21세기형 제4세대 고효율^저공해 발전기술

연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 발전하는 고효율 저공해 신에너지기술으로 에너지절약 및 환경문제 저감과 관련하여 주요대체에너지기술로 주목을 받고 있는 21C의 제4세대 발전기술이다.
연료는 천연가스·메탄올 등에서 추출한 수소와 공기중의 산소이며, 수소와 산소가 연료전지 내에서 전기화학적 반응을 일으켜 전기를 직접 생산한다. 따라서 에너지효율이 70∼80%정도로 화력발전에 비해 두배가량 높고, 소음·진동은 물론 질소·아황산가스 등 환경오염물질도 배출하지 않는다.
연료전지 기술은 구성요소기술, 연료전지 본체 기술, 연료전지 발전시스템기술 및 주변기기 기술로 구성되며 연구개발의 주요 핵심 기술은 전극, 전해질층 등 구성요소 제조기술, 적층, 냉각, 밀봉 등 연료전지 본체 설계 및 제작 기술, 연료전지 발전시스템의 종합 설계, 제작 및 운전기술 등이다.
연료전지가 상용화될 경우 기존 발전소의 규모도 지금의 30분의 1정도로 줄어들고, 대도시에도 `도시형 발전소'를 설치할 수 있게 된다.

　■ 연료전지의 종류

연료전지는 인산형 연료전지(PAFC), 고분자 연료전지(PEMFC), 용융탄산형 연료전지(MCFC)로 구분한다.
▲ 인산형 연료전지(PAFC)는 실용화가 가장 기대되고 있는 연료전지 타입으로 인산을 전해질로 하여 200℃ 전후의 비교적 저온에서 발전하는 열병합발전 타입이다.
국내에서는 정부주도하에 한국가스공사, SK정유, LG정유, 그리고 LG산전이 범국가적으로 제작한 40kW급 PAFC 발전시스템 구성이 연료전지 기술개발의 모태가 되었다. 그 후 LG정유, 한국에너지기술연구소, 서울대, 연세대, 한양대 등 여러 연구기관들이 전지스택을 제조하여 운전을 통한 요소 기술 및 스택기술을 확립했으며 지난 1999년 50kW급 본체가 이미 개발됐다. 현재는 단일 발전시스템의 시제품화를 위해 연구중이며 2002년 개발완료할 계획이다.
향후 시스템 연계운전 기술개발 및 시범운전을 통한 시스템 신뢰성 확보, 실용화를 위한 시장성 조사가 병행될 예정이다.
선진국에서는 시제품이 출시되어 실용화단계에 이르렀다.
미국이 가장 먼저 연료전지 연구를 시작하고 발전설비를 상용화했다. 이미 40kW급 PAFC 시제품이 40여기 제작되어　실증실험을　거쳤으며, 200kW급 수냉식PAFC(PC25)가 세계최초로 상업화됐다.
일본의 경우 정부주도하에 국가 프로젝트로써 대형전지의 도입·보급용 1MW 및 5MW 플랜트 등의 연구개발이 1991년부터 1997년까지 실시되었다.
유럽에서는 환경단체 및 관련정당들의 영향으로 무공해 발전설비에 대한 필요성 인식이 확산되고 있는 것과 동시에 연료전지에 대한 연구개발이 독일, 프랑스, 덴마크, 스위스 등 국가에서 진행되고 있다.
▲ 고분자형 연료전지(PEMFC)는 이온전도성 고분자막으로된 전해질과 그 양쪽에 다공성 가스확산전극이 설치되어 있는 구조로 이루어져 있다. 이 연료전지는 다른 연료전지보다 낮은 온도에서 작동된다. 작동온도는 전해질로 사용하는 고분자막의 열적 안정성 및 전도도에 따라 결정된다.
PEMFC는 용량과 응용분야에 따라 정지형, 자동차용, 소형이동형으로 구분한다.
국내에서는 1990년 초 포항공대를 시작으로 하여 연세대, 한양대 등 일부 고분자전해질 연료전지에 대한 기초연구를 수행하여 왔다. 이후 1996년부터 한국에너지기술연구소, 한화석유(주), LG Caltex, 연세대, 한양대, 경북대, 항공대에서 5kW급 PEMFC 시스템의 실용화를 목표로 연구중이며 현재 5kW급 스택개발을 성공한 단계로 5kW급 시스템개발을 목표로 연구 중이다. 특히 MEA제조공정 및 고분자 막은 선진기술과 견줄만 하다.
　그러나 아직 구성요소나 스택제작기술의 부족 등으로 인해 선진국 수준에 비해 크게 뒤떨어진다고 볼 수 있다. 현재는 연료전지 자동차에 대한 관심이 높아져 현대, 대우자동차에서 연구를 진행중이며 올해안에 시험운전을 목표로 하고 있다.
선진국에서는 정지형 독립전원으로 사용하려는 연구가 연료전지 스택개발, 메탄올 및 천연가스 개질기 개발 등에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다.
▲ 용융탄산염형 연료전지(MCFC)는 650℃의 고온에서 운전되기 때문에 전극재료로 귀금속 촉매가 필요치 않아 설비 제작비용을 줄일 수 있으며, 연료로 천연가스 외에도 석탄을 가스화한 연료를 사용할 수 있어 석탄을 이용하는 발전시스템으로 구성할 수 있다. 이러한 이유로 MCFC는 전력사업에 있어 적용가능성이 가장 큰 차세대 발전방식으로 알려져 있으며 대규모 상용발전 플랜트로써 보급될 가능성이 크다.
국내에서는 한전 전력연구원을 중심으로 한국중공업, KIST 및 여러 대학이 참여하여 MCFC의 자체 기술을 확보하기 위한 개발 연구를 대체에너지 및 선도기술(G7)사업의 하나로 진행하고 있다. 이 결과, 99년 말 세계에서는 4번째로 순수한 자체기술에 의한 25kW급규모의 발전 시스템을 제작 설치, 운전시험에 성공했다.
외국의 경우 MCFC에 대한 본격적인 연구는 미국은 1970년말, 일본은 1980년대 초에 각각 시작되었다. 미국은 석탄의 효율적인 이용을 목표로 진행된바 실용규모의 스택을 개발하고 기초기술에 대한 연구를 진행하고 있다. 이에 내부개질형 125kW급 스택 16기로 구성된 2kW MCFC Demonstration plant를 설치하여 5,200여 시간 운전시험을 실시했다.
일본은 New Sunshine계획으로 1980년부터 본격적인 연구가 시작됐으며 250㎾급 스택과 200㎾급 스택이 개발되어 1999년 MW급 시스템을 구성 주부전력 구내에 설치하여 3,000시간의 운전시험을 실시하여 MCFC Demonstration에 대한 기반을 마련했다.
〈임병희 기자〉



　인터뷰/김창수 박사(한국에너지기술연구소 연료전지연구센타장)
“30%이상 온실가스 절감　효과를 기대해도 좋다”　

- 연료전지란.
▲ 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 발전하는 방식으로 인산형, 용융탄산형, 알카리형, 고체전해질용, 고분자전해질용으로 구분할 수 있다. 이중 본 한국에너지기술연구소에서는 고분자형 연료전지의 연구개발로써 국가지정연구실로 인가받아 지원을 받고 있다.
- 연료전지의 효율성은.
▲ 천연가스, 메탄올 등에서 추출한 수소와 공기중의 산소가 연료전지 내에서 전기화학적 반응을 일으켜 전기를 직접생산하므로써 에너지효율이 화력발전에 비해 두배정도 높은 70~80%이며, 소음, 진동 및 질소, 아황산가스 등 환경오염물질이 배출되지 않는다.
- 현재 에기연의 연구개발 계획은.
▲ 현재 인산형 연료전지 50kW이 1999년 개발됐으며, 5kW급 고체고분자 연료전지 시스템은 1998년 개발됐다. 앞으로는 자동차와 주택용 연료전지에 대한 개발에 초점을 둘 계획이다.
단일 인산형 연료전지 발전시스템 및 자동차용 10㎾급 개발, 핸드폰, 노트북PC 등에 사용되는 소형 이동전원 및 180W급 직접 메탄올 연료전지 기술 등 인산형 연료전지 발전시스템은 상용화 기술 개발을 중심으로 추진하여 3년내에 50㎾급 시제품 제작을 목표로 하고 있으며, 새로운 분야 및 시장 개척방안을 추진하고 있다.
- 연료전지 상용화시 파급효과는.
발전효율의 혁신적 향상으로 에너지절약에 가장 큰 효과가 있을 뿐만 아니라 화학공업, 개발산업, 소재산업 및 군사기술 벌전에 기여할 것이다. 또한 전력시장 다변화 및 전력사업 활성화, 분산전원 방식으로 전력산업의 구조가 개편될 것이며, 30%이상의 온실가스 절감효과, 에너지원의 다양화 및 대체에너지산업 활성화에도 크게 기여할 것이다.