
• 국제 협력 프레임워크: 국제수소연료전지파트너십(IPHE), 청정에너지장관회의(CEM), 미션 이노베이션(MI) 등 다자간 국제 기구를 통해 수소 경제 활성화를 위한 연구, 실증, 상용화 협력 체계 구축 및 정책 개발, 표준화 활동이 이루어지고 있다.88 한국도 이러한 국제 협력에 적극 참여하여 수소 기술 국제 표준화를 추진하고 있다.88
• 글로벌 수소 수요 및 공급 전망: 2023년 글로벌 수소 수요는 9,700만 톤으로 증가했으나, 저배출 수소는 여전히 전체의 1% 미만이다.60 2030년까지 연간 저배출 수소 생산량은 4,900만 톤에 이를 것으로 전망되며, 이 중 약 2/3가 수전해를 통해 생산될 것으로 예상된다.60 2030년 수전해 수소 생산 비용은 CCS를 활용한 화석연료 기반 수준까지 하락할 것으로 전망된다.60

수소 경제의 글로벌 시장은 2020년부터 2025년까지 연평균 9.7% 성장하여 약 1,500억 달러 규모에 이를 것으로 전망되며, 미국과 중국이 선도하고 인도, 일본, 독일 등이 주요 생산국이 될 것으로 예상된다.78 한국은 2019년 2.85조 원이었던 수소 경제 규모가 2050년에는 1,319조 원까지 증가할 것으로 예측된다.78 이러한 정책적 지원과 국제 협력은 수소 산업의 성장을 가속화하고, 탄소중립 목표 달성에 기여할 것이다.

VII. 결론 및 직무 역량 강화를 위한 제언

수소 및 연료전지 시스템은 탄소중립 사회로의 전환을 이끄는 핵심 기술로서, 그 중요성이 점차 증대되고 있다. 본 보고서는 연료전지의 전기화학적 기본 원리부터 시스템 설계, 경제성 분석, 그리고 수소 전주기적 관점에 이르기까지 포괄적인 내용을 다루며, 관련 직무 역량 강화를 위한 심층적인 지식을 제공한다.

연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기와 열을 생산하며, PEMFC와 SOFC는 각각 저온 및 고온 작동 특성을 기반으로 다양한 응용 분야에 적합하다. 연료전지 시스템의 성능과 수명은 스택 자체의 효율뿐만 아니라, 연료 공급, 공기 공급, 열 관리, 전력 변환 등 다양한 보조 시스템(BOP)의 유기적인 통합과 최적화된 제어 전략에 크게 좌우된다. 특히, 연료전지 내부의 복잡한 물질 및 열 전달 현상, 그리고 재료의 내구성 문제는 시스템 설계 시 면밀히 고려되어야 할 핵심 요소이다. 고가의 백금 촉매 사용, 막의 안정성, 수소 취성 등에 대한 지속적인 신소재 개발 및 재료 선택의 최적화는 시스템의 경제성과 신뢰성을 확보하는 데 필수적이다. 또한, 수소의 낮은 점화 에너지와 넓은 폭발 범위로 인해, 화재 및 폭발 위험을 최소화하기 위한 다층적이고 총체적인 안전 설계 원칙이 시스템 라이프사이클 전반에 걸쳐 적용되어야 한다.

경제성 분석 측면에서, 발전단가(LCoE)와 수소 생산단가(LCoH)는 프로젝트의 사업성을 평가하는 중요한 지표이다. 현재 연료전지의 LCoE는 높은 연료비와 초기 건설 비용으로 인해 다른 발전원 대비 경쟁력이 낮은 편이지만, 기술 개발과 정책 지원을 통해 2030년까지 LCoE 절감 목표를 달성하려는 노력이 진행 중이다. LCoH 또한 수전해 방식의 높은 전력 비용으로 인해 도전 과제에 직면해 있으나, 고효율 기술 개발 및 정부의 세액공제 정책이 LCoH 최적화에 기여할 것으로 기대된다. 엑셀 기반의 H2A 모델과 같은 도구는 경제성 분석의 실무적 기반을 제공하지만, 실제 시스템의 동적 특성을 반영하기 위해서는 동적 시뮬레이션 툴의 활용이 필요하다. 수소 전주기 관점에서 생산 방식(개질 vs. 수전해), 저장 및 운송 기술(압축, 액화, 화학적 운반체)의 선택은 비용 효율성 및 환경 영향에 큰 영향을 미치므로, 각 단계의 최적화가 수소 경제의 실현에 필수적이다.

직무 역량 강화를 위한 구체적 제언:

1. 연료전지 시스템 통합 설계 역량 강화:

• 모듈 기반 설계 실습: 다양한 출력 요구 사항에 맞춰 연료전지 스택과 보조 시스템(BOP)을 모듈화하여 조합하고, 이를 통해 시스템의 확장성과 유연성을 확보하는 설계 연습이 필요하다.
• 열 및 물 관리 최적화 시뮬레이션: Matlab/Simulink와 같은 동적 모델링 툴을 활용하여 연료전지 스택의 온도 분포, 냉각수 유량, 물 균형 등을 시뮬레이션하고, 다양한 운전 조건에서의 열 관리 시스템 최적화 방안을 도출하는 실습을 수행해야 한다.
• 안전성 설계 적용: 수소 누출 탐지, 환기 시스템, 비상 정지 절차 등 실제 안전 규격(예: 선박용 연료전지 시스템 지침 34, 수소충전소 안전 기술지침 38)을 기반으로 한 안전성 설계 요소를 시스템 설계에 반영하는 연습을 통해 위험 관리 역량을 강화해야 한다.

1. 엑셀 기반 경제성 분석 실무 능력 배양:

• H2A 모델 활용 실습: NREL H2A 모델과 같은 공개된 엑셀 기반 경제성 분석 템플릿을 직접 다운로드하여 활용하고, 다양한 시나리오(예: 연료 가격 변동, 설비 이용률 변화, 정책 지원 유무)에 따른 LCoE 및 LCoH 민감도 분석을 수행해야 한다.
• 맞춤형 경제성 모델 구축: 특정 프로젝트(예: 가정용 연료전지, 수소 충전소, 그린수소 생산 플랜트)에 대한 가상의 데이터를 설정하고, 건설비, O&M 비용, 연료비, 할인율 등을 직접 입력하여 LCoE 및 LCoH를 계산하는 엑셀 모델을 구축하는 실습을 통해 실무 적용 능력을 향상시켜야 한다.
• 비용 요소별 영향 분석: 연료비, 자본비 등 LCoE 및 LCoH에 큰 영향을 미치는 주요 파라미터 47의 변화가 최종 단가에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고, 이를 통해 프로젝트의 경제적 취약점을 파악하는 연습이 중요하다.

1. 수소 전주기 관점의 이해 심화:

• LCA 소프트웨어 활용: SimaPro와 같은 LCA 전문 소프트웨어의 기본 사용법을 익히고, 수소 생산 방식별(예: SMR, 수전해) 환경 영향(GWP, AP 등)을 비교 분석하는 실습을 통해 친환경성 평가 역량을 강화해야 한다.
• 저장/운송 기술 비교 분석: 압축 수소, 액화 수소, 암모니아, LOHC 등 다양한 수소 저장 및 운송 기술의 기술적 특성, 비용 효율성, 그리고 환경적 장단점을 비교 분석하는 사례 연구를 수행하여 최적의 공급망 구축 전략을 수립하는 데 필요한 통찰력을 길러야 한다.
• 정책 및 시장 동향 분석: 국내외 수소 경제 관련 정책(예: IRA Section 45V 49) 및 시장 동향을 지속적으로 모니터링하고, 이러한 외부 요인이 수소 시스템 설계 및 경제성에 미치는 영향을 분석하는 능력을 함양해야 한다.

이러한 심층적인 이론 학습과 엑셀 기반의 실무 경제성 분석, 그리고 전주기적 관점의 이해를 통해 수소 및 연료전지 분야에서 요구되는 핵심 직무 역량을 효과적으로 강화할 수 있을 것이다.

참고 자료

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14. 연료전지의 무궁무진함 - 대학생신재생에너지기자단, 5월 20, 2025에 액세스, https://renewableenergyfollowers.org/2368
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25. 시스템 수준 설계로 연료전지 시스템 설계하기 - MathWorks, 5월 20, 2025에 액세스, https://kr.mathworks.com/content/dam/mathworks/white-paper/kr-designing-fuel-cell-systems-using-system-level-design-white-paper.pdf
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77. 에스퓨얼셀, 건물용 연료전지 기반으로 모빌리티 파워팩 시장 진출 - 월간수소경제, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=9012
78. [투자로드맵 ] 12대 국가전략기술 시리즈 <수소(경제)> #RISE 글로벌수소경제 #381560 #수소 생산 - Naver Blog, 5월 20, 2025에 액세스, https://blog.naver.com/nhinvest_official/223732509362
79. 연료전지 환경영향 분석해 친환경 산업화 기준 제시한다? : 네이버 블로그, 5월 20, 2025에 액세스, https://blog.naver.com/energium/223851099495?fromRss=true&trackingCode=rss
80. 수소·연료전지 연구개발 단계부터 LCA 필요하다, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12992
81. 250℃에서 500시간 작동해도 쌩쌩~ 차세대 수소연료전지 기술 개발 - 헬로디디, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.hellodd.com/news/articleView.html?idxno=105838
82. 연구 그린수소 생산에 탁월한 전해질 신소재 개발 그린수소는 풍력, 태양광등 재생에너지를 이용하여 생산과정에서 이산화탄소 배출이 전혀 없는 궁극적인 청정 에너지원으로 각광을 받고 - KAIST, 5월 20, 2025에 액세스, https://news.kaist.ac.kr/news/html/news/?mode=V&mng_no=32790
83. 4분 만에 성능이 3배로 향상되는 연료전지, 비결은 산화물 촉매 코팅 기술? - Naver Blog, 5월 20, 2025에 액세스, https://blog.naver.com/energium/223506634167
84. 고체산화물 연료전지 성능 3배 높이는데 단 4분이면 충분 - 헬로디디, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.hellodd.com/news/articleView.html?idxno=104396
85. www.marketresearchfuture.com, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.marketresearchfuture.com/ko/reports/hydrogen-infrastructure-market-31953#:~:text=%EA%B8%80%EB%A1%9C%EB%B2%8C%20%EC%88%98%EC%86%8C%20%EC%9D%B8%ED%94%84%EB%9D%BC%20%EC%8B%9C%EC%9E%A5%20%EA%B0%9C%EC%9A%94,%EB%A1%9C%20%EC%84%B1%EC%9E%A5%ED%95%A0%20%EA%B2%83%EC%9C%BC%EB%A1%9C%20%EC%98%88%EC%83%81%EB%90%A9%EB%8B%88%EB%8B%A4.
86. 수소 인프라 시장 규모, 성장, 동향, 보고서 2032 - Market Research Future, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.marketresearchfuture.com/ko/reports/hydrogen-infrastructure-market-31953
87. 2024년도 에너지기술개발사업 연구개발과제기획보고서 - 더브이씨, 5월 20, 2025에 액세스, https://grant-documents.thevc.kr/209942_3.+%5B%EA%B3%B5%EA%B0%9C%EC%9A%A9%5D+2024%EB%85%84%EB%8F%84+%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80%EA%B8%B0%EC%88%A0%EA%B0%9C%EB%B0%9C%EC%82%AC%EC%97%85+%EC%8B%A0%EA%B7%9C%EA%B3%BC%EC%A0%9C+%EA%B8%B0%ED%9A%8D%EB%B3%B4%EA%B3%A0%EC%84%9C_%EC%8B%A0%EC%9E%AC%EC%83%9D%EC%97%90%EB%84%88%EC%A7%80%ED%95%B5%EC%8B%AC%EA%B8%B0%EC%88%A0%EA%B0%9C%EB%B0%9C(%EC%88%98%EC%86%8C).pdf
88. 일본의 수소 국제협력 R&D 전략 - 국가녹색기술연구소, 5월 20, 2025에 액세스, https://nigt.re.kr/gtck/gtcPublication.do?mode=download&articleNo=3520&attachNo=4355
89. 한-일, 수소 분야 협력 강화, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12549
90. 수소경제 선도기술, 국제표준으로 착실히 진입중 - 보도자료 - 대한민국 정책브리핑, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.korea.kr/news/pressReleaseView.do?newsId=156474239&pWise=sub&pWiseSub=J1
91. 수소경제 선도기술, 국제표준으로 착실히 진입중 - 산업통상자원부, 5월 20, 2025에 액세스, https://www.motie.go.kr/attach/down/095a2dda9c864e1d90d751f7668a1117/9c47f81a924aa858aef583886c00afd9
92. blog.naver.com, 5월 20, 2025에 액세스, https://blog.naver.com/nhinvest_official/223732509362#:~:text=%EA%B8%80%EB%A1%9C%EB%B2%8C%20%EC%88%98%EC%86%8C%20%EC%83%9D%EC%82%B0%20%EC%8B%9C%EC%9E%A5%EC%9D%80,%EC%9D%B4%20%EB%90%A0%20%EA%B2%83%EC%9C%BC%EB%A1%9C%20%EC%98%88%EC%83%81%EB%90%A9%EB%8B%88%EB%8B%A4.