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수소에너지의첨병 수소스테이션 국내상륙

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[ 김우식 | 구영덕 ]

ISBN 978-89-6211-048-7 98550

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수소에너지의 첨병 수소스테이션 국내상륙

Emerging Issue Report

제1장 서론

1. 미래 에너지 수소··················································· 62. 수소스테이션 구성················································· 8

제2장 수소스테이션 기술동향 및 보급현황

1. 국외 기술동향······················································· 122. 국내 기술동향······················································· 18

제3장 수소스테이션 상업화 관련 이슈

1. 수소스테이션 산업의 상업화 전망····················· 222. 수소스테이션 산업의 상업화 특성···················· 243. 수소인프라 과제·················································· 28

제4장 수소스테이션 산업의 상업화 및 유망기술

1. 국내 산업현황······················································· 312. 수소스테이션 비전··············································· 333. 기술적/경제적 목표············································· 344. 산업화 문제점······················································ 365. 사업화 방안·························································· 38

참고문헌······························································· 41

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○ 미래 수소경제의 수소 활용분야에서 큰 비중을 차지하는 수소 연료전지 자동

차에 수소를 공급하는 인프라의 구축이 필요한데, 이것이 수소스테이션이며

여기에는 수소생산, 정제, 압축, 저장 및 충전하는 기술이 포함되어 있음.

○ 수소연료전지 자동차와 수소스테이션은 아직 상용화에 이르지 못한 상태로서

여러 나라에서 실증운전 중이며, 원가절감 및 내구성 향상을 위해 연구개발

중임.

○ 현재 여러 나라에서 수소스테이션 실증사업을 통해 상용화 가능성 판단, 실제

운영을 통한 문제점 발견, 기술개발 재조정, 효율적인 인프라모델 구축, 안전

및 표준화 관련 솔루션 확보 및 일반인 대상 홍보 등을 수행하고 있음

○ 국내 수송용 연료전지 모니터링 사업이 2006년 착수되어 시행 중이며, 한국

가스공사와 한국에너지기술연구원이 천연가스 개질형, GS칼텍스가 나프타 개

질형, SK(주)에서 LPG개질형 수소스테이션을 실증 또는 국산화개발 중에 있

음.

○ 사업화 가능한 제품/서비스는 다양한 연료로부터 수소를 제조하여 공급하는

수소스테이션 시스템과 그 시스템에서 생산되어 연료전지 자동차 및 타 수요

처에 공급되는 수소에너지가 될 것임.

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○ 수소스테이션 시스템을 제공하는 사업은 일정기간 국내 적용을 통해 해외 경

쟁사 대비 성능/원가 경쟁력을 확보한 후 수출산업화를 추진하며(30Nm3/hr

급 시범사업의 경우 약 30억원/기), 2012년에는 약 1,000억원 이상의 수입대

체가 가능함.

○ 수소스테이션의 본격적인 산업화를 위해서는 고순도의 수소를 가격경쟁력이

있도록 제조하는 기술개발 문제, 초기 연료전지 자동차 수요부족에 따른 경

제성 부족 문제, 안전 등을 포함한 소비자 홍보/교육 등 사회적/행정적 문제

등이 해결되어야 함.

○ 수소스테이션 관련 산업은 체계적인 기술개발을 통해 국산화에 성공할 경우

수입대체 및 수출산업화가 가능하며, 국가 기간산업인 수소인프라 구축에도

반드시 필요한 유망산업임.

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제1장서론

미래 에너지 수소 ●

수소스테이션 구성 ●

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○ 경제 성장과 삶의 질 향상을 지속하기 위해서는 경제적이고 친환경적이면

서 에너지 수요 증가와 안전성을 만족시킬 수 있는 지속가능한 에너지시스

템이 필요함.

○ 미래의 주요 에너지 운반체는 전기와 수소를 사용할 것으로 예상됨.

- 현재 에너지시스템은 석탄, 원유, 지하메탄, 핵에너지 등과 같은 일차에너

지가 전기, 가솔린, 디젤, 천연가스의 에너지운반체를 이용하여, 소비자들

이 산업용, 상업용, 거주용 및 운송용으로 사용가능하도록 공급하고 있음.

○ 수소는 자연 상태로 존재하지는 않고, 단지 에너지 운반체일 뿐이며, 수소 생

산, 저장 및 공급에는 현재 에너지시스템과 차별화된 기술과 인프라가 필요함.

○ 수소경제가 도래하면 재생가능에너지에 의하여 수소를 제조하고 배관을 통하여

공급하게 될 것이며, 그 전단계로서 경제성과 편리성면에서 화석연료 개질에

의한 수소생산과 다양한 공급방식이 적용되는 전이단계를 거치게 될 것임.

○ 수소에너지의 적용분야는 수송용, 가정용, 산업용, 발전용 등 최종소비자

형태에 따라 구분될 수 있는데, 특히 대기환경측면에서 개선효과가 뛰어난

수송용의 활용이 클 것으로 예상됨.

○ 미래 수소경제의 수소 활용분야에서 큰 비중을 차지하는 수소 연료전지 자동

1. 미래 에너지 수소

서론

7

차에 수소를 공급하는 인프라의 구축이 필요한데, 이것이 수소스테이션이며

여기에는 수소생산, 정제, 압축, 저장 및 충전하는 기술이 포함되어 있음.

○ 수소연료전지 차량은 전 세계적으로 아직 상용화되지 못한 실정이며, 국내

외의 다양한 수소스테이션도 원가 및 유지비용 절감, 내구성향상 및 실증연

구를 진행 중인 상태임.

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2. 수소스테이션 구성

○ 수소스테이션은 수소연료전지 자동차와 수소 내연기관의 상용화를 위한 인

프라 기술로서 연료전지 및 수소자동차에 수소를 공급하는 수소충전소임.

○ 수소스테이션은 수소제조방식에 따라 화석연료(천연가스, LPG, 나프타 등)

개질형, 물의 전기분해, 원자력 수소, 태양광 및 바이오매스 등의 신재생에

너지원에서 수소를 제조하는 형태로 구분되며, 압축수소, 액체수소, 흡장수

소 등의 저장방식에 따라 구성이 달라질 수 있음.(그림 1 참조)

수소스테이션

화석연료수소스테이션

비화석연료수소스테이션

원자력수소제조

가스수소

스테이션

액체수소

스테이션

현지설치형스테이션

이동식스테이션

천연가스개질형LPG개질형나프타개질형중질유/석찬 산화

전기분해열화학분해생물학적분해(바이오매스)광화학적분해

[그림 1] 수소스테이션의 분류

자료: 김기동, “수소스테이션 표준화 로드맵”, 2007.7, 한국가스공사

○ 수소스테이션 내에 수소제조설비가 포함되는지 여부에 따라 일체형(on-site

형) 및 Off-site형으로 구분됨.

- 일체형 수소스테이션의 설비는 수소 제조, 가압, 저장 및 충전기 등으로

구성되며 수소제조방법은 물 전기분해, 화석연료개질, 바이오매스, 태양

열, 풍력 및 지열과 같은 대체에너지를 이용한 물 분해 등이 적용되고 있음.

- Off-site형 수소스테이션은 액체수소 및 기체수소를 외부공장에서 생산하

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여 운반한 후 저장, 공급함.

○ 일체형 수소스테이션의 연료로는 국내 대부분의 도시에 배관망이 형성되어

있는 천연가스의 개질형 수소스테이션이 가장 용이함.

- 기존 연료 인프라를 활용하면서 추가 시설투자 없이 기존의 주유소를 활

용할 수 있는 LPG, 나프타, 가솔린의 개질을 이용한 수소스테이션의 건

설이 가능함.

○ 일체형(On-site) 화석연료 개질형 수소스테이션은 탈황공정, 수소제조공정,

생성된 수소 중의 CO 농도를 낮추는 수소정제공정, 고순도 수소 흡착분리

공정, 수소를 가압하여 저장하는 수소저장공정 및 연료전지자동차에 수소를

공급하는 충전공정이 포함되어 있음.(그림 2 참조)

○ Off-site형 수소스테이션의 경우 중앙공급(파이프라인)과 개별수송(철도, 도

로 등)의 상대적 장단점을 검토하여 물류비용이 최소화되도록 구축되어야 함

- 수소 수요가 적은 초기에는 수소운송용 튜브트레일러(200기압용)를 이용

하여 운송하며, 수요 확대에 따라 장거리 이송용 튜브트레일러, 선박, 기

차 등 관련 인프라의 단계적인 확충을 시도하고, 경제적 타당성분석 후

수소 파이프라인 구축을 추진함.

[그림 2] 수소스테이션 구성 개념

자료: 문동주외, “수소스테이션의 연구개발 동향 및 단위공정 기술”, Korean Chem. Eng. Res.,

Vol. 43, No. 3, June, 2005.

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[그림 3] 일본의 LPG 개질방식 수소스테이션 예(동경가스)

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국외 기술동향 ●

국내 기술동향 ●

제2장수소스테이션 기술동향 및 보급현황

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○ 미국, 일본, EU 등 수소기술 선진국에서 수소연료전지 자동차 개발과 수소

공급 인프라 개발에 중점을 두고 공공기관이 많은 자금을 부담하여 적극적

인 기술개발을 시행 중임.

○ 중단기적으로 천연가스 개질과 물 전기분해에 의한 수소생산을 목표로 하

고 있으며, 장기적으로 재생가능 에너지 활용 및 석탄가스화에 의한 수소

의 대량공급을 목표로 하고 있음.

- 에너지가격체계(전기, 천연가스. LPG, 가솔린 등), 지역적 특성, 수소의

수급밸런스 및 정책의 차이로 인해 국가별/지역별로 다양한 형태의 수소

인프라가 가능할 것임.

○ 대규모 공급시스템을 구축하기 전 단계에서는 소규모 분산형 수소생산이

초기 수소인프라로서 적합함.

- 대규모 수소생산기술은 이미 확립된 상태로서 수소를 각종 산업에 원료로

공급하고 있으나, 수소스테이션에 적용되는 소규모 분산형 수소생산기술

은 상업화가 미흡한 상태로 원가절감과 내구성향상 기술개발이 활발히 진

행 중임.

○ 자동차용 연료전지에 사용가능한 고순도의 수소를 가격 경쟁력이 있도록

생산, 공급하는 것임.

1. 국외 기술동향

수소스테이션 기술동향 및 보급현황

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- 이를 위해서 효율은 높이면서 설비투자비는 줄이는 노력을 진행 중임. 즉

수소생산은 제조원가에서 설비투자비가 차지하는 비중이 큰 자본집약적인

공정이나, 소형화될수록 원가비중이 더욱 커지는 문제가 있어 이를 해결

해야만 함.

○ 현재 전 세계에서 수소스테이션 실증사업이 활발히 진행되고 있음.

- 이를 통해 상용화 가능성 판단, 실제 운영을 통한 문제점 발견, 기술개발

재조정, 효율적인 인프라모델 구축, 안전 및 표준화 관련 솔루션 확보 및

일반인 대상 홍보 등을 수행하고 있음.

○ 전 세계 수소스테이션 현황은 2007년 기준 290여개가 완공되어 운용 중임.

- 향후 미국은 1만5000대의 개질형 수소스테이션을 설치하여 연간 8백만

톤의 수소를 생산할 예정임.

- 일본은 4,000대의 수소스테이션(2005년 연료전지 자동차 5만대, 2020년

500만대 용), 독일은 1,440대 수소스테이션(2012년), 6,240대 수소스테이

션(2020년), 유럽전체로는 1만5,000~2만대 수소스테이션(2020년)을 구축

할 예정임.(<표 1> 참조)

○ 수소스테이션의 형태로는 물 분해를 통한 on-site 수소제조가 가장 많으며,

최근에는 인근 수소 수요처에 수소나 전기를 공급하는 에너지 스테이션 가

능성을 검토하고 있음.

○ 현재 대부분 수소스테이션의 운용압력은 35㎫이고, 최근에 Linde AG에서

70㎫ 규모를 건설하여 운영하고 있음.

○ 수소스테이션은 Air Product & Chemicals(미국), Air Liquide(프랑스),

Linde AG(독일), Chevron Technology Ventures LLC(미국) 등 미국, 유

럽 회사 들이 패키지로 시스템을 제작, 공급하거나 개질기 등의 부품으로

공급하기도 함.

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[표 1] 세계 주요국의 수소연료전지차량 실증 및 시범운행 현황

국가 사업명 주요 내용

미국

① CaFCP

▪자동차사, 에너지사, 부품업체 등이 참여하여 캘

리포니아를 중심으로 실증추진

▪ ’99~’03 : 연료전지차 55대 및 충전소 9기

’04~’07 : 연료전지차 120대 및 충전소 16기

② National Hydrogen

Light Duty Program

▪DOE주관으로 자동차사와 에너지업계가 4개의 팀

을 이뤄 FCV와 수소인프라 실증

▪ ’04~’09 : 연료전지차 128대 및 충전소 28기

▪총사업비 : US $364M

③ National Fuel Cell

Bus Program

▪DOT주관으로 비영리기관, 운송회사와 함께 FC

Bus 상업화를 위한 실증

▪ ’03~’15 간 3단계로 추진예정

▪사업비 : US $28M(’03), ’03년 이후 매년 $50M

일본 ① JHFC 프로젝트

▪도쿄 및 요코하마 지역 총 12개소 운영

- 나프타, LPG, 부생가스 등 다양한 수소충전소

▪차량운행규모 : 60대

▪사업기간 : ’02~’05, (’06년 2단계 사업 착수)

중국① FC BUS

실용화 시범사업

▪운행규모 : 총 12대 (북경, 상하이)

▪사업규모 : US$ 32M

▪사업기간 : 5년 (’04~’09)

EU

① CUTE

▪EC가 주관하는 연료전지버스 실증사업

▪ ’03~’05년간 9개 도시에서 각 3대씩 운행

▪총사업비 : 60M€

② Hydrogen for

Transport Program

▪CUTE프로그램의 2단계 사업으로 ’06~’08년간

200대 실증운행 예정

▪버스(Hyfleet), 승용차(Zero regio), 소형 운송차량

(HyCHAIN) 등으로 세분화

▪총사업비 : 105M€

③ ECTOS

▪아이슬란드 레이카빅에 수소충전소와 3대의 연료

전지버스를 실증

▪ ’01~’05 (5기의 수소충전소 추가건설 추진 중)

④ CEP

▪독일 정부 지원의 수소에너지 상용화 민관 협력

프로그램

▪ ’04~’08년, 총사업비 33M€

자료: 산업자원부, “수소연료전지 자동차, 국내에서도 본격적인 시범운행 시작”, 2006. 7. 26.

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○ 향후 수소스테이션의 성장률은 2012년까지 35~46%로 예상되며, 2012년

누적 수량은 964~1,835건으로 성장될 것임.

○ 수소연료전지 자동차는 일본이 2020년까지 500만대 공급 프로젝트를 추진

하고 있으며, 미국도 GM, Ford 등 메이저 3사에서 수소연료전지 자동차

개발 및 보급에 노력하고 있음.

○ 인도의 IOC(Indian Oil Company)사는 수소-천연가스 혼용 충전소를 통하

여 향후 수소스테이션으로 진출하는 계획을 추진 중임.

가. 미국

○ 현재 자동차용, 발전용 에너지로서 수소가 활용될 수 있도록 수소 생산 및

공급기술을 연구개발하고 있음.

○ 연료전지 자동차의 실증시험을 위해 약 30여개의 수소스테이션이 설치되어

있으며, 대부분 액체수소를 활용하거나 물을 전기분해하여 수소를 공급하는

방식임.

○ DOE 산하 NREL(National Renewable Energy Laboratory)의 시범사업

프로젝트 등 정부과제의 일환으로 기존의 천연가스 인프라를 활용한 수소

에너지 인프라 구축과제를 수행하고 있음.

○ CaFCP(Califonia Fuel Cell Partnership)에서는 2010년까지 Califonia H2

Highway에 170개의 수소스테이션을 건설할 계획을 세우고 있음.

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[그림 4] 북미의 수소스테이션 현황

자료: www.h2stations.org

나. 일본

○ NEDO의 WE-NET(World Energy Network) 프로젝트 및 JHFC(Japan

Hydrogen & Fuel Cell Demonstration 프로젝트, 일본 수소/연료전지 실

용화 프로젝트)를 중심으로 수소제조기술, 수소저장기술, 수소공급 스테이

션 실증 등에 관한 연구개발을 실시하고 있음.

○ 연료별로는 천연가스, LPG, 등유, 탈황가솔린, 납사 등의 on-site 개질형,

물 분해형, 부생가스 형 off-site 수소제조 등이 모두 포함된 30-50Nm3/h

급 수소스테이션 15개를 설치하여 신뢰성 및 안전기술 확보차원에서 실증

시험을 진행 중임.

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[그림 5] 아시아의 수소스테이션 현황

자료: www.h2stations.org

다. EU

○ 대학, 산업계, 정부 등에서 70여개의 다양한 수소관련 프로젝트를 수행중이

며, 현재 약 30개의 수소스테이션이 설치되어 운전되고 있음.

○ 주로 액체수소를 활용하거나 대체에너지에서 전력생산을 통한 물 전기분해

방식이 주류를 이루고 있음.

[그림 6] 유럽의 수소스테이션 현황

자료: www.h2stations.org

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2. 국내 기술동향

가. 현황

○ 국내 수소관련 연구는 1989년 이후 산업자원부의 대체에너지, 과학기술부

의 차세대 자동차, 환경부의 자동차 배출가스 저감기술과제 등에서 수소에

너지 관련 연구가 주요 정책 사업으로 선정되어 추진됨.

○ 2002년까지 총 16개 과제가 수소제조, 저장, 이용분야의 기초연구가 주로

수행되었으며 수소스테이션 관련 연구는 수행된 사례가 없음.

○ 2003년 10월에 과학기술부의 21세기 프런티어 연구개발 사업으로 고효율수

소에너지 제조, 저장, 이용기술개발사업이 출범하였으며, 천연가스 개질형

수소스테이션이 에너지기술연구원에 1기 건설되어 실증운전 중임.

○ 20Nm3/h급 천연가스 개질 수소제조장치 개발을 비롯하여 다양한 방식에

의한 수소제조, 저장, 이용 및 안전관리 연구를 수행중임.

○ 2004년 9월에 산업자원부의 대체에너지 프로젝트형 기술개발사업으로 수소

연료전지사업단이 출범하여 수소인프라에 대한 기술개발이 본격화되었음.

○ 현재 수소연료전지사업단 과제로서 한국가스공사, SK(주), GS칼텍스에서

각각 주관하여 천연가스, LPG, naphtha로 부터 수소를 제조하여 저장, 충

전하는 3개의 수소스테이션이 건설 또는 국산화 개발 중에 있음.

○ 현재 국내 수소수요는 에너지원이 아닌 자체 석유화학 공정용 또는 화학공

업의 원료로 사용되고 있음.

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○ 제조원별로는 부생가스로 발생하는 수소생산량이 가장 많으며, 나머지에 천

연가스 개질은 아직 국내에서 적용되지 못하고 주로 납사 리포밍이 이용되

며 울산, 대산 등 석유화학단지에서 상당량이 생산되고 있음.

○ 대표적인 수소공급업체로는 덕양에너젠, SPG산업, BOC가스코리아 등이 있

으며 수소유통은 파이프라인으로 56%, 카트리지로 44%의 양이 공급되며

정제수소의 공급 가능량은 시간당 2만2천Nm3규모임.

○ 향후 국내 수소스테이션은 2020년 약 2,500기(누적), 2030년 약 5,000기

(누적)로 전망됨(<표 2> 참조).

○ 수소스테이션 기술개발 및 산업화를 성공적으로 이룬다면 국가기간산업인 수

소인프라를 구축하는데 소요되는 기당 수십억 원(30Nm3/hr급 실증사업 규

모일 경우 약 30억원/기)의 투자비용에 대해 수입대체 효과를 얻을 수 있음.

[표 2] 국내 수소스테이션 건설 예측

자료: 수소연료전지사업단 기술개발 로드맵, 2006.10.

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나. 수송용 연료전지 모니터링 사업

○ 수송용 연료전지 모니터링 사업은 국산연료전지를 탑재한 연료전지차량을

전략적 위치에 투입 ․ 운행하는 실제도로 모니터링을 통해 연료전지 자동차

의 조기 상용화 및 경쟁력 확보를 지원하며, 기술표준체제 마련, 전문부품

업체 육성, 수소충전소 법규정비 등 인프라 구축기반을 조성하게 됨.

○ 수소자동차 운행을 위해 필수적인 수소충전소는 1차 년도에는 수도권을 중

심으로 LNG 등 화석연료 개질방식 수소충전소를 구축함.

○ 2차 년도에는 제주 풍력단지와 연계한 물 전기분해 충전소를, 3차 년도에

는 부생가스를 활용한 대규모 수소생산이 가능한 남부지역을 중심으로

Truck-in방식의 수소충전소를 구축하며(그림 7 참조), 모니터링 사업성과

를 토대로 수소스테이션을 전국으로 단계적 확대 추진할 계획임.

용인<수도권 및 중부권>

ㅇ인천 (가스공사) ㅇ서울 (GS칼텍스) ㅇ용인 (현대차) ㅇ대전 (SK) ㅇ부안 (테마파크)

<남부권 (안)>ㅇ울산, 포항 인근ㅇ여수, 광양 인근

서울

서귀포

부안

대전

제주

인천

울산

여수

수소스테이션

<제주 (안)>ㅇ제주ㅇ서귀포

[그림 7] 수송용 연료전지 모니터링사업의 수소스테이션 구축 계획

자료: 산업자원부, “수소연료전지 자동차, 국내에서도 본격적인 시범운행 시작”, 2006. 7. 26.

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제3장수소스테이션 상업화 관련 이슈

수소스테이션 산업의 상업화 전망 ●

수소스테이션 산업 상업화 특성 ●

수소인프라 과제 ●

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○ 수소를 자동차에 충전한 후 연료전지에 의하여 생성된 전기로 구동되는 수

소연료전지자동차에는 수소를 충전할 수 있는 수소스테이션이 가장 중요한

인프라임.

○ 수소스테이션의 시장규모는 2015년 이후 연료전지 자동차의 상용화가 가시

화된 이후에 본격적으로 성장할 것으로 보이며, 산업화 초기의 수소스테이

션 형태는 일체형의 비중이 높을 것으로 전망됨.

○ 수소스테이션은 수소연료전지자동차 기술개발과 보급대수에 비례하여 증가

되며, 2050년에 전체 승용차(약 7억대)의 30%가 수소연료전지자동차로 보

급된다고 가정하면,

- 수소스테이션은 승용차량 500~1,000대 규모로 건설되기 때문에 약

700,000기의 수소스테이션이 필요하며,

- 상용화된 수소스테이션이 현재 있는 CNG충전소와 같은 가격을 유지한다

면 1기당 15억원의 상용가격을 가지며, 전체 시장규모는 1,000조원 이상

이 예상됨.

○ 수소스테이션은 외국에서도 아직 시험단계에 있는 상태이지만, 2010년 이

후에 상용화 진입이 가능할 것으로 판단됨.

수소스테이션 상업화 관련 이슈

1. 수소스테이션 산업의 상업화 전망

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○ 국내의 경우 수소스테이션은 대기질 개선효과가 큰 대도시에서 일정지점을

반복 운행하는 시내버스를 중심으로 먼저 이루어질 가능성이 크며, 수소자

동차 보급 확대에 따른 전국규모의 유통망 구축과 수소스테이션 건설이 필

요함.

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2. 수소스테이션 산업의 상업화 특성

가. 산업적 특성

○ 한국은 에너지 소비량 세계 10위, 석유소비량 6위, 온실가스 배출량 세계

10위 등 에너지 다소비 국가이면서 탄소를 많이 배출하는 국가임.

- 수소는 탄소가 없는 에너지원이면서 연소 후 발생되는 배출물질로 물만

존재하는 무공해 및 무탄소 에너지 자원임.

○ 부문별/용도별 에너지 사용량에서 석유의존도가 가장 높은 분야가 수송용

에너지원으로 전체 석유사용량의 50%이상을 사용하고 있음.

- 이산화탄소 배출량도 자동차 보급대수 증가에 따라 매년 급속하게 증가하

고 있음.

○ 석유의존도 감소 및 환경친화 에너지인 수소 보급을 위하여 수소연료전지

자동차 개발과 수소스테이션 개발 및 보급이 필수적임.

○ 수소스테이션은 수소연료전지자동차의 이동경로와 기존 주유소 인프라 등의 호

환성 등이 필요하며, 고압의 압축가스를 다루는 위험시설로도 고려되어야 함.

○ 수소스테이션은 공공성이 강한 수소인프라 산업으로 투자회수기간이 길고

사회 인프라 정비 등 공공부문의 지원이 필수적이며 현재 상용화에 대한

불확실성이 있는 상태임.

○ 수소스테이션 산업화관련 가장 중요한 이슈는 수소인프라 구축시점과 적정

한 규모의 수소 수요간의 딜레마임.

- 즉, 수소스테이션 관련 기술개발이 성공하더라도 초기 연료전지 자동차가

부족하고 향후 적정수요가 될 때까지 장시간이 소요될 경우 가동률 저하

에 따른 투자 경제성 부족이 예상됨.

25

○ 수소스테이션의 본격적인 산업화를 위해서는 다음 문제들이 해결되어야 함.

- 고순도의 수소를 가격경쟁력이 있도록 제조하는 기술개발 문제

- 초기 연료전지 자동차 수요부족에 따른 경제성 부족 문제

- 안전 등을 포함한 소비자 홍보/교육 등 사회적/행정적 문제 등

○ 초기 수소스테이션 시장은 정부 주도의 기술개발 및 실증사업이 중심이 됨.

- 수소스테이션 관련 업체는 성능/원가 경쟁력을 확보하고 수입대체 및 수

출산업화를 추진하며, 다양한 수송용 수소 수요 확대방안, 에너지 스테이

션으로 확대가능성 및 틈새시장 개발 등이 추진되어야 함.

○ 원활한 기술개발 및 산업화를 위해서는 연료전지자동차업체, 수소스테이션

사업자 및 장비제조업체 등 관련 산업 간에 기술개발 목표를 공유하는 협

력체계 구축이 필수적임.

사업영역 제품/서비스 예상 참여업체

수소스테이션 관련

장비 제조업

수소제조 설비압축기

저장용기

충전기 등

기술개발 벤처

기존 압축기 업체CNG주유기 업체

수소스테이션

건설업

설계용역

건설용역

엔지니어링사

건설회사

수소스테이션사업자

수소

도시가스사

정유회사전력회사

산업가스회사

수소수요처

연료전지 자동차

인근 수요처

[그림 8] 수소스테이션의 미래 산업구조

자료: 수소연료전지사업단, 수소연료전지 분야 산업화 방안, 2005.11.

26

나. 경제적 특성

○ 초기 단계 수소스테이션은 수소연료전지 자동차의 대량 보급이 안 된 상태

에서 시장경쟁력을 가질 수 없으므로 정부가 충전소 개발 및 보급에 지원

을 해야만 함.

○ 연료충전 설비인 수소스테이션을 운영하기 위해 최소 3인의 고용창출이 발

생하고, 압축기, 핏팅류, 계량기 등의 부품산업 발전에 기여할 수 있음.

○ 현재 CNG(압축천연가스)충전소 분야에서는 한국 제품이 세계 시장에서 높

은 시장점유율을 보이고 있어, 수소스테이션도 전략분야로 개척한다면 수소

연료전지 자동차 보급에 따라 수소스테이션 산업도 차세대 성장산업이 될

수 있음.

다. 기술적 특성

○ 수소이용기술을 활성화하기 위해서는 환경친화적이고 경제적인 수소제조(개

질기가 포함된 연료처리장치) 및 분리정제기술의 확보가 필요함.

○ 수소를 고압으로 압축하기 위한 고효율 저전력의 수소압축기 개발이 필요함.

○ 압축된 수소를 고압으로 저장할 수 있는 수소저장 설비를 개발하여야 함.

○ 수소를 수소연료전지자동차에 주입하기 위한 충전설비에서 수소충전량 계

량과 과압방지 안전장치, 호스안전장치 등의 개발이 필요함.

라. 표준화 특성

○ 수소스테이션 국제표준은 캐나다, 미국, 유럽, 일본 등의 선진국이 주도하

여 ISO 197 WG11 가스수소스테이션(간사국 : 캐나다)의 초안과 EHIP

27

WP2에서 가스수소자동차 스테이션의 초안을 제시하고 있음.

○ 한국을 비롯한 기타 국가들은 선진국의 국제표준에 대해 개선의견을 제시

하는 정도이며, 수소스테이션 국제표준화의 적극적인 참여와 의견 개진 및

공식인증기관을 우리나라가 보유하도록 해야만 함.

28

3. 수소인프라 과제

○ 수소의 청정연소특성은 모든 형태의 운송체계에서 매력적인 연료이지만, 수

소는 에너지 운반체일 뿐 에너지원은 아니므로 어느 곳에서 생산되어 이용

단계로 운송되어야 함.

- 승용차에 수소를 제공할 수 있는 방안으로 중앙생산방식과 분산생산방식

이 있음.

○ 수소가 이미 존재하는 천연가스 공급배관으로 운반되면 매우 효율적이지만,

천연가스와 수소의 혼합체가 아닌 순수한 수소는 수소유기균열을 억제하기

위해 저탄소강으로 시공된 배관이 필요함.

[그림 9] 수소공급 스테이션에 수소를 전달이 가능한 인프라 시스템들

자료: J. Ogden “Prospects for Building a Hydrogen Energy Infrastructure”, Annual Review

Energy Environment, 24, 227-79, 2005

29

○ 수소는 부피당 낮은 에너지밀도를 갖고 있어 주어진 배관 관경으로 같은

양의 에너지를 공급하기 위해서는 더 높은 고압이 필요하며, 같은 에너지

공급 양을 위해서는 관경이 천연가스 배관보다 약 20% 더 커야만 함.

○ 수소가스 배관 네트워크는 수소수요가 충분히 확보되는 진정한 수소경제

시대를 대상으로 하는 장기 목표임.

○ 수소경제 시대로 넘어가는 전이단계에서는 여러 가지 수소공급 인프라 시

스템이 적용될 수 있는데 수소운반 비용은 천연가스 현장개질이 가장 저렴

하게 나타남.(그림 10 참조)

[그림 10] 수소 운반비용 비교

자료: J. Ogden “Prospects for Building a Hydrogen Energy Infrastructure”, Annual Review

Energy Environment, 24, 227-79, 2005

30

제4장수소스테이션 산업의 상업화 및 유망기술

국내 산업현황 ●

수소스테이션 비전 ●

기술적/경제적 목표 ●

산업화 문제점 ●

사업화 방안 ●

31

○ 수소스테이션 시스템 관련 국내 생산은 거의 없는 상황이며, 한국가스공사

와 한국에너지기술연구원이 천연가스 개질형, GS칼텍스가 나프타 개질형,

SK(주)에서 LPG개질형 수소스테이션을 실증 또는 국산화개발 중임.

○ 국내 수소스테이션 건설에 따라 수소스테이션 패키지나 주요 요소설비들이

수입되고 있으나 관련설비의 수출은 거의 전무한 상황임.

가. 수요전망

○ 수소스테이션은 일본, 미국, 유럽 등의 수소연료전지자동차가 보급되는 지

역을 중심으로 수요가 발생할 것이며, 아시아에서는 중국, 인도 등이 포함

될 수 있음.

○ 일본의 수소연료전지자동차 보급 계획은 2010년까지 5만대, 2020년까지

500만대(수소스테이션 3,500개)를 목표로 하여 연평균 32% 이상의 고도성

장이 예상됨.

- 일본은 자국의 가스기기는 자국 회사에서 생산하거나 브랜드 이름을 가지

고 추진하므로 한국의 수소스테이션 관련 기업이 진출하기 위해서는 체계

적인 접근이 필요함.

○ 미국, 유럽의 수소연료전지자동차 시장도 2020년경 전체자동차의 5% 수준

으로 상용화가 가능할 것으로 예상되며, 이에 따른 수소스테이션 시장에 대

수소스테이션 산업의 상업화 및 유망기술

1. 국내 산업현황

32

한 수출 가능성이 최근 FTA체결 등으로 높게 나타고 있음.

나. 국내 연구기반 현황

○ 수소스테이션 분야는 기술개발을 주도할 전문인력 양성체계가 미흡하며, 대

학의 선행기술 연구개발은 기초연구 단계이고, 국책기관 연구는 응용연구

중심으로, 상용화를 위한 전문기업체 활동이 미흡한 상황임.

○ 국내의 수소스테이션 시스템 제작기술은 거의 없으나, 그와 유사한 CNG충

전소 시스템 제작기술은 아시아에서 상위를 차지하고 있어 산업화 초기에

정부의 지원이 충분하다면 관련 산업계에서 충분히 국산화가 가능함.

○ 수소스테이션 분야도 다른 부품산업과 같이 각 요소를 구성하는 부품기술

이 매우 취약한 상황임.

- 수소스테이션은 패키지 시스템으로 제작됨에 따라 각 요소부품들에 대한

국내외 인증을 획득해야 하는데 국내에서는 시험평가기관이 없어 이의 설

립이 필요함.

[표 3] 수소스테이션 분야의 SWOT 분석

강점 (Strength) 기회 (Opportunity)

◦국내 생산, 공정기술의 우수성

◦정부의 강력한 정책 및 재정지원

◦산업계의 적극적 투자 의지

◦자동차 산업의 강력한 제조사 보유

◦CNG충전소 기술개발 및 보급경험 활용

가능

◦세계 수소연료전지자동차 시장 성장가능

성이 높음

◦온실가스 배출 저감사업과 연동

◦환경과 에너지절약을 중요시하는 사회분

위기 조성

약점 (Weakness) 위협 (Threat)

◦원천기술 미흡

◦핵심소재, 부품 및 장비기술이 취약

◦대학, 연구소의 연구기반 부족

◦기술향상과 혁신을 주도할 전문인력 부족

◦선진국으로부터 견제 심화, 우수한 핵심

소재 제공을 거부

◦중국, 인도 등의 신흥국가 출현

◦국내 인건비 상승으로 가격경쟁력 저하

자료: 김기동, “수소스테이션 표준화 로드맵”, 2007.7, 한국가스공사

33

2. 수소스테이션 비전

○ 2005년 10월 발표된 산업자원부의 친환경 수소경제를 구현하는 마스터플랜

에 따르면 국내 수소에너지 및 수소스테이션 산업 전망은 아래와 같음.

- 2020년 : 최종에너지의 3%를 수소로 활용, 수소 제조중 신재생에너지 비

중은 22%임, 수소스테이션 2,800기(누적)

- 2040년 : 최종에너지의 15%를 수소가 담당, 수소 제조 중 신재생에너지

비중은 60%임, 수소스테이션 9,500기(누적)

○ 연료전지, 수소인프라 및 수소에너지의 잠재 시장규모는 2030년 전세계적

으로 연간 1조 달러를 상회할 것으로 전망되며(SERI, 대한상의, 2005년),

단기적으로는 2012년까지 전세계에서 수소스테이션은 964건~1,835건(누적)

이 건립될 것으로 예측됨.

○ 국내 수소인프라 구축에서 수입대체와 수출산업화를 추구해야 하며, 국내

산업경쟁력을 확보할 수 있도록 투자비, 운영비 등에 대한 정부지원을 통

해 적정한 규모를 유지할 필요가 있음.

- 요소기술에 대해서는 해외 경쟁사 대비 성능/원가 경쟁력을 확보하도록

기술개발 강화에 역점을 두어야 함.

34

3. 기술적/경제적 목표

○ 국내 수소스테이션 산업이 경쟁력을 가지려면 기술개발 목표는 미국 DOE

의 기술개발 목표를 분석하여 국내 실정에 적합하도록 설정할 필요가 있음.

○ 미국 DOE의 천연가스 일체형 수소스테이션의 기술개발 목표는 [표 4]와 같음.

[표 4] 미국 수소스테이션 기술개발 목표

구 분 2003년 2010년 목표

에너지효율 %(LHV) 65 75

제조원가 $/kg 5.0 2.5

투자비 $/kg 2.7 0.89

유지보수(고정) $/kg 1.2 0.45

원료비 $/kg 0.9 0.92

유지보수(변동) $/kg 0.2 0.24

자료: DOE, Hydrogen Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program, 2005

○ 고순도 수소의 사양을 미국 DOE의 기술개발 목표에 준하여 설정할 필요가

있음.

○ 미국 DOE의 천연가스 일체형 수소스테이션 기술개발 목표는 [표 5]와 같음.

[표 5] 미국 천연가스 일체형 수소스테이션 기술개발 목표

수소조성 DOE 목표

H2 98% (dry)

Co <1 ppm

CO2 <100 ppm

Sulfer <10 ppb

Ammonia <1 ppm

Hydrocarbons <100 ppm

O2, N2 & Air <2 %

자료: DOE, Hydrogen Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program, 2005

35

○ 국내 수소스테이션 기술개발 방향은 에너지 가격체계(전기, 천연가스, LPG,

가솔린 등)와 화석연료 조성 등을 고려하여 설정해야 함.

- 일정한 설비가동률(약 90%)을 전제로 산정된 제조원가는 만약 수요부족으

로 2010년 가동률이 1/10 수준이 된다면, 단위 kg당 제조원가는 $2.5에

서 고정비 부담으로 인해 약 $14로 증가하게 됨. 즉, 적정가동률이 가능

한 수소수요 창출이 중요한 인자임.

36

4. 산업화 문제점

○ 수소인프라 관련기술은 수소제조, 정제, 저장, 수송 및 이용방법에 이르기

까지 많은 분야의 기술이 종합적으로 연관되어 있으며 선진국에서도 아직

경제성이 확보되지 않은 기술이 대부분임.

가. 기술적 문제점

○ 현재 수소 생산/공급 비용이 기존 자동차 연료대비 경쟁력이 미흡함.

- 가장 큰 원인은 수소생산 규모가 소형일수록 제조원가에서 설비투자비 비

중이 더욱 높아진다는 점임.

○ 미국의 경우 330,000kg/day 규모일 경우 수소제조원가중 설비투자비가 차

지하는 비중은 21%인데 반하여 3,800kg/day 규모 생산설비에서는 약 52%

로 증가하는 것으로 나타남.

- 이러한 문제로 인하여 소규모 수소생산/공급설비의 경우 공급 원가를 낮

추기가 어려움.

[표 6] 수소생산 규모별 설치비용

수소생산량 225,000 Nm3/h 22,500Nm3/h 1,125Nm3/h 113Nm3/h

공정 설치비용

($/kW H2)80 200 750 4,000

자료: DOE, Hydrogen Fuel Cells & Infrastructure Technologies Program, 2005

○ 소규모 생산설비일수록 열손실이 많아져 효율향상이 어려워지는 문제점도

있음.

○ 제조원가/효율을 개선하기 위해서는 고순도 수소제조기술, 압축, 저장 및

충전설비 등의 요소기술과 이들 각 요소들을 효율적으로 연계하는 시스템

기술을 개발해야 함.

37

- 현재 상세기술별로 국내 기술수준은 [표 7]에서 보듯이 상당히 낮은 상태임.

○ 선진업체들에 비해 기술개발 및 실증사업이 늦게 추진되어 각 요소기술들

의 최적연계, 에너지효율 제고와 관련된 시스템 설계, 엔지니어링 시공 분

야에서 국내업체들이 독자적인 기술을 확보하지 못하였음.

[표 7] 수소스테이션 국내외 기술수준 비교

구분 분야 기술분류 선진국 한국기술수준

(%)

수소

스테이션

수소제조

기술

합성가스 제조기술개발 ◎/○ ○ 60

탈황기술개발 ○ ◑ 30

수소정제기술개발 ○ ◑ 20

BOP기술

수소저장탱크기술개발 ◎/○ ○ 70

수소가압기술개발 ◎/○ ◑ 40

충전기 기술개발 ◎/○ ◑ 40

시스템설

계기술

시스템최적화 기술개발 ◎/○ ◑ 40

설계기술개발 ○ ◑ 50

◎ : 현재이용가능, ○ : 개량/발전 시 이용가능, ◑ : 기술개발 미흡

자료: 수소연료전지사업단, 수소연료전지 분야 산업화 방안, 2005.11.

나. 기술외적 문제점

○ 교육 및 홍보 부족 : 기존 연료대비 수소를 위험한 물질로 인식하고 있음.

○ 주민 민원 가능성 : 수소스테이션 건립과 관련, 주변 주민들의 반발로 인한

사업지연, 취소가능성 등이 예상됨.

○ 안전관련 정책 및 제도 준비 미흡 : 안전수칙 및 절차, 안정성 확보를 위한

체계적인 분석방법, 안전핸드북 등의 작성 및 관련자의 교육이 부족함.

○ 명확한 산업화 방향성 및 전략 미흡 : 수입대체 및 수출산업화 가능분야로

의 인식 부족, 관련 기업의 미래시장에 대한 확신이 부족함.

38

5. 사업화 방안

가. 수소에너지 기술개발 추진전략

○ 수소 제조원가 절감, 효율증대 및 내구성 향상을 위한 연구의 집중이 필요함.

- 이를 위해서는 수소제조설비의 단순화 및 열의 효율적 활용기술 개발을

추진하고, 저장, 충전기 등의 핵심요소기술의 표준화/규격화 등을 통한

제조원가 저감을 추구해야 함.

○ 수소 제조 및 저장분야에서 신개념 기술을 적극 수용하고, 연료전지 자동차

보급계획과 연계하여 사업화를 추진함.

나. 수소스테이션 시장구조 전망

○ 수소스테이션 시장에 적용되는 각종 기술 및 제품트리는 [그림 11]과 같음.

수소

스테이션

○ 현지설치형 수소스테이션 - 천연가스의 부취제 탈황장치 - SMR, 부분산화, 전기분해 - 수소분리정제 ․ PSA ․ Membrane - 수소저장용기(압축, 수소흡장 등) - 압축장치 - 충전장치 - 커뮤니케이션 장치 - 수소센서 및 경보 - 수소연료품질○ 수소배관 수소스테이션 - 수소분리장치 - 압축장치 - 충전장치○ 이동식(T/T, T/L) 수소스테이션 - 수소이충전 기준 액체수소저장탱크 방호벽 - 이동식 수소스테이션 안전기준 - 펌프 - 기화기 - 수소센서 및 경보 - 수소연료품스테이션

[그림 11] 수소스테이션 기술 및 제품트리

자료: 김기동, “수소스테이션 표준화 로드맵”, 2007.7, 한국가스공사

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○ 수소스테이션용 압축기는 주로 다이아프램 방식을 사용하며, 미국의 PPI,

PDC, 독일의 Andreas Hofer, 프랑스의 Burton Coblin, 일본의 타이요일

본산소등에서 생산하고 있으며, 국내생산은 아직 이루어지지 못하고 있음.

○ 수소스테이션의 주요 유틸리티 설비로는 탈황기, 개질반응기에 반응열 공급

및 각 반응기의 열 밸런스를 위한 열교환기, 수증기 제조용 스팀보일러, 반

응기의 온도와 압력 및 운전조건 제어시스템 등이 필요함.

○ 수소 저장용기 상용화 공급이 가능한 기업은 Quantum, Dynetek이며, 국

내에서는 수소연료전지 차량용의 저장설비 개발은 활발히 이루어지지 않고

있으나 스테이션용 저장용기는 아직 기술개발 자체가 미흡한 상태임.

○ 수소충전기(Dispenser)는 가솔린, LPG, CNG 등의 충전기 제작 경험이 있

는 미국의 FTI, 캐나다의 크라우스 글로벌, 프랑스의 에어프로덕트, 일본의

다쯔노, 토키코 등이 개발하였으며, 국내에서는 덕양에너젠에서 개발중에

있음.

○ 사업화 가능한 제품/서비스는 다양한 연료로부터 수소를 제조하여 공급하는

수소스테이션 시스템과 그 시스템에서 생산되어 연료전지 자동차 및 타 수

요처에 공급되는 수소에너지가 될 것임.

○ 수소 판매사업은 기존 에너지사업과 유사한 특성을 보일 것임.

- 해외보다는 국내사업을 위주로 하는 사업 운영

- 수소스테이션 관련 기술서비스/장비에 대한 최종수요처 및 구매자로서 기여

○ 수소스테이션 시스템을 제공하는 사업은 장비제조업 혹은 건설업의 특성을

보일 것임.

- 국내보다는 해외수출 산업화 위주의 사업화 가능

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- 일정기간 국내 적용을 통해 해외 경쟁사 대비 성능/원가 경쟁력을 확보한

후 수출산업화 추진(기당 수십억원(30Nm3/hr급 시범사업의 경우 약 30

억원/기) 2012년 약 1,000억원 이상의 수입대체 가능)

- 수소스테이션 기술이 개선되어 수소인프라 구축비용이 절감되고 안전성

및 신뢰성이 확보되면 중국 등 외국의 수소인프라 구축사업에 진출

○ 연료전지자동차 시장이 확대되어야 비용 집약적인 인프라 구축이 활성화

될 것이고, 반대로 수소스테이션이 많이 구축되어야 기술집약적인 자동차

시장이 활성화될 것임.

○ 수소스테이션 사업화가 성공하기 위해서는 이 딜레마의 해결이 핵심 사안

으로 아래와 같은 해결방안이 가능함.

- 산업화 초기에 투자비, 운영비 등에 대한 정부지원 필요

- 수소내부연소 차량보급 등 과도기 수소수요 확대를 위한 방안 고려

- 수소수요가 집중된 신규시장 발굴

- 대규모 에너지 스테이션 추진으로 규모의 경제효과와 연료전지 자동차 수

요확대 전까지 전기 및 열 매출 활용

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참 고 문 헌

[1] European Commission, “Hydrogen Energy and Fuel Cells”, 2003

[2] Hartstein Arther, “Hydrogen Production from Natural Gas” June, 2003,

Hydrogen Coordination Meeting in USA.

[3] J. Ogden “Prospects for Building a Hydrogen Energy Infrastructure”,

Annual Review Energy Environment, 24, 227-79, 2005

[4] U.S. Department of Energy web site, www.eere.energy.gov/

hydrogenandfuelcells

[5] International Partnership for the Hydrogen Economy (IPHE) web site,

www.iphe.net

[6] National Hydrogen Association web site, www.hydrogenus.com

[7] 문동주, 이병권, “수소스테이션의 연구개발 동향 및 단위공정 기술”, Korean

Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 3, June, 2005 pp 331-343

[8] 김기동, “수소스테이션 표준화 로드맵”, 2007.7. 한국가스공사

[9] 수소연료전지 분야 산업화 방안, 2005.11. 수소연료전지 사업단

[10] 산업자원부, “수소연료전지 자동차, 국내에서도 본격적인 시범운행 시작”,

2006. 7. 26.

[11] Sandra Nison etal, “Risk Assessment of Hydrogen refueling station

concept based on onsite production”, EIHP2 project ENK6-CT2000-

00442

[12] Hydrogen station website, www.h2stations.org

저 자 소 개

김 우 식

한국가스공사 연구개발원 책임연구원

구 영 덕

한국과학기술정보연구원 책임연구원