첨단세라믹스
연료 전지 시장 조사 : 대형화 정지형 설비에서의 응용

 편집부(외신)

대형화 정지형 설비의 고체 산화물 연료 전지의 발전과 이 분야의 기업에 대한 예측은 ‘연료 전지의 오늘’의 연간 시장
조사에 기초하였다.

10kW 이상 급의 연료 전지 전력 발생 시스템과 같은 대형화 정지형 부분은 점차적으로 상업화를 향해 다가가고 있다. 비록 이 분야에 있어서 상업화라는 단어가 뜻하는 바는 약간 다르지만, 여전히 초기 시스템 설치를 하는데 있어서 쌍방의 큰 규모의 투자가 필요한 것으로, 정부의 동의와 세금 감면 정책은 초기의 연료 전지의 적용을 가속화 시키는데 도움이 될 것이다.
기술적인 측면에서, 최고의 관심 사항은 연료 전지 시스템의 기술적 성능이다. 그러나 이미 좋은 결과들이 속속 보고되고 있다.
2005년도에 있어서 가장 많은 수의 에너지 설비를 가진 기업은 FuelCell Energy 이다. 이 회사의 250-kW 급의 용융-탄산염 시스템은 여러 방면과 여러 상황에서 안정된 성능과 내구성을 제공하고 있다.
올해는 연료 전지 분야에서 Fuji 전기와 UTC 연료 전지의 유례없는 리더십으로부터 경향을 발견한지 2년차 되는 해이다. 2005년 동안 생산된 총 유닛 중에서 생산량은 작년에 비해 약간 증가해, 800개 정도 많아졌다.
연료 전지 분야에서 작년도에 있었던 인상적인 발전은 3월 25일~9월25일에 열린 Aichi 국제 박람회에서 Ishikawajima-Harima 중공업(IHI)과 Mitsubishi 중공업(MHI)에서 자신들의 기술적 발전을 위하여 실제 상황 아래서 테스트용 제품을 설치하고 시연 프로젝트를 개최한 것이다. 이 두 기업들 모두 상업화에 한 발짝 다가간 모습이다.

대형화 정지형 연료 전지 분야에서 작년 한 해 동안 새로운 기업의 등장은 그리 많지 않았다. 한 가지 이유는, 이 분야는 다른 연료 전지의 응용 분야에 진입하는 것보다 많은 어려움이 있기 때문이다. 잠재적으로 수 메가와트 용량을 가진 대형화 연료 전지 장치를 구성하기 시작하는 것은 1-kW 보다 작은 타입의 장치를 만드는 것에 비해 훨씬 어려운 일이다. 앞으로는 대형화 장치로, 그 크기를 키우는 것을 목표로 테스트가 진행될 것으로 예상된다.
세라믹 연료 전지(호주)와 Acumentrics(미국)에 의해서 도입된 증분식 접근법이 있다. 두 회사 모두 소형화 정지형 분야(10 kW급보다 작은)에서 적극적이다.
또 다른 주목할 만 한 점은 지난 12개월 동안 이 분야에서 철수한 기업들은 없었다. 다른 분야에서는 기업들이 철수하거나 문을 닫거나 하는 등의 상당한 이동이 있었지만 대형화 정지형 분야에서 기업들은 여전히 안정적이다. 이런 일 뒤에는 기업들의 철수가 필요한 대형 자본의 공급을 포함해서 많은 이유가 있다. 또한 대형화 정지형 분야 시장에서의 적절한 위치는 아직 경쟁 포화 상태에 다다르지 않은 것으로 나타난다.

기술적 측면
용융-탄산염 기술이 대형화 정지형 부분에서 한 발 앞서 있는 것으로 보인다. GenCell, IHI사 그리고 MTU에 의해서 현장 설비로 활용되고 있고, FuelCell Energy의 활동이 뒷받침되고 있다.
2005년도에 인산 설비의 숫자는 2004년에 비해서 절반으로 줄었고, 인산 설비는 오직 Fuji 전기, 한국 가스 그리고 UTC 연료 전지에 의해서만 생산되었다.
다른 측면에서, 고체-산화물 기술은 수많은 대기업에 의해서 개발되고 있으며 특히 일본 기업에서 많은 관심을 가지고 있다. 아직까지 현장에는 적은 숫자의 테스트 장치만이 있다. 이러한 사실 때문에 어떤 한 기업이 혼자서 시장에 많은 수의 시스템을 보급하기 위해서 연합되어진 모든 도전 과제를 해결할 수는 없는 실정이다.
오직 UTC 연료 전지사 만이 250-kW 파워를 낼 수 있는 양성자 교환막 기술을 개발하고 있다. 그러나 실질적으로 아직까지 상업적으로 사용이 가능한 장치로 만들어진 장치는 없다. 아직 다른 기업들이 10kW의 벽을 넘어서지 못하고 있는 상황에서 제너럴 모터스만이 유일하게 성공했다. 그들의 주된 관심사는 자동차용 부분이다. 제너럴 모터스사가 Dow사와 공동으로 진행하는 프로젝트가 그것을 보완해 주고 있다.

가스 터빈 하이브리드
대형화 정지형 분야에서의 재미있는 경향은 가스 터빈과 병렬로 사용할 수 있는 조립식의 연료 전지를 개발하는 것이다. 이런 기술적인 경향에 관심을 가지고 참여하고 있는 기업들은 FuelCell Energy(MCFC방식), GE 에너지(SOFC방식), 롤스로이스 연료 전지 시스템(SOFC방식) 그리고 지멘스 웨스팅하우스(SOFC방식) 4개 기업이다.
* MCFC방식 : Molten Carbonate Fuel Cell (용융-탄산염 연료 전지)
* SOFC방식 : Solid Oxide Fuel Cell (고체-산화물 연료 전지)
하이브리드 장치의 표면상 드러난 이득은 고효율, 저수명비용과 낭비되는 열을 고효율로 재이용하는 것이다.
FuelCell Energy사는 DFC/T를 개발했다. 직접 연료 전지 방식(DFC)의 하이브리드 버전인 DFC/T는 가스 터빈과 하나로 결합되어져 있는 방식이다. 이 모델을 사용하면 연료 전지는, 터빈이 휴지 상태에 있는 사이 낭비되는 열이 재사용되고 세련된 피드백 루프가 연료 전지에 공기를 공급함으로써 4/5의 전력을 생산할 수 있다.
이 시스템을 실행하기 위한 모델은 고비용 난방 값(HHV) 모델에서는 70% 가까운 효율을 나타냈으며, 대형화, 멀티-메가와트 시스템에서는 80%의 효율을 기대할 수 있다. 이 시스템에서 한 가지 생각해야 할 점은, 개발 중에 있는 다른 하이브리드 제품과는 다르게 DFC/T는 순환 압력에서 작동 되도록 설계되어 있다는 것이다.
최근의 서브-메가와트 시스템은 40-MW 급의 파워 설비로의 중장기 목표를 가지고 테스트 되어지고 있다. GE 에너지는 최근에 미국 DOE 로부터 석탄으로 작동하는 SOFC 방식 멀티-메가와트 가스 터빈 하이브리드 시스템 개발에 대한 계약서를 획득했다. 10년 동안 8천3백만 달러의 계약으로, GE 에너지는 SOFC 방식/가스 터빈 하이브리드 시스템을 중점적으로 개발할 수 있게 되었다. 종합 집적 기화 연료 전지(IGFC사)는 석탄을 공급 재료로 사용하여 50% 효율을 내는 것을 목표로 하고 있다.
의욕적인 개발 목표 프로그램은 다음의 세 가지 측면에서 이루어진다.
쪾 100-MW 급 IGFC사 전력 설비 설계 및 개발
쪾개념적인 시스템의 검증 설계 및 구현;
 SOFC 방식을 개발하는데 관계된 장애물 극복
쪾멀티-메가와트 시스템의 응용 설비에서 SOFC 방식 빌딩 블록 스택 개발 및 구현
100MW 급 분야에 있어서, 제안된 시스템의 경우에는 FuelCell Energy에 의하여 설계된 장치 사이즈에 2.5배에 해당한다. 그리고 롤스로이스 연료 전지 시스템에 의해 개발 중인 장치에 비해서는 무려 100배가 더 크다.
이미 미국 정부의 SECA 프로그램의 파트너인 GE 에너지는 최근에 5-kW 급의 SOFC 방식을 시연한 바 있다.
롤스로이스에서는 1-MW 급의 연료 전지/터빈 하이브리드 시스템을 2008년까지 시연 제품을 생산한다는 목표로 개발 중이다. 이 시스템은 250-kW 급 4개로 연결되어 있다. 가정용의 연료 전지 용량을 개발해 봐서 알겠지만, 롤스로이스사 역시 이 시스템을 위해서 새로운 자신들만의 터보-발전기를 개발하고 있다. 경제학적인 측면에서 최근 기업들의 근황을 수치화해서 보면 kW당 120~300달러도 가능한 가격으로 생각되고 있다.
지멘스 웨스팅하우스는 고 압력의 SOFC방식/가스 터빈 설계를 개발 중이다. 비록 지멘스가 이러한 시스템을 만드는 분야에서 수 년 동안 노력해 왔지만, 아직까지 최적 조건의 설계를 하지 못했고 가스 터빈에서 문제점을 가지고 있다고 밝혔다.
연료 전지로 사용하는 실제적인 대형화 전력 발전기의 경향은 1-MW 급 이상의 하이브리드의 형태를 혼합해서 모으는 개념으로 진행되고 있다. 초 대형화된 100-MW 급은 실제적인 공학과 법적인 도전을 넘는 것을 나타내게 될 것이다. 그리고 경제적인 면과 환경적인 면에서 이 시스템들이 청정하기 위해 탄소 흡착과 저장에 대한 문제에 봉착하게 될 것이다.

SOFC 방식의 참여 기업들
대형화 정지형 고체-산화물 연료 전지 분야에 참여하고 있는 기업들은 다음과 같다.
J-Power (일본) 는 석탄을 사용하는 전력 발전 시스템인 이중 ICGFC 시스템(집적 석탄 가스화 연료 전지 연계 시스템)을 개발 중이다. ICGFC 시스템은 연료 전지, 가스 터빈 그리고 석탄 가스화 기술을 사용하는 연기 터빈을 기반으로 한 전력 발전소로 이루어져 있다. 이 회사는 개발 과정이 끝나는 시점에서는 현재 존재하는 석탄을 태우는 전력 발전에 비해서 최대 60%의 전력 발전 효율을 보일 수 있으며, 이산화탄소 발생도 30% 정도 줄일 수 있을 것이라고 주장하고 있다. 
연료 전지용 가스를 위해서 석탄을 사용하기 때문에 석탄의 미세 먼지와 황 성분을 제거하기 위해서 기화법과 정제법을 사용해야만 한다. 일본 정부와 새로운 에너지와 산업 기술 발전 협회(NEDO)는 2007년 3월을 만기로 하는 5년간의 테스트 프로그램을 시행하는 시험 설비에 가동과 건설을 위한 자금을 제공하기로 했다. 이 기업의 SOFC 방식 시스템은 설비에서 테스트되기로 계획되고 있다.
Mitsubishi 재료(일본)는 Kansai 전기(일본)와 함께 NEDO의 지원을 받는 공동 프로젝트를 수행 중이다. 이 기업은 800도 이하의 온도로 작동하는 란탄 갈라이트 전지를 사용한 10+ KW 급의 시스템을 개발하는 것에 주력하고 있다. 2005년 1월, 이 기업은 800도에서 57%의 효율을 지니고 1000시간 이상 지속적으로 사용 가능한 1-kW 급의 시험 모델을 개발하는 데 성공했다고 발표했다. 2007년까지 수십 kW 급의 시스템을 상업화시키는 목표를 가지고 있다.
Mitsubishi 중공업(일본)은 SOFC 방식과 PEM 방식의 연료 전지 기술을 개발하고 있다. 이 기업의 개발 방향은 중형 규모의 발전기와 대형화 SOFC 방식 중에서 교환열 시스템에 집중되어 있다. 2004년 6월, NEDO는 MHI사의 두 가지 SOFC 방식 프로젝트에 대해서 상을 수여 했다. 판상 전지만큼 작동되는 MOLB 방식(단상-블럭 층 구조) 연료 전지라고 불리는 관상 전지를 개발하고 있다.
MHI는 Chubu 전기 발전사와 함께 MOLB 방식의 기술을 이용한 200-kW 급의 폐열 발전 시스템을 개발 중이다. 최근에, 수억 엔의 가격이 책정된 상품이 나왔다. MHI는 2008~
2009년도 즈음에 확대된 시장 아래서는 kW당 50만엔(kW당 4500달러) 정도로 가격이 떨어질 것이라고 예측했다.
다른 하나의 MHI와 Chubu의 프로젝트는 마이크로 가스 터빈이 결합되어진 350-kW 급의 시스템을 개발하는 것이다. 그들의 목표는 2010년경에 고효율의 가스 터빈을 결합시킨 20~50-kW 급의 시스템을 상업화시키는 것이다.
또한 그들은 2015년까지 동작 가능한 대형화 열 전력 발전소(700-MW 급의 SOFC 방식의 시스템)를 만들 것이라고 발표했다. 이 설비는 SOFC 방식, 가스 터빈 그리고 증기 터빈의 3가지 방식을 결합해서 동작하는 것이다. 50-kW 급의 MOLB 방식과 SOFC 방식의 시스템 중에 2개는 Aichi 국제 박람회에서 지속적으로 동작하고 있었다. 한 장치는 Wonder Circus(2005년 Aichi 일본 국제 박람회의 전기 전력 전시관)에서 전시되었으며, 다른 하나는 NEDO에서 개최한 ‘지역 에너지 센터에서의 새로운 에너지 시연 테스트 프로젝트’에서 소개되었다.
MHI사는 나가사키의 J-Power 그룹과 공동으로 관상의 25-kW 급 시스템의 가동을 시작했다. 다른 개발 분야는 PEM 기술이다. 이 기술은 MHI와 일본 석유사가 공동으로 히로시마 다이아몬드 호텔에 등유 연료의 10-kW 급 연료 전지를 설치했다. 이 시스템의 최종 목표는 35%의 전력 효율과 76% 이상의 효율성을 달성하는 것이다. Nippon은 MHI가 제공하는 스택으로 이 프로젝트에 재생산제와 촉매제를 개발하고 있다.
Chubu 전기 전력(일본)은 연료의 다각화와 전지 가동 시간 연장의 연구를 수행하고 있다. 이 회사는 회사 내 화력 발전소에서 다양한 실험 조건 테스트를 거친 200-kW 급의 연료 전지를 보유하고 있다. Chubu는 Aichi에서 열린 2005년 국제 박람회에서 재활용 쓰레기를 연료로 하는 바이오-기화 장치를 결합한 MCFC 모듈의 테스트를 실행했다.
이 회사는 신나고야 열 전력 시스템에서 비슷한 장치로 여러 다양한 테스트를 시행 중에 있다. 또한 Chubu사는 평탄형 트레인 MOLB 방식과 SOFC 방식을 개발하고 있다. MOLB 방식의 연료 전지는 고밀도의 생산성이 가능하고, 상대적으로 저렴한 가격으로 생산이 가능한 소형화 모델이다.
이 회사는 2007년 회계 연도 후에 시장에 내놓을 수 있는 제품을 개발하는 목표로, MHI와 공동협약을 맺고 50-kW 급의 협력 발전을 개발하는데 참여하고 있다.
일본 제철(일본)은 Sumitomo와 함께 Acumentrics(미국)에서 개발된 SOFC 스택 방식을 이용한 전력 발전 시스템을 공동으로 개발하고 있다. 최근에 이 회사는 일본 시장에 맞게 Acumentrics의 시제품 천연 가스-전력 관상 고체-산화물 연료 전지(T-SOFC 방식)를 변형시키는 데 주력하고 있다. 이 제품은 2~10-kW 급의 소형 상업화 상품이다. 장기적인 목표는 전력 발생치를 20에서 50으로, 최종적으로 100-kW 까지 확장시키는 것이다.
Acumentrics는 Sumitomo가 시장의 요구 사항과 연료 전지 생산에서 실제로 시장에 주력하는 동안에 기술 개발의 책임을 지고 있다. 2005년 초에 Acumentrics는 그들의 Yawata Works(일본 제철)에서 테스트가 완료된 두 번째 5-kW 급의 시스템을 Sumitomo에 배달했다.
일본 제철은 Acumentrics-Japan의 공동 주주이며, 그들의 설비를 테스트용으로 제공하고 있다. 2004년 6월 Acumen
trics-Japan과 일본 제철은 NEDO에서 수상하는 천만 달러의 다년도 보조금을 받는 4개의 그룹 중에 하나였다. 일본 제철은 NEDO 보조금을 받기 위해 경쟁할 것이고, 이 그룹은 Acumentrics-Japan 벤처회사에 더 투자할 수 있는 다른 일본 투자자를 구할 것이다.
일본 전보&전화사(일본)의 에너지 & 환경 시스템 연구소는 연료 전지 개발에 열정적으로 참여하고 있다. 정지형 연료 전지에 관한 SOFC 방식 기술에 초반에 참여한 후, 2007년 까지 상업화한다는 목표를 가지고, 휴대용 연료 전지를 만들 수 있는 단계로 발전할 것이다. 이 회사의 소형-PEM 기술 개발은 2008년 정도에 상업화가 제안되었다.
롤스 로이스(영국)는 정지형 전력 발전 부분에서 SOFC 방식의 기술을 발전시키고 있다. 이 회사는 2008년까지 시연할 수 있는 제품을 만들 목적을 가지고 80-kW 급의 장치를 테스트 하고 있다. 터보 발전 시스템은 가정용으로 개발되어지고 있다. 이 회사는 2006년도까지 완전 자동화된 전지 생산 프로세스를 구축하여 자동화 시제품 생산 시설을 세우는 계획을 가지고 있다.
지멘스 전력 발전(미국) - 지멘스 그룹의 자회사로서, 지멘스 웨스팅하우스라고 널리 알려진 이 회사는 SOFC 방식의 시스템을 개발하는데 주력을 다하고 있다. 이 회사는 델타9 라고 불리는 새로운 디자인을 개발하고 있다. 본질적으로, 이 회사는 T-SOFC 방식 설계를 하고 있지만, 최근 몇 년 동안 평탄화 관상 전지를 개발해 왔다. 이것은 판상 연료 전지의 밀봉 문제에 대한 것을 피하는 동안 30~40% 정도의 높은 전력 밀도를 제공한다.
이 회사의 첫 번째 전 상업화 제품은 SFC-200이라고 생각되어진다. 이것은 125-kW급 SOFC 방식의 공동발전 시스템으로, 대기압에서 천연 가스로 구동되며, 완전 구동 시 44~47% 의 전기 효율을 나타낸다. 종합적인 시스템 에너지 효율은 증기/뜨거운 물이나 다른 공동발전을 가정하면 80% 이상이라고 생각되어진다. 장기적으로 볼 때, SFC-200은 500 kW 급의 시스템으로써 블럭 만들기가 가능할 것이다.
Ztek(미국)은 대형화 적용에 관점을 두고 평면 SOFC 방식의 시스템을 개발하고 있다. 이 회사는 만 5천 시간 이상 사용가능한 1-kW 급의 연료 전지 스택을 시연했다. 다층 연료 전지 스택과 천연 가스 내부 재생산에 의한 25-kW급의 시스템은 개발되어졌고, 조만간에 그것의 내구성을 측정할 것이다. 장기적인 계획은 아직까지 건설 중에 있는 200-kW급의 SOFC 방식/가스 터빈 시스템에 기초하고 있는 분할된 전기 시장에서 1/2-메가와트와 메가와트 버전을 개발하는 것이다.
2004년도 최근의 대형화 정지형 조사에서 알아야 할 중요한 점은 2007~2008년도에 상업화 시점에서 이런 분위기를 가진 기업들이 한 데 모이는 것이다. 이것은 아직까지는 일어나지 않고 있지만, 다른 연료 전지 분야에서는 이미 일어났으며, 한 기업에서 생성된 문제는  미국 속담처럼 바닥에 먼저 막대기를 박는 자와 그것에 대해 동조하는 다른 기업들이다. 그러나 여전히 수많은 기업들이 그들 자신의 고유한 기술 개발 로드맵에 기초해서 예상시점을 정하고 생산 시점으로 여기고 있다.
연료 전지 분야에서, 이 시점은 발전 과정에서 하나의 매듭이다. 그리고 우리는 기업들이 이 시점을 맞추고자 한다면, 차기 2년 동안에는 기업들이 생산성측면에서 질주하는 것을 목격하게 될 것이라고 생각한다.
이 분야에 있어서 또 다른 흥미로운 관점은 두 개의 중요 채용 범주가 있다는 것이다. 첫 번째는 뉴욕과 롱아일랜드 전력 당국에서와 같이 설비적인 측면이고, 두 번째는 스타우드 호텔 체인에서처럼 직접 개별적으로 적용하는 것이다.
두 번째 적용 범주의 양산을 돕기 위해서는 다른 기업들이 이 분야에 참여하기 시작해야 한다. 예를 들면, 소형 전지로 유명한 Logan 에너지는 UTC PureCell 생산품을 자신들의 연료 전지 생산품 책자에 실었다.
마지막으로, 올해 미국과 일본 기업에 의해 독점되고 있는 모습을 재차 확인하였지만, 중국과 한국 기업이 연료 전지 분야에 뛰어든다는 소식을 들어도 그것이 놀랄만한 일은 아닐 것이다. 두 나라 모두 대형화 정지형 분야를 유심히 관찰하고 있으나, 밝히지 않을 뿐이기 때문이다.                       (Ceramic Bulletin)

그림 1. 기술 형태(퍼센트 순)
그림 2. 지맨스 웨스팅하우스 하이브리드 디자인의 개념도
그림 3. 계획중인 롤스로이스의 1-MW급 SOFC/터빈 하이브리드
그림 4. 25kW급 Ztek 전력 시스템 테스트
그림 5. 지멘스 웨스팅하우스의 SFC-200