가정용 연료전지 현황 및 전망
김 재 동†⋅박 달 영
한국가스공사 연구개발원 신에너지환경 연구개발팀
Status and Perspective of Residential Feul Cell System
Jae-Dong Kim† and Dal-Ryung Park KOGAS R&D Center, New Energy & Environment Team
Abstract: 가정용 연료전지 시스템은 천연가스를 이용하여 일반주택에서 전기와 열을 생산할 수 있는 열병합 시스템 으로 일본에서는 대규모 실증 후, 보급사업이 진행 중이고, 국내에서도 한국가스공사가 추진하는 가정용 연료전지 모 니터링 사업을 통하여 210대 시스템이 장기간 운영되어 내구성과 신뢰성을 검증 중이다. 이러한 모니터링 사업의 성 과를 토대로 2010년 그린홈 백만호 보급사업의 일환으로 가정용 연료전지의 본격적인 보급이 착수되었다. 그리고 가 정용 연료전지와 관련하여 현재 국내외에서 진행되는 가정용 고분자 연료전지 및 고체산화물 연료전지 시스템의 개발 /보급 및 전망에 대하여 살펴보고자 한다.
Keywords: fuel cell, PEMFC, SOFC, RPG monitoring
1. 서 론
1)
가정용 연료전지는 도시가스를 연료로 하여 스 택 내부에서의 전기화학반응을 통해 열병합 발전 을 수행하는 장치로서, 고효율(전기효율 35% 이 상 LHV, 열효율 49%, LHV, 정격발전), 환경친화 성(CO2 발생량 30% 이상 감소)을 특징으로 하는 신재생에너지설비로서 주거용 건물의 전기 및 온 수를 공급하는 기기이다.
연료전지 발전모듈은 도시가스를 분해하여 수 소가스를 발생하는 개질기모듈, 수소혼합가스를 이용해 전기화학적으로 DC 전기를 발생시키는 연 료전지 스택모듈, 상기 스택에서 발생된 DC 전기 를 AC 전기로 전환하는 전력변환기 등의 주요부 품들과, 각 주요부품들에 추가하여 반응에 필요한 물과 공기의 유량제어, 수질제어 및 온도제어를 위한 펌프, 블라우어, 센서 등 여러 종류의 보조기 기(BOP: Balance of Plants) 부품들로 이루어진다.
또한, 폐열회수부는 연료전지 발전모듈에서 발생
† 주저자 (E-mail: natue@kogas.or.kr)
되는 열을 열교환기로 회수하여 온수 형태로 저장 하는 온수 탱크와 필요한 경우 추가의 열수요를 담당하는 보조 버너 등으로 구성된다(Figure 1).
현재 보급 계획 중인 연료전지 시스템은 정격 1 kW급 열병합발전시스템으로서 평균적인 가정의 전기 및 열/난방 사용량을 충당하도록 설계되어 있다. 즉, 낮 시간동안 가족 구성원이 모두 외출한 시간대에는 발전량을 줄여서 운전하며, 저녁시간 대에는 최대 출력으로 운전하도록 인공지능 운전 을 하게 되면 경제성이 더욱 효과적이다.
이같은 가정용 연료전지를 적용할 수 있는 시스 템은 고분자 전해질 연료전지 시스템(PEMFC)와 고체산화물 연료전지 시스템(SOFC) 두 가지 시스 템이 있고 현재 국내에서는 고분자 전해질 연료전 지 시스템을 이용한 가정용 연료전지 모니터링 사 업과 시범보급사업이 진행 중이고, 고체산화물 연 료전지 시스템의 개발은 아직 진행 중이다. 두 시 스템은 연료처리장치, 스택, 인버터로 구성된 것은 같으나 시스템의 구성에 약간은 차이가 있다.
Figure 2는 두 시스템의 차이를 설명하는 그림
Figure 1. 가정용 연료전지의 주요 구성 부품 및 작동원리.
Figure 2. SOFC와 PEMFC 시스템의 비교.
으로, 고분자 전해질 연료전지 시스템의 경우 스 택의 온도가 60∼70℃이어서 연료처리장치가 Re- former-HTS-LTS-PROX로 구성되어 CO의 농도 를 10 ppm 이하로 낮추어야 하지만, 고체산화물 연료전지 시스템은 스택의 온도가 700∼800℃이 어서 Reformer 단독으로 구성되고 CO도 연료로 사용이 가능하여 연료처리장치가 매우 간단하고 관련 BOP가 적어 시스템이 작고, 전기효율이 45%
이상으로 매우 높으며, 가격저감이 매우 유리한 측면이 있다. 그러나 스택의 온도가 높아 시동과 정지의 횟수가 한정적이어 연속운전에 적합하고, 고체산화물 연료전지의 스택의 내구성이 떨어져 내구성과 신뢰성 측면에서 아직 고분자 연료전지 시스템에 비하여 떨어지는 측면이 있으나, 일본에
서 신뢰성 및 내구성 관련으로 많은 진전이 있는 것으로 보고되고 있다. 가정용 연료전지의 주류를 이루는 고분자 연료전지 시스템과 고체산화물 연 료전지 시스템의 국내외 현황 및 향후 전망에 대 하여 살펴보고자 한다.
2. 국외 가정용 연료전지 개발 방향
2.1. 일본의 가정용 연료전지 현황
2.1.1. 일본의 가정용 고분자 연료전지 시스템 개발현황 일본의 가정용 고분자 연료전지 시스템은 대규 모 실증이 완료된 후, 현재 보급사업이 진행 중으 로 전세계에서 가정용 고분자 연료전지 시스템을 가장 먼저 상용화하여 일반인에게 보급하고 있다.
Figure 3. 일본 대규모 실증사업 참여기관 및 대수.
일본의 경우 가정용/상업용 연료전지 개발을 일 찍부터 시작하여 여러 기업에서 가정용/상업용 고 분자 연료전지 시스템을 제작하였고 초기에는 일 본 기업인 산요, 도요타, 마츠시다, 에바라-발라드, 도시바, 미츠비시, 후지 등에서 가정용 고분자 연 료전지 시스템이 개발되었다. 일본의 고분자 전해 질 연료전지 시스템 개발 및 보급 관련으로는 크 게 세단계로 구분될 수 있다.
첫 번째 2002년부터 2004년까지 진행된 정치용 연료전지 실증연구로서, 실증연구 단계에는 11개 시스템 제작업체가 참여하여 추운 지역, 교통 혼 잡지역, 도시지역, 해안지역 등 환경조건 등이 다 른 전국 시험 사이트에 45기의 고분자 연료전지 시스템 시스템을 설치하여 실제 사용 조건하여 운 전하여 실증 평가를 진행하였다.
두 번째, 가정용 연료전지 실증연구를 완료한 후, 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)를 중 심으로 2005에서 2008년에 걸쳐 누적 3,307대 규 모의 가정용 연료전지 대규모 실증사업을 진행하 였고, Figure 3은 일본의 대규모 실증 사업의 현황 을 나타낸 그림이다. 2005년에 480대, 2006년에 777대, 2007년에 930대, 2008년에 1,120대 규모로
실증사업을 하였고, 대규모 실증을 통하여 시스템 의 저가격화, 신뢰성 및 내구성의 향상, 일반인들 의 연료전지 시스템 인지도 향상을 목적으로 추진 되었고, 실제 가정에 설치하여 실생활에서 적용시 운전데이터를 취득하였다. Figure 4에 나타난 것 처럼, 일본의 연료전지 시스템의 경우 천연가스뿐 만 아니라 LPG 및 등유로도 연료의 종류를 다양 화하여 연료전지 시스템을 실증운영한 것을 확인 할 수 있다. Figure 3에 나타난 것처럼 일본의 따 뜻한 지역 뿐만 아니라 홋가이도의 추운 지역에서 도 연료전지 시스템을 실외에 설치하여 운영하고 있음을 확인할 수 있고, 추운 지역의 실외에서 운 영도 원만하게 진행된 것으로 보고되고 있다.
Table 1에 대규모 실증사업에 참여한 5개회사의 시스템 특성에 대하여 나타내었고, 연료로는 도시 가스, LPG, 등유가 사용되고 발전출력은 700∼
1,000 W, 그리고 온수저장고는 200 L로 동일한 크기가 적용되었고, 시스템의 전기효율은 36∼
38%로 높은 전기효율을 나타내었다. 대규모 실증 의 운전방법은 DSS 방법으로, 아침에 기동하고 저녁에 정지하는 방법으로 시스템을 운영하고 온 수저장고의 온수가 차면 시스템을 정지하는 열부
Figure 4. 일본 대규모 실증 설치 사진.
Table 1. 일본 대규모 실증사업의 연료전지 특성
제작사 연료종류 출력 온수저장용량 전기효율
(LHV)
종합효율 (LHV)
파나소닉 도시가스(13A) 1,000 W 200리터 36～38% 86∼93%
도시바 도시가스(13A)
LPG
700 W
700 W 200리터 36～38% 86∼93%
ENEOS 셀텍 도시가스(13A) LPG
75 0W
750 W 200리터 36～38% 86∼93%
에바라 도시가스(13A)
등유
1,000 W
900 W 200리터 36～38% 86∼93%
도요다 도시가스(13A) 1,000 W 200리터 36～38% 86∼93%
하운전 중심으로 운영되었다.
세 번째, 2009년부터 본격적으로 시스템 판매가 진행중으로, 파나소닉, 도시바, 에노스셀텍에서 제 조된 시스템이 도쿄가스, 오사카가스, 도호가스, 세이부가스, 신일본석유, 아스토모스의 보급사를 통하여 보급되었다. 가격은 약 320만엔에서 350만 엔으로 보조금은 140만엔이 상한선으로 정해졌고, 5,000대 이상이 판매되었다. 2009년도의 시스템 기준은 아래와 같다.
－ 정격시 발전출력 : 0.5∼1.5 kW － 정격 발전효율 : 33% 이상 (LHV) － 정격 종합효율 : 80% 이상 (LHV)
－ 온수저장고 : 150 L 이상
그리고 2010년과 2011년 모두 5,000대 이상의 시스템이 판매되어 일본 전역에서 운영되고 있고, 2011년에는 연료전지 시스템의 바닥면적을 줄이 기 위해, 연료전지 발전모듈과 열저장모듈이 일체 화된 일체형 연료전지 시스템도 개발되어 시판예 정이다.
2.1.2. 일본의 가정용 고체산화물 연료전지 시스템 현황 일본은 가정용 SOFC 시스템 개발 실증에 전세 계에서 가장 활발한 활동을 하고 있으며, 2007년
보급사 제조사 출력 발매시기 가격 2009년 판매목표
도쿄가스 파나소닉 1 kW 5/1
320만엔∼
350만엔
1,500대
오사카가스 도시바FC
700 W 6/1
1,000대
ENEOS셀텍 9/1
토호가스 파나소닉 1 kW 5/1 200대
세이부가스 파나소닉 1 kW 6/1 100대
신일본석유 ENEOS셀텍 750 W 5/1 2,000대
아스토모스 도시바FC 700 W 7/1 5,000대(5년 내)
Figure 5. 일본의 연료전지 시스템 보급사업 현황.
부터 신에너지재단(NEF)에서는 신에너지산업기 술종합개발기구(NEDO)의 지원하에 SOFC 시스 템 실증연구를 수행해오고 있고, 실증연구에서는 10 kW급 이하의 소규모 시스템을 일반가정에 설 치하고, 실제 부하 환경하에서의 데이터 수집, 기 술적문제점의 파악, 향후 기술개발과제의 도출 등 을 목적으로 하고 있다. 앞서 설명한 것처럼 SOFC 는 스택의 온도가 높아 PEMFC 시스템의 스택에 서 문제가 되는 CO도 연료로 사용되어 연료처리 장치가 단순하고, 시스템의 효율도 45% 이상이 되어 스택의 내구성이나 신뢰성이 보장되었을 때, 매우 경쟁력 있는 열병합시스템이 될 수 있을 것 이라 생각된다(Figure 5).
Table 2는 시스템 제작사, 운영사, 그리고 각 해 마다 시스템의 숫자를 연료별로 정리해 놓은 표이 다. 고분자 연료전지 시스템에 비하여 스택의 개 발이 늦어, 대규모 실증사업에서 운영하는 숫자가 적은 편이나, 현재 시스템이 다양한 제작사에서 제작되고, 도시가스나 정유회사를 중심으로 운영 이 되고 있다. 시스템 제작사 중 교세라, 토토, NGK 같은 기관은 시스템보다 전기를 발생시키는 스택
에 중점을 두어 개발을 진행하고 있고, 특히 교세 라의 스택은 내구성 및 성능에서 우수하여 여러 시스템 제작사에서 스택을 사용하고 있는 실정이 다. 2007년도에 29개소, 2008년도에 36개소, 2009 년도에 67개소, 2010년도에 101개소에 설치하여 운전 데이터를 취득하는 중이고, 2010년 9월까지, 2007년도 설치 1개소, 2008년도 설치 17개소, 2009 년도 설치 56개소가 연속 운전 중에 있으며, 2007 년도 설치분이 25,099 h, 2008년도 설치분이 18,623 h, 2009년도 설치분이 9,734 h, 2010년도 설치분 이 2,529 h의 운전시간을 보여주고 있다. 일본의 실증 연구에는 시스템 메이커로 Gastar․Rinnai, Kyocera, Nippon oil, TOTO, Toyota, Aisin 등 6 개사가 참여 중이며, 설치운전사업자로는 Osaka gas, 도쿄가스, JX nippon Oil 등 8개사가 참여중 이다. Figure 6은 JX Nippon Oil에서 제작한 다른 연료종의 연료전지 시스템이 운영되는 사진으로 사무실용, 주거용, 기숙사용으로 시스템을 설치하 여 운영하고 있다.
Figure 7은 교세라에서 개발한 평관형 단위전지 로, 검은색 부분이 공기극, 녹색부분이 연료극이고
Installer System Maker Fuel 2007 2008 2009 2010 kW Site
Osaka Gas
Kyocera
City Gas
20 25 12 0
0.7 House
Toyota․Aisin 23 34
TOTO 2
Tokyo Gas
Kyocera
City Gas
3 2
Toyota․Aisin 4 4
Gaster․Rinnai 2 4
Saibu Gas Kyocera
City Gas 1 1
Toyota․Aisin 1 1
Hokkaido Gas Kyocera
City Gas 1 1
Toyota․Aisin 1 2
ENEOS (Nippon oil) ENEOS LPG 1 2 14 20
Kerosene 1 1 1 1
TOTO TOTO City Gas
2 6 8
2 2
Office
1 8
Toho Gas Toyota․Aisin
City Gas 1 0
0.7 House
NTK 2
Tokyo Electric Power Kyocera City Gas 1 1
Tohoku Electric Power Kyocera City Gas 1
Total 29 36 67 78 210
Figure 6. JX Nippon Oil의 시스템 운영현황.
Table 2. 일본 가정용 SOFC 열병합 시스템 실증현황(2010년 상반기까지)
각 평관형 단위전지를 적층하여 스택을 제작하고, 고온 모듈을 제작하여 시스템에 장착하고 있다.
Figure 8은 고온 모듈이 장착된 오사카가스에서
운영 중인 연료전지 시스템으로 시스템의 크기는 150 L 정도(고분자 연료전지 시스템 280 L)로 매 우 작고, 스택의 온도가 800℃ 부근으로 배출되는
Figure 7. 교세라에서 개발된 단전지.
Figure 8. 가정용 SOFC열병합 시스템.
온수의 온도가 80℃ 이상으로 매우 높아 고분자 연료전지에 비하여 효과적인 열을 배출한다.
상기 2010년도형 시스템의 경우 연료개질기, 셀 스택으로 구성되는 모듈의 단열성 향상, 집전재 코팅재료의 개량, 탈황제의 증가를 통한 내구성 향상, 열저장탱크의 용량변경 등을 적용하여 CO2
배출량의 저감과 코스트 저감을 꾀하였으며 2011 년도부터 본격 상용화를 시도할 예정이다.
2.2. 독일의 가정용 연료전지 현황
현재 일본과 한국이외에 국가적인 보급사업이 진행 중인 나라는 독일로, 세 개의 시스템 제작사 가 참여하여 연료전지 시스템을 제작하고 독일의 네 개 지역에서 시스템을 운영 중에 있다. Figure 9는 2008년에 독일에서 Callux 프로젝트를 시작 하는 사진으로, EnBw, E.ON, Ruhrgas, EWE, MVV, Energie, VNG의 에너지 공급자가 설치 및 연료전 지 시스템의 운영을 담담하고, Baxi innotech, HEXIS, Vaillant 3개사가 1 kW 시스템을 공급하 는 구성을 하고 있다.
Figure 9. 독일 callux 프로젝트 파트너.
Figure 10. 독일의 연료전지 시스템 운영현장.
한국, 일본은 고분자 연료전지 시스템의 운영이 주로 된 것과 달리, 독일의 경우 Baxi innotech은 고분자 연료전지 시스템, 그리고 HEXIS, Vaillant 는 고체산화물 연료전지 시스템을 제작하여 공급 하고 있고 현재 111기의 시스템이 운영 중에 있 다. Figure 10은 독일에서 운영 중인 가정집의 사 진으로, 독일의 가정집의 단독 또는 다가구주택의 지하에 연료전지 시스템을 설치하여 운영하고 있다.
3. 국내 가정용 연료전지 개발 방향
3.1. 가정용 고분자 연료전지 현황 3.1.1. 모니터링 사업개요
‘가정용 연료전지 모니터링 사업’은 가정용 연 료전지의 내구성 확보와 초기 시장 형성을 위한 사업으로 2011년까지의 3차년도 과정을 통해 정 부예산 205억 원과 민자 215억 원 등 총 420억 원 이 투입된다. 모니터링사업의 마지막 단계인 제3 차년도 사업은 2008년 12월 착수돼 현재 대부분 의 설치가 완료되어 운영이 되고 있다.
기간 1차년도 2차년도 3차년도 계 구분 2006. 8∼2009. 7 2007. 12∼2010. 11 2008. 12∼2011. 11
총사업비 (억원)
정부 55 70 80 205
민간 (현금)
58 (18)
73.66 (22.86)
84.1
(26.1) 215.76
계 113 143.66 164.1 420.76
보급규모(기) 40 70 100 210
기준가격(억원) 1.3 1 0.8 -
국산화 비율(%) 55 70 80 -
의무국산화부품 스택
열공급모듈 연료처리장치
센서 및 펌프 전력변환기
필터 -
효율 전기효율 30% 이상
총효율 70% 이상 전기효율 32% 이상
총효율 75% 이상 전기효율 33% 이상
총효율 78% 이상 -
크기
- 연료전지 시스템 : 400 L 이하
- 열저장 시스템 : 700 L 이하
- 연료전지 시스템 : 370 L 이하
- 열저장 시스템 : 650 L 이하
- 연료전지 시스템 : 370 L 이하
- 열저장 시스템 : 650 L 이하 -
운전목표(kWh) 3,000 5,000 10,000 -
설치장소 실내설치 실외설치 실내․외설치 -
운전방식 1 kW 정격운전 500 kW, 750 kW,
1,000 kW 부분부하운전 2차년도와 동일 -
참여기관 도시가스사
10개사 지방자치단체
도시가스 에너지사
일반가정 -
제작업체 GS 퓨얼셀
퓨얼셀파워
GS 퓨얼셀 퓨얼셀파워 (주)효성
GS 퓨얼셀 퓨얼셀파워 (주)효성 신규제작업체
- Table 3. 가정용 연료전지 모니터링 사업내역
지난 1차년도 40기를 시작으로 2차년도 70기, 3 차년도 100기 등 총 210기의 1 kW급 가정용 연료 전지가 전국에 설치 및 운영되고 있으며 주관기관 인 한국가스공사가 시스템 성능, 내구성, 환경평가 등을 통해 자료를 확보하며 데이터베이스를 구축 하고 있다.
가정용 연료전지 모니터링 사업은 향후 보급을 위한 중요한 사업으로 2009년 7월부로 1차년도 모니터링 사업이 종료되며 2010년 11월 2차년도 가, 2011년 11월에는 3차년도 사업이 마무리됨과 동시에 최종 완료된다. 이에 지난 1, 2, 3차년도 가 정용 연료전지 모니터링사업의 성과 및 현황에 대 하여 살펴보고자 한다(Table 3).
3.1.2. 1차년도 사업결과(2006. 8~2009. 7) 지난 2006년 8월부터 2007년 11월까지 진행된
1차년도 모니터링 사업의 목표는 시스템의 안정적 인 운전이었다. 국내 연료전지시스템 제작업체인 GS퓨얼셀과 퓨얼셀파워가 각각 20기씩 총 40기의 연료전지시스템을 공급했으며 한국가스공사에 14 기, 대한도시가스를 비롯한 전국 10개 도시가스사 에 26기가 설치됐다(Figure 11).
처음 실시한 연료전지 모니터링 사업이었기에 과연 연료전지시스템이 제대로 작동할 수 있을까 하는 주위의 우려도 적지 않았던 터라 주관기관인 가스공사에서는 3년 동안 시스템 1기당 3,000 kW 의 발전목표를 설정했다. 그러나 1년도 채 안 돼 연료전지 40기 전부가 발전효율 30%, 열효율 40%
이상을 유지하며 1차년도의 발전목표인 3,000 kW 를 초과 달성하는 기록을 보였다(Figure 12).
1차년도 모니터링 사업의 가장 큰 성과라면 국 내에서 개발된 연료전지시스템의 실제운전 가능
Figure 11. 1차년도 가스공사에 설치된 시스템.
성을 확인한 것을 비롯해 연료전지의 고장원인이 주요 핵심 부품인 개질기 및 스택의 이상보다는 펌프나 필터와 같은 일반 부품에서 발생한다는 것 을 파악했다는 점이다.
가정용 연료전지의 보급활성화를 위한 기반 구 축사업 또한 추진되었다. 연료전지 스택 및 주요 부품의 교체 등의 유지보수 교육이 도시가스사를 중심으로 2차례 추진되었다. 또한 소비자를 위한 마케팅, 홍보 및 참여기관과의 정보공유를 위해 웹 모니터링 센터 및 모니터링 전용 홈페이지가 운영되고 있다(www.cleanfc.co.kr).
모니터링이 보다 체계적이고 공정하게 이루어 질 수 있도록 전기효율 및 열효율을 포함하여 발 전량, 열회수량 등 연료전지의 모든 상태를 자동 점검해주는 평가장비를 구축하였고 또한 평가장 비를 통하여 향후 연료전지의 보급 시 필수적으로 요청되는 계통연계 및 역송전을 위한 기본 자료를 습득하기 위해 수전전력 및 발전전력(전력, 전압, 전류, 주파수, 왜형률, 파워팩터)을 측정하였다.
1차 에너지 저감 효과 및 CO2의 저감 효과를 분 석하였고 연료전지 부품별 고장원인 파악과 고장 횟수를 파악하여 신뢰성을 향상시키기 위한 데이 터를 취득하였다.
현재까지의 1차년도 모니터링 사업을 통해 국 내 연료전지 분야는 지난 몇 년 간의 그 어느 시기 보다 기술 개발과 상용화로의 주변 환경 조성에 큰 성과들을 이루어 내었다. 기술적으로는 그 동 안의 실험실 또는 유사 환경에서의 소규모 평가를
Figure 12. 1차년도 누적발전량.
데이터의 신뢰성 확보가 가능한 수십 대 규모로 국내의 모든 조건을 대표할 수 있는 실환경테스트 를 장기간 진행함으로써 기본 성능, 내구성뿐 아 니라 진정한 의미에서 환경평가를 통해 향후 상용 화에 대비한 중요한 기술적 향상을 도모할 수 있 었다. 연료전지 상용화라는 공통의 과제인 시스템 의 원가절감과 관련해서도 보급 초기 단계에서 시 스템 제작 수량의 증가 및 부품 대량 구매에 따른 시스템 가격 인하의 가능성을 엿볼 수 있었으며, 한편으로 완성도를 높이는 동안 기술 개발 자체에 서의 원가 절감의 여지가 있음을 확인하였다.
또한 2007년 5월 29일에 총리공관에 연료전지 2기를 설치함과 동시에 총리 및 여러 귀빈을 모시 고 운전 착수행사를 성대히 개최하고 언론에 적극 홍보하여 연료전지의 안전성과 기술적 완성도를 일반인에게 알리는 계기가 되었다.
3.1.2. 2차년도 사업(2007. 12~2010. 11) 1차년도 모니터링 사업과 달리 2차년도 모니터 링 사업은 서울시를 비롯해 경기도, 대구시 등 6개 광역단체가 1차년도 사업을 통해 경험을 축적한 도시가스사와 컨소시엄을 구성했다. 여기에 시스 템제작업체로 효성이, 운영기관으로 서해․인천․
한진도시가스가 새롭게 참여해 총 70기의 연료전 지시스템을 운영 중이다.
1차년도에 도시가스를 중심으로 장소를 실내로 한정하여 비교적 온화한 조건에서 시스템을 운영 하였던 것에 비해 2차년도에서는 실외에 설치하여 운영하였으며, 특히 혹한기에 안정적으로 운영하 기 위한 데이터를 확보하기 위해 4계절운전을 실 시하였다. 또한 실제 일반가정에서 사용을 모사하 여 3단계 부하변동운전을 실시하여 부하변동시 고 장원인 및 주요부품의 성능변화를 파악하고 있다.
2차년도 모니터링 사업은 지자체의 참여를 통 해 가정용 연료전지를 다양한 수요처로 접근토록 하는 기회를 열어 본격적인 상용화 단계의 시작을 알렸다는 점에서 중요한 상징성을 가지고 있다는 평가다. 또한 기존의 통제된 장소에서 벗어나 지 자체에서 운영하는 공공기관을 중심으로 실험 환 경을 다각화함으로써 보다 다양한 데이터를 확보 함으로써 향후 연료전지 상용화 기반을 마련했다 는 점에서도 의미가 크다.
2차년도 모니터링 대상 70기 중 서울시청에 4기 설치 운영을 통하여 연료전지의 안전성 및 온난화 가스 저감 및 신에너지에 대한 대국민 홍보가 이 루어지고 있으며, 2008년 8월 20일 총리공관 2기 설치, 2008년 11월 KIST 원장 공관 2기설치 및 광 역단체장 공관 설치를 통하여 3단계 일반가정으로 의 운영기반조성을 위한 모니터링 사업이 원활히 진행되고 있다(Figure 13).
2차년도 시스템의 일부 시스템의 경우 실외의 악조건에서 16 MWh 이상 운영된 시스템도 있는 데 이것은 실제환경에서 국내에서 운영된 시스템 중에 가장 장기간 운영된 예로, 국내 연료전지 시 스템의 내구성도 상당 수준에 이르렀다는 것을 반 증하고 있다. 이 결과를 바탕으로 3차년도에는 과제
Figure 13. 2차년도 시스템 운영현황.
Figure 14. 2차년도 누적발전량.
시작시 계획인 8,000 kWh를 넘는 목표 발전량을 10,000 kWh로 정하여 운영하기로 하였다(Figure 14).
3.1.3. 3차년도 사업(2008. 12~2011. 11) 총 100대가 공급되는 3차년도 가정용 연료전지 모니터링 사업이 2008년 12월부터 추진되었다. 서 울특별시 40대, 경기도 28대를 비롯해 강원도 4대, 경상남도 2대, 전라북도 1대가 운영되며 서울도시 가스와 강남도시가스가 각각 3대, 2대의 가정용 연료전지 시스템을 설치․운영하고 있다. 각 지자 체의 연료전지 시스템은 2차년도와 같은 방식으로 연료전지를 운영한 경험이 있는 도시가스사와 콘 소시움을 이루어 운영된다. 또한 한국가스공사에 서 20대의 연료전지를 모니터링하고 이 중 선진기 술을 벤치마킹하기 위해 외국제품 수대가 운영된 다. 가스공사에서 운영하는 20기 중 10대에는 순 수 국산기술로 개발 제작된 연료처리장치가 적용
Figure 15. 3차년도 시스템 운영현황.
되는 것이 특징이다. 가스공사에서 개발된 연료처 리장치를 이용하여 (주)효성에서 6대의 제품을 제 작하며, GS퓨얼셀은 국가과제를 통하여 자체개발 한 연료처리장치 2대를 퓨얼셀파워에서는 순수국 내기술로 개발된 연료처리장치 2대를 제작하여 가 스공사에서 운영되고 있다.
이와 함께 3차년도 모니터링 사업에서는 제품 사양을 기존보다 강화되었다. 온수를 이용하지 않 을 경우 외부로 방출하지 않도록 수냉식에서 공냉 식으로 제품사양을 변경하고 겨울철 동파 방지 및 효율 향상을 위한 시스템 설계가 보완되었다. 아 울러 도시가스 회사를 포함한 운영사에 대한 제작 사의 유지보수 교육도 수시로 추진되고 있다.
Figure 15와 같이 다양한 조건에서 시스템이 운영 되고 있고, 특히 실제 일반인이 거주하는 주거환 경(파란 박스)에 설치하여 국내 연료전지 시스템 의 적용가능성을 살펴보고 있고, 아파트 실내에 시스템을 설치하였을 때, 소음이나 배가스 등 환 경조건을 평가하기 위해 아파트 시물레이션 장소 에 설치하여 환경평가를 진행하고 있다. 3차년도 의 누적발전량이 10 MWh이어서 현재 목표를 달 성한 시스템은 없으나, 현재 시스템이 계속 운영 중에 있고 비교평가를 위하여 외산의 시스템도 실 증 운영 중에 있다.
이 모니터링 사업의 결과를 바탕으로 2010년부 터 200백대 이상의 규모의 시범보급사업이 진행 중으로, 일본과 마찬가지로 실제 일반인이 고분자
연료전지시스템을 운영하여 전기와 열을 공급받 고 있다.
3.2. 가정용 고체산화물 연료전지 현황 국내의 고체산화물 연료전지 기술의 현황은 한 국전력연구원, 삼성전기, Posco Power 및 KIST, KIER 등에서 주도하여 연구를 하여 왔고, 한국전 력연구원에서 2006년 연료극 지지형 단전지를 기 반으로 한 1 kW급 중온형 SOFC 발전시스템을 개 발완료하여 가정용 시스템에 대한 BOP, 운전기술 을 확보한 바 있고, 1 kW급 시스템 기술을 바탕으 로 5 kW 발전시스템도 한국전력연구원에서 개발 중에 있다.
그리고 삼성은 2006년부터 한국에너지기술연구 원과 함께 기반기술을 개발하여, 정부의 지원하에 2013년까지 100 kW 급 분산발전용 SOFC 시스템 을 개발 중에 있고, 포스코/RIST는 2012년까지 정 치형 SOFC 발전시스템 개발을 목표로 단전지, 스 택부품 및 스택, 일부 BOP를 포함하는 25 kW급 pilot system을 개발 중에 있으며, 700 cm2 면적의 단전지 60장으로 구성된 스택의 경우 720도 작동 온도에서 약 3.6%/1,000 hr의 전압강하의 성능을 보여주었다. 이외에 국책연구소인 한국에너지기 술연구원(KIER)은 원통형 단전지기술을 기반으로 APU 응용을 위한 급속 기동형 스택개발, 디젤 개 질 시스템 및 소형 BOP를 개발한 바 있으며, 5 kW 급 SOFC 스택본체는 독일 율리히 연구소에서 도 입하여 8.1 kW의 출력을 발생시키는 발전시스템 을 개발하였으며, KIST는 90년 초부터 평판형 SOFC개발 연구를 해왔으며 현재 kW급 단전지 및 스택 제조기술을 확보하고 있다. 고온 전해질 지 지형 SOFC 개발, 중저온용 음극 지지체 SOFC 개 발, 밀봉재, 집전체등의 요소 부품 기술을 개발한 바 있다.
Figure 16의 왼쪽은 한국전력연구원에서 개발 한 평판형 스택이고, 오른쪽은 한국에너지기술연 구원에서 제작한 원통형 스택이나 현재 일본의 내 구성에 미치는 못하는 수준으로 관련 연구가 지속 적으로 진행되어야 할 상황이다.
Figure 16. 국내에서 제작된 스택[평판형 스택(좌), 원통형 스택(우)].
Figure 17. 국내 고체산화물 연료전지 시스템[1 kW 시스템 (좌), 5 kW 시스템(KEPRI)].
Figure 17은 Figure 15의 스택을 기반으로 국내 에서 제작한 고체산화물 연료전지 시스템으로 일 본의 상용화 전단계의 모델에 비하여 국내의 시스 템관련 기술은 많이 뒤떨어져 있어, 시스템 인테 그레이션, 시스템 운영로직과 제어로직, 관련 BOP의 적용 등 시스템 기술의 향상에 초점을 맞 추어 기술개발의 진행이 시급한 실정이다.
4. 결 론
가정용 연료전지 시스템은 가정이나 소형 건물 에 적용되는 연료전지 시스템으로서 일반주택에 서 전기와 열을 생산할 수 있는 열병합 시스템이 다. 일본의 경우, 고분자 연료전지 시스템은 대규 모 실증후, 보급사업이 진행되어 2009년부터 매년 5,000대 이상의 시스템이 판매가 진행되고 있고, 고체산화물 연료전지 시스템은 내구성 및 신뢰성
의 평가로서 2007년부터 200대 이상의 시스템 실 증을 진행하고 있고, JX Nippon Oil의 경우 2011 년부터 판매를 추진할 예정이라고 한다.
국내의 경우, 한국가스공사가 추진하는 가정용 연료전지 모니터링 사업을 통하여 GS 퓨얼셀, 퓨 얼셀 파워, 효성의 210대 시스템이 장기간 운영되 어 내구성과 신뢰성을 검증중이고, LS 산전, 현대 하이스코도 고분자 연료전지 시스템을 1기 제작하 여 한국가스공사에서 운영 중에 있다. 모니터링 사업은 크게 세 가지 측면에서 성과를 거두었다.
우선 첫 번째는 기존에 설치 운전했던 경험을 바 탕으로 시스템의 성능 및 신뢰성 향상과 원가절감 을 단계적으로 실현했다는 점이다. 둘째 시스템제 작사와 부품사업자의 유기적인 개발 및 적용을 위 한 네트워크가 수립돼 향후 연료전지의 국산화 비 율 향상 및 보급 시 가격저감 등 국내산업화의 기 반을 마련한 것으로 평가된다. 셋째 초기에는 국 내 제작사들 간의 기술 비밀 등 한 배를 탔다는 인 식이 부족했으나 이제는 전체적인 연료전지시장 의 파이를 키워나가자는 공감대 속에서 서로의 의 견을 제시하거나 공유하는 활동이 활발해지는 것 도 또 다른 성과라 하겠다. 이러한 모니터링 사업 의 성과를 토대로 2010년 그린홈 백만호 보급사업 의 일환으로 가정용 연료전지의 본격적인 보급이 착수된 것이 모니터링사업의 실질적이고 가장 큰 성과라 할 수 있다.
미래의 연료전지 시스템이 실제 생활에 적용되 기 위해서는 부품수가 적어져 가격저감과 컴팩트 화가 이루어져야 되는데, 이를 위하여 차세대로서 고온 고분자 연료전지 시스템이나 고체산화물 연 료전지시스템의 개발이 추진되고 있다. 고온 고분 자 연료전지 시스템과 고체산화물 연료전지 시스 템은 이같은 측면에서, 특히 고체산화물연료전지 시스템은 연료처리장치가 간단하여 관련 부품수 가 적어 컴팩트화가 용이한 측면이 있다. 현재 국 내의 연료전지 시스템은 일본의 열추종 방식 운영 과 달리, 누진제를 낮추고자 전기발전을 위주로 운영되고, 연료전지 시스템의 전기효율이 높은 고 체산화물 연료전지 시스템이 유리한 측면이 있어
김 재 동
1992 연세대학교 공과대학 요업공학과 졸업 1999 연세대학교 대학원 세라믹
공학과 석․박사 졸업 2002∼현재 한국가스공사 연구개발원
책임연구원
박 달 영
1988 서강대학교 공과대학 화학공학과 졸업 1996 서강대학교 대학원 화학
공학과 석․박사졸업(공박) 1997 오사카 부립대학교 응용
화학과 박사후 과정 1996∼현재 한국가스공사 연구개발원 책임
연구원/수소연료전지분야 PL
관련기술이 향상되면 보급사업에 일조할 수 있을 것이라 생각된다. 고분자 연료전지나 고체산화물 연료전지나 운영방식측면에서 DSS나 연속운전 등 관련 적용방식이 달라, 두 가지 모두 미래의 시 스템으로 적용이 가능할 것으로 예상이 되는데, 가정용 연료전지 시스템이 상용화되어 일반 소비
자가 사용하기 위해서는 시스템의 가격저감, 시스 템의 컴팩트화 및 모듈화, 기존의 엔진에 비하여 전기 효율의 향상, 내구성 및 신뢰성 향상이 선행 되어야 하고, 이와 관련하여 연구개발에 박차를 가해야 할 것으로 판단된다.
![Figure 16. 국내에서 제작된 스택[평판형 스택(좌), 원통형 스택(우)]. Figure 17. 국내 고체산화물 연료전지 시스템[1 kW 시스템 (좌), 5 kW 시스템(KEPRI)]](https://thumb-ap.123doks.com/thumbv2/123dokinfo/4976523.301883/12.825.95.398.120.294/국내에서-제작된-평판형-원통형-고체산화물-연료전지-시스템-시스템.webp)
