Special 탄소중립을 위한 연료전지 미래기술 개발 동향

건물용/발전용 연료전지 개발 현황

양재춘_(주)두산퓨얼셀파워 연구소장

1. 건물/발전용 연료전지 개요

2015년 파리 기후 협약 발표 이후 전세계 각국 정부는 2050년 탄소 중립(Net Zero)을 달성하기 위하여 탄소 배출이 없는 신재생 에너지의 비중을 확대하고 있다. 태양광, 풍력, 지열 등과 같은 신재생에너지의 비중이 증가하게 되면, 신재생에너지의 간헐성과 대용량의 에너지 저장의 어려움으로 인한 전력 수급 불일치가 발생하게 되고 이에 따라 대량의 전력 손실이 발생할 수 있다. 또한 재생에너지로부터 생산된 전기를 해외로부터 공급받거나 장거리 송전을 위해서는 막대한 인프라 투자가 필요한 상황이다. 이러한 이슈들에 대한 대안으로 탄소 배출이 없고 다양한 방식으로 생산이 가능하며 에너지 저장이 용이한 수소가 적합한 대안으로 부각되고 있다.     
　　수소는 다른 에너지 자원과 비교하였을 때 단위 부피당 에너지 밀도가 높아 저장과 운송이 용이하고, 물의 전기 분해, 화학 공장의 부생가스와 바이오 가스등과 같이 다양한 방식으로 생산할 수 있는 장점이 있다. 또한 대규모 저장과 운송이 용이하다는 특징을 이용하면 재생에너지의 잉여 전력으로 수소를 생산하고 저장한 후 연료전지를 통해 전력을 생산할 수 있어, 재생에너지가 갖는 간헐성을 극복하고 안정적이고 효율적으로 전력을 생산할 수 있다.
    연료전지는 연료인 수소가 가지고 있는 화학에너지를 대기중의 산소와 전기화학적 방식으로 전기를 생산하는 방식이다. 이 때문에 에너지 전환 과정에서 발생하는 에너지 손실이 적어 효율이 높고 연료의 연소과정이 없어서 이산화탄소(CO2), 일산화질소(NOx), 이산화황(SOx)과 같은 오염 물질 발생이 기존 발전 방식에 비해 적으며 소음, 진동이 발생하지 않는다. 특히 건물 및 발전용 연료전지는 도심이나 전기가 필요한 위치에 설치하여 안정적으로 전원 공급이 가능하여 분산 전원으로의 활용과 함께 고효율 저공해 발전이라는 측면에서 활용도가 높아지고 있다.

그림 1. 건물?발전용 연료전지의 구조, 용량 및 연료전지 Type

　　　건물/발전용 연료전지는 수소를 생산하는 개질기(reformer), 개질기에서 공급된 수소와 산소의 반응이 일어나는 스택(stack), 발생된 직류 전기를 교류로 변환하는 인버터, 스택에서 발생된 열을 회수하는 열 회수 장치(heat recovery unit)등으로 구성되어 있다(그림 1). 개질기는 연료로 도시가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 등유, 바이오가스 등과 같은 다양한 연료들을 사용하여 수소를 생산하는 장치로서 일반적으로 수증기 개질 반응(steam reforming reaction)이 적용되며 개질 반응의 촉매는 Nickel과 Ruthenium계열의 촉매가 사용된다. 스택은 원하는 출력을 얻기 위해 단위셀(unit cell)을 수십~수백장 적층하여 쌓아 올린 연료전지의 본체로서 양극/음극과 전해질 및 분리판으로 구성되어 있다. 인버터와 열 회수 장치를 총칭하여 BOP (Balance of Plant)라하며 발생한 직류 출력을 교류로 변환하고 제어하는 출력 제어 장치와 연료전지 스택에서 회수된 열을 활용할 수 있도록 회수하는 열교환기와 펌프 및 밸브 장치들이 포함된다.
　　　 건물?발전용 연료전지는 열병합 발전과 가정, 상업용, 건물용 등의 다양한 용도로 이용되고 있다. 발전 용량이 1kW급 이하인 가정용 연료전지는 가정에 전기와 온수 및 난방을 공급하는 시스템으로 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)와 고체산화물 연료전지(SOFC)가 보급되고 있고, 발전 용량이 수kW~수십kW인 건물?업무용 연료전지는 빌딩, 아파트, 목욕탕, 공공건물 등과 같은 상업 건물에 전기와 온수를 공급한다. 특히 발전용 연료전지는 수백 kW급 이상의 대용량의 발전 출력과 타 발전원과의 연계 및 다양한 연료 사용 가능성을 고려해야 하므로 인산형 연료전지(PAFC)와 용융탄산염 연료전지(MCFC)가 적용될 수 있으며, 향후에는 발전 효율이 타 연료전지에 비해 상대적으로 높은 (발전 효율 55% 이상) 고체산화물 연료전지(SOFC)의 보급이 확대될 것으로 예상된다.

그림 2. Global 발전용 연료전지 시장 추이와 전망[2]

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