연료 전지(燃料電池)

연료 전지(燃料電池)는, 천연 가스와 메타놀등의 연료로부터 수소를 취득, 대기중의 산소와 반응시켜 전기를 만드는 발전 방식이다. 발전 효율이 대단히 높아 40~60% 정도이며, 반응과정에서 나오는 배출열을 이용하면, 최대 80% 가까이 에너지로 바꿀 수 있다. 게다가, 천연 가스와 메타놀, LPG(액화석유가스; propane gas), 나프타, 등유, 석탄 가스화가스등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 에너지자원을 확보하기 쉽고, 연료를 태우지 않기 때문에 지구 환경보호에도 기여할 수 있는 미래의 에너지다.

일본의 연료 전지기술은 상단한 수준으로, 이미 1996년 6월말 기준으로 약 3.0만kW의 연료 전지(인산형)가 가동되고 있다. 그러나 아직도 연구과제가 많기 때문에, 장래 많은 이용이 예상되는 호텔, 병원, 오피스 빌딩등에서 현장시험과 연구가 계속 진행되고 있다.

연료전지는 수소와 산소가 가진 화학적 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 전기화학적 장치로서 수소와 산소를 양극과 음극에 공급하여 연속적으로 전기를 생산하는 새로운 발전 기술이다. 이러한 연료 전지는 작동 온도와 주연료의 형태에 따라 알칼리형(AFC), 인산염형(PAGC), 용융 탄산염형(MCFC), 고체 전해질형(SOFC), 고분자 전해질형(PEMFC) 등으로 구분된다.

연료 전지의 일반적인 특성은, 연료가 전기화학적으로 반응하여 전기를 생산하는 과정에서 열도 발생하므로 총효율을 80% 이상으로 높이는 고효율 발전이 가능하며, 기존의 화력 발전에 비해 효율이 높으므로 발전용 연료의 절감이 가능하고 열병합 발전도 가능하다. 또한 NOx와 CO2의 배출량이 석탄 화력 발전의 1/38과 1/3 정도이며, 소음도 매우 적어 공해 배출 요인이 거의 없는 무공해 에너지 기술이다.

이와 더불어 모듈화에 의한 건설 기간의 단축, 설비 용량의 증감이 가능하고 입지선 정이 용이하다. 따라서 도심 지역 또는 건물 내 설치가 가능하여 경제적으로 에너지를 공급할 수 있으며, 천연 가스, 도시 가스, 나프타, 메탄올, 폐기물 가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있으므로 기존의 화력 발전을 대체하고, 분산 전원용 발전소, 열병합 발전소, 무공해 자동차 전원 등에 적용될 수 있다.

연료 전지 발전 시스템은 수소를 함유한 일반 연료(LPG, LNG, 메탄, 석탄가스 메탄올 등)로 부터 연료 전지가 요구하는 수소를 많이 포함하는 가스로 변환하는 연료 개질 장치, 연료 개질 장치에서 들어오는 수소와 공기 중의 산소로 직류 전기와 물 및 부산물인 열을 발생시키는 연료 전지 본체, 그리고 연료 전지에서 나오는 직류를 교류로 변환시키는 전력 변환 장치로 구성된다. 이와 같은 기본적인 장치 외에도 플랜트의 효율을 높이기 위해서는 연료 전지 반응에서 생기는 반응열과 연료 개질 과정에서 나오는 폐열 등을 이용하는 장치가 부수적으로 필요하다.

연료 전지 기술을 선도하고 있는 미국은 1962년 제미니 계획에 의하여 우주 및 군용의 알칼리 연료 전지 연구를 처음 시작하였다. 그 후 1969년 28개 가스회사가 중심이 되어, 주거용 및 상업용 인산염형 연료 전지 기술 개발을 위한 9년 계획인 TARGET(Team to Advanced Research for Gas Energy Transformation) 프로그램을 수립하고, 이를 UTC(United Technology Corp. 현재 IFC : International Fuel Cell) 사에 개발을 위탁함으로써 시작되었다. 최근에는 FCG-1 계획에 의해 IFC, WH(Westinghouse)사에서 전기 사업용 MW급 연료 전지 기술 개발 사업을 수행하고 있고, 25-400 kW급의 현지 설치형을 개발하여 20 0kW급은 이미 상용화되었으며, 제조 단가를 현재의 약 3000 $/kW에서 1500-1000 $/kW 이하로 낮추고 수명을 40,000 시간 이상 지속시킬 수 있는 발전 시스템을 개발하기 위해 노력하고 있다.

일본은 1981년부터 6년 동안 에너지 절약 기술 개발 계획(Moonlight Project)의 일환으로 연료 전지의 신뢰성 향상과 고효율화 기술의 개발을 추진하였고, 인산염형의 경우 1000 kW급 발전 설비의 독자 개발과 실증 실험, 200kW급 현지 설치형의 상용화를 목표로 하여 연구 개발을 추진하였다. 최근에는 New Sunshine 계획에 의해 1996년까지 가압형 5 MW, 상압형 1 MW급 발전 설비의 실증 실험을 목표로, 9개의 전력 회사와 4개의 가스회사 및 전력중앙연구소로 구성된 연구 조합을 구성하고, NEDO 주관 하에 대규모 실용화 연구를 수행하고 있다. 현재의 기술 수준은 화력 대체와 분산 전원용으로 이미 1 MW급 실증 플랜트의 운전 시험을 완료하였으며, 동경전력은 11MW급 인산염형 연료 전지 발전소를 1991년 완공하여 운전시험을 계속하고 있다.

유럽 연료전지 기술 개발은 미국과 일본의 기술 독점에 대한 방어적 개념에서 개발이 추진되고 있으며, 연료 개질기, 전력 변환 및 System Engineering 관련 기술을 기업이 보유하고 있다. 네덜란드는 '86년부터 PEO주도로 미국의 IGT에서 핵심기술을 도입하여 ECN에서 MCFC를 개발하고 있다. 이태리는 '86년부터 ENEA 주도로 VOLTA 계획을 추진하여 PAFC, MCFC, SOFC를 개발하고 있다. 기타 국가는 기초 연구, 주변 기술(개질, 전력 변환)의 개발을 추진하고 있으며 Siemens, ABB, Haldor Topsoe A/S등이 관련 기술을 보유하고 있다. 캐나다는 자동차용 고분자 전해질형 연료 전지 개발을 주도하고 있으며, Ballard Power System Inc.에서 연료 전지 버스와 승용차를 개발하고 있다.

국내의 연료 전지 기술 개발은 1985년부터 한국에너지기술연구소와 한전기술연구원 공동으로 5.9kW급 인산염형 연료 전지 본체를 수입하여 국내 최초로 발전 시스템을 구성하여 성능 실험을 실시한 것이 효시이다. 이를 계기로 국내에서도 연료 전지 개발의 중요성을 인식하게 되었으며, 최근에는 연구 개발 사업이 활성화되어 인산염형, 용융 탄산염형, 고체 전해질형 및 고분자 전해질 연료 전지도 개발하고 있다.

한국에너지기술연구소는 1987년부터 6년 동안 과기처 국책 연구 사업을 주관하여 연구소, 대학 등이 공동으로 참여하는 인산염형 연료 전지 개발 연구를 수행하였으며, '92년도에는 1kW 인산염형 연료 전지 본체를 성공적으로 개발한 바 있다. 이 사업은 '93년부터 시작된 국가 선도 기술 개발 사업으로 연계되어 산·학· 연 공동 참여에 의해 실질적인 50kW급 인산염형 연료 전지의 실용화를 위한 요소 기술을 개발하고 있으며, 2000년까지 200kW급 인산염형 연료 전지 발전 시스템 개발을 목표로 설정하고 있다.

또한 1989년부터는 통상산업부의 대체 에너지 기술 개발 사업으로 40kW급 인산염형 연료 전지 발전 시스템의 개발 사업을 수행하였다. 연료 전지 본체 개발은 호남정유, 연료 개질기는 유공, 전력 변환 장치는 금성산전(현 LG산전), 계통 연계 기술 개발은 한국전기연구소가 담당하고 가스공사가 사업을 주관하는 공동 연구 체제를 구성하였다.

현재 국내의 기술 수준은 전반적으로 기초 연구 단계이나, 연료 전지 본체를 포함한 연료개질, 전력 변환 장치 등의 소규모 시제품 개발을 목표로 하여 추진중이며 최근 10kW급 인산형 발전시스템과 5kW급 고체고분자 발전시스템이 한국에너지기술연구소에 의해 개발되었으므로 이러한 발전추세로 보아 단기간내 현재의 선진 기술 수준에 근접할 수 있을 것으로 전망된다.