물을 전기분해하여 수소를 만드는 수전해 수소생산 기술이 탄소중립 달성과 수소경제 진입이라는 두 마리 토끼를 잡을 수 있는 기술로 주목받고 있다.

정부는 온실가스 감축을 위해 2030년까지 신재생에너지 발전 비중을 30% 이상으로 확대할 계획*인데, 태양광이나 풍력과 같은 신재생 에너지는 이산화탄소를 배출하지 않고 전기를 만들기 때문이다.

 * ‘21.10.18. 정부공동 보도자료, “2050 탄소중립, 미래 생존을 위한 마지막 기회”

그러나, 신재생에너지는 바람, 햇빛 등 자연 현상으로부터 얻어지므로 날씨에 따른 변동성이 커서, 전력망의 수요를 초과하여 생산된 잉여 전기를 저장할 필요가 있다.

이를 위해 잉여 전기로 물을 분해하여 수소를 생산․저장하는 기술이, 탄소중립 달성과 수소경제사회 진입을 이어주는 가교 기술로 주목받고 있다.

# 중부발전은 제주상명풍력단지의 수전해 시설에서 ‘20년 12월~’21년 4월간 국내 최초로 하루 35kg*의 수소를 생산하였고, 제주행원풍력단지에서 ‘23년 4월까지 하루 300kg의 생산 능력을 실증할 계획이다. (중부발전 보도자료 종합)

 * 1kg의 수소는 현대자동차의 수소차 넥쏘가 90~100km 주행할 수 있는 양임

수전해 기술에 대한 특허출원도 활발하여, 특허청(청장 김용래)에 따르면, 수전해 기술에 대한 IP5* 특허출원이 최근 5년간(’15년~’19년) 1,469건으로, 그 이전 5년(’10년~’14년, 1,123건)에 비해 약 31% 증가한 것으로 조사되었다.

 * 한국, 미국, 일본, 중국, EU의 선진 5개 특허청을 의미

국적*별로 살펴보면, 일본이 1,974건(44.3%)으로 가장 많고, 한국은 549건(12.3%)으로 네 번째였으며, 특히 중국(617건, 13.8%)은 2014년부터 출원량이 급증하여 한국을 앞질렀다.

 * IP5 특허출원에 대해 출원인의 국적을 의미

국내 대표 출원 업체는 한국에너지기술연구원, 삼성 등이 있으나, IP5 다출원인 목록을 살펴보면, 상위 10위내에 삼성, 한국에너지기술연구원의 2개 출원인만 포함되어, 국내 기업의 해외 지재권 확보 노력은 부족한 편으로, 국내 기업의 수전해 장치 해외 수출 시, 해외특허 확보 노력과 함께 글로벌 기업과 라이센스, 기술개발 협력 등 준비가 필요한 것으로 보인다.

수전해 기술은 양극과 음극을 통해 전기에너지를 가함으로써 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 방법으로, 두 전극 사이를 채우는 전해질의 종류에 따라 알칼라인, 고분자전해질, 고체산화물 기술의 3가지로 구분된다.

IP5 특허출원 중 알칼라인 수전해 기술 출원이 2,443건(54.8%)으로 가장 점유율이 높은데(붙임 5), 이는 알칼라인 수전해 기술이 가장 먼저 개발되어 기술이 성숙되어 있고, 장치 가격이 저렴하고 분해 용량이 커 상용화에 유리하기 때문으로 보이고, 고분자전해질 수전해 기술은 전류 밀도가 크고 전력 변동성에 강한 장점이 있어, 고가의 전극을 사용하고 내구성이 약한 단점에도 불구하고 알칼라인 수전해 기술과 함께 병행 발전할 것으로 기대된다.

IP5 한국 출원 549건 중 고분자전해질 기술 출원의 비율이 42.4%(233건)로, 미국(40.7%), 일본(39.2%), EU(30.0%), 중국(28.8%)에 비해 가장 높았는데, 고분자전해질 기술분야에서 한국 국적 출원인을 살펴보면, 한국에너지 기술연구원과 같은 수전해 전문 출원인뿐만 아니라, 삼성, SK 이노베이션과 같은 전지 관련 기업이 포함되어 있는 점이 주목된다.

우리나라는 2차전지에서 세계 수준의 경쟁력*을 보유하고 있는데, 전지와 수전해 장치의 기본 구조가 유사하기 때문에, 전지 관련 기업의 기초기술이 고분자전해질 수전해 기술 개발에도 활용되고 있는 것으로 보인다.

 * ‘20년 세계 2차전지 시장 점유율 한국 1위(44.1%), 산업부 보도자료, ’21.07.08.

특허청 재료금속심사팀 최정식 심사관은 “수전해 기술은 탄소중립을 달성하는 것을 넘어서, 재생에너지를 효율적으로 수소경제와 연결하는 기술이라는 점에서 매우 중요하다”면서, “재생에너지 발전의 변동성을 보완할 수 있는 수전해 기술의 연구개발과 함께, 이를 보호할 수 있는 지식재산권의 확보도 중요하다”고 강조하였다.