인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, 이하 PAFC)는 인산을 전해질로 사용하는 저온형 연료전지의 하나다. 1960년대부터 미국이 개발에 나서 가장 먼저 상용화했으며, 소규모 발전소를 비롯해 병원, 호텔 등의 분산형 전원으로 개발했다. 일본은 연료전지를 도입해 2012년까지 이산화탄소 배출 감축량 목표로 300만 톤(100㎾ PAFC로 환산했을 때 약 1만 대 분)을 제시했다. 그러나 현재로는 PAFC가 유일하게 상품화 단계에 있을 뿐 가정용 · 자동차용 고체 고분자형 연료전지(PEFC)나 고체 산화물 연료전지(SOFC), 용융 탄산염형 연료전지(MCFC) 등은 아직 도입 개시 단계에 있다. 일본의 대표 중전기기 업체이자 1973년부터 연료전지연구를 시작한 후지[富士]전기가 개발 · 상품화한 100㎾ PAFC 시스템을 중심으로 PAFC 시스템을 설명하고 병원과 하수처리장에 도입한 사례를 소개한다.
세계 각지에서 지구 온난화 영향으로 보이는 이상기후가 보고되고 있다. 이상기후의 원인인 이산화탄소 배출을 줄이는 것이 급선무이나, 신흥국의 경제 성장 등 세계 에너지 수요가 증가 추세여서 이산화탄소 배출량은 오히려 늘고 있다. 화석연료 자원에도 한계가 있어 에너지 절약과 재생 가능 에너지 활용에 더욱 적극적인 자세를 보여야 한다.
연료전지는 발전 효율이 높고, 대기 오염의 원인인 질소산화물 · 유황산화물 · 입자상 물질 배출이 적다. 따라서 이산화탄소 배출량 감축을 포함해 지구가 처한 환경 문제를 해결하는 데 유력한 수단이 될 것이다.
PAFC의 개발 경위
연료전지 본체의 운전 온도가 약 200℃인 PAFC는 발전 효율이 비교적 높고 배출된 열을 이용할 수 있어 전력 사업용과 분산형 전원으로 주목을 받았다. 미국은 1967년부터 타깃(TARGET : Team to Advanced Research for Gas Energy Transformation) 계획을 실시해 개발을 진행했으며, 일본은 1981년부터 구 통상산업성 공업기술원이 문라이트 계획(Moonlight Project)을 통해 개발에 몰두해 그 후 1993년부터 통합 · 실시된 뉴 선샤인 계획(New Sunshine Project)으로 이어졌다.
1973년 개발에 착수한 후지전기는 문라이트 계획에 참여해 육지에서 멀리 떨어진 외딴섬용 메탄올 연료 200㎾기, 전력 사업용 1㎿ · 5㎿기 개발을 직접 했다. 또한, 현장(On-site)용으로 50㎾ · 100㎾ · 500㎾ 를 개발했으며, 가스회사와 전력회사의 협력 아래 100대 넘게 필드 테스트를 실시했다.
1998년 이러한 경험과 기술을 반영시킨 100㎾ 상품 판매를 시작했으며, 2009년 현재까지 25대를 출하했다. 셀 스택의 최장 누적 운전 시간은 5만 2천 시간에 이르며, 분해 점검(Overhaul)한 장치 중 8만 시간 넘게 운전한 기종도 있다. 이처럼 PAFC는 각종 연료전지 중 유일하게 내구성, 신뢰성이 실용화 단계에 이른 연료전지다.
100㎾ PAFC 전지 시스템 개요
발전 원리｜연료전지는 연소 절차를 밟지 않고 수소 등의 연료와 산소를 화학 과정으로 직접 전기를 뽑아내는 획기적인 발전 시스템이다.
PAFC는 전해질로 인산을 이용하며, 메탄 등 탄화수소 연료를 수증기 개질改質해 얻은 개질가스 중 수소 그리고 공기 중 산소로 발전한다. 수소와 산소를 그대로 반응(연소)시키는 것이 아니라 전해질을 사이에 두고 떨어진 수소와 산소를 각각 연료극 촉매와 공기극 촉매로 산화, 환원 반응시킴으로써 직접 전기 에너지를 추출한다.
전해질인 인산은 증기압이 상당히 낮아서 PAFC는 물의 끓는점을 웃도는 약 200℃에서 운전이 가능하다. 이 때문에 수증기 개질 반응에 필요한 수증기를 셀 스택의 남은 열로 망라할 수 있으며, 냉방 등 공조에도 남은 열을 이용한다.
[그림 1] 시스템 구성 개요도
시스템 구성｜<그림 1>은 메탄이 주성분인 도시가스를 원 연료로 했을 때 PAFC 발전 시스템 구성이다. 도시가스 속 부취제附臭劑(유황화합물)는 촉매를 피독被毒시켜 성능을 떨어뜨리므로 탈유기脫괪器에서 제거한다. 개질기改質器에서 수증기 개질 반응을 거쳐 수소가 풍부한 가스(개질가스)로 개질되며, 다시금 CO 변성기에서 일산화탄소 농도를 저감시킨 후 셀 스택의 연료극에 공급된다. 셀 스택은 이 개질가스(수소)와 블로워에서 공급 받은 공기(산소)에 의해 직류 전력을 발생시킨다. 직류 전력은 인버터에서 교류 전력으로 변환해 계통에 공급된다.
연료전지 발전 장치는 개질 과정에서 수증기를 소비하긴 하지만, 셀 스택에서 생성한 물을 배열排熱회수 장치로 회수해 재활용한다.
특징｜일반적으로 연료전지는 고효율, 환경 적합성 등의 특징이 있다. 여기에 PAFC 발전 시스템은 다음과 같은 특징이 더 있다.
① 저출력에서 고출력까지 높은 발전 효율 : 출력을 낮춰도 효율은 떨어지지 않고 부분 부하에서도 높은 발전 효율을 유지한다. 또한, 출력 조정 운전이 가능해 정격과 부분 부하로 패턴 운전이 가능하다.
② 다양한 연료에 대응 가능 : 발열량이 다른 다양한 연료가스에 대응한다. 또한, LP가스를 도시가스로 교체하거나 그 반대도 가능하며, 재해 등으로 전기 · 수도 · 가스와 같은 네트워크 시스템이 정지해도 운전을 계속한다.
③ 배출 가스가 깨끗하며 저소음 : NOx, SOx, 그을음, PM(입상 물질)을 거의 배출하지 않아 규제가 심한 도시에도 설치가 간단하다. 또한, 주요 구성 기기에 회전부가 없어 기기 1m에서 65dB(A)이하로 소음이 작기에 병원이나 호텔 등에도 설치가 가능하다.
외관과 주요 품목｜100㎾ PAFC 발전 시스템은 연료전지 발전 장치, 배열 처리 설비, 수처리 장치, 질소 공급 설비 등으로 구성된다. 연료전지 발전 장치의 품목은 <표 1>, 외관은 <그림 2>와 같다.
연료전지 발전 장치의 배기 출력과 배열 출력 비는 약 1:1이며, 열 수요가 예상 가능한 열병합 발전(Cogeneration) 현장에 도입하는 것이 적합하다.
90℃의 고온수는 주로 배열 투입형 흡수식 냉온수기를 이용해 시설 공조(냉난방)에, 50℃의 온수는 저장조의 가온加溫이나 급유 예열 등에 이용한다. 하수처리장에서는 저온수를 고온수로 가열한 중온수를 소화조 가온에 이용한다.
 도입 시 유의점
도입 가능성 검토｜PAFC 발전 시스템은 기동과 정지에 시간이 걸리므로 기저 부하(Base Load)로 연속 운전에 적합하다. 도입하려는 곳의 전력 수요(특히 봄 · 가을과 야간 수요)는 물론 열 수요, 열 매체의 종류, 온도 조건 등에 대한 조사가 필요하다.
설치 장소 선정｜설치 장소는 옥외와 옥내를 불문하고 연료전지 발전 장치 주위에 보통 1~2m 정도 유지 보수를 위한 공간 그리고 반입과 분해 점검을 위한 통로 · 반입구를 확보해야 한다. 반입 · 설치에 큰 중장기가 필요 없도록 설치 장소를 설정하고 설계하는 것이 좋다. 연료전지 발전 장치는 소음이나 진동이 작기에 옥내 설치의 경우 굳이 전용 기계실에 설치할 필요는 없다. 다만, 급배기는 건축기준법을 토대로 정비해야 한다. 그 외 배열 처리 설비 등 주변 기기 설치, 전기, 가스, 수도, 열 이용처 등도 고려해 인입 거리를 선정해야 한다. 또한, 비교적 중량이 크므로 옥상이나 중간 계단에 설치할 때 제조사와 건물 설계자 간에 충분한 조정이 필요하다.
원 연료의 성질과 상태 조사｜다양한 연료에 대응가능하긴 하나, 미리 PAFC 발전 시스템에 공급하는 연료가스의 성질과 상태를 파악해 둬야 한다. 가스의 종류, 성분 등에 따라 개질기나 연료전지 셀 스택에 영향을 주는 일이 있어 전처리 설비 등에서 대응이 필요한 경우가 있다.
도입에 필요한 수속｜사업용 연료전지 설비는 전기사업법, 소방법의 적용을 받으므로 보안 규정 제출, 전기주임기술자 선임, 관할 소방서 제출용 설치 신청서 등이 필요하다. 또한, 발전 전력을 계통 연계하는 데 전력회사와 사전에 연계 협의를 해야 한다.
도입 실적
1998년 상품화한 이후, 2009년 현재까지 100㎾ PAFC 발전 시스템 25대를 납입했다. <그림 3>은 납입처별 설치대수를 나타낸 것이다. 병원과 오피스빌딩 등 기존 열병합 발전 시장 외에도 재생 가능 에너지로 주목받는 하수처리장에 최근도입이 증가했다.
 열병합 발전｜기존 열병합 발전 시장에 도입한 예로 일본 아이치[愛知]현에 위치한 대동병원의 사례를 소개한다. 이 병원은 연면적 3만 3520㎡, 병상수 404개, 진료 과목 18과목의 민간 병원이다.
PAFC 발전 시스템은 2003년 7월부터 운전을 시작해 현재도 운전 중이다. 기저 부하용 전원으로 100㎾ PAFC 발전 시스템 1대를 24시간 연속 운전한다. 부하 추종용 전원으로 미러 사이클 가스 엔진 2대를 낮 시간과 같이 전력 부하가 큰 시간대에 운전하며, 고압 연계해 병원의 일반 부하로 급전한다. 연료전지에서 배출된 열은 저온수와 고온수의 2계통에서 회수한다. 저온수는 배열 회수용 예열 저장조에 급유 예열로 공급하며, 고온수는 가스 엔진 배열과 함께 급유 예열과 배열 투입형 흡수식 냉온수기를 이용해 공조에 이용한다. PAFC 발전 시스템의 기본 운전 패턴은 주간에 100% 부하 운전하고, 수요가 적은 야간(22시~다음날 8시)에 부하를 50%로 낮춰 운전한다.
<그림 4>는 100㎾ PAFC 발전 시스템의 2006년 발전 전력량, 발전 효율, 열 회수량, 열 회수 효율 추이를 나타낸 것이다. 발전 전력량은 겨울과 여름에 많으며, 계절에 따라 전력 부하를 조정한다. 열 회수량 및 열 회수 효율은 겨울철에 높고 여름철에 낮은 경향을 보인다. 이는 겨울철에 급유 수요가 증가해 저온수 이용이 많아졌기 때문이다. 결국 여름철 저온수 유효 이용이 과제로 남았다.
기존 시스템과 비교해 2006년 실적을 따져보면 이산화탄소 배출량 감축 효과는 36%(164ton-CO₂/년), 일차 에너지 감축 효과는 17%다.
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 하수 소화가스 이용｜하수처리장 도입 사례로 일본 야마가타[山形]시 정화센터를 소개한다. 이 정화센터는 부지면적 7.74ha, 처리 능력은 하루 최대 5만 2000㎥, 소화가스 발생량은 하루 평균 3800㎥다.
PAFC 발전 시스템 2대를 설치해 2002년 3월 운전을 시작한 후 현재도 운전 중이다. 하수 슬러지를 혐기성 발효시켜 얻은 소화가스를 연료로 사용한다. 소화가스에는 불순물이 포함돼 있어 탈유탑과 전처리탑에서 제거한 후 발전한다. 또한, PAFC 발전 시스템에서 얻는 열은 고온수와 저온수를 합친 중온수를 소화조 가온에 이용한다.
<그림 5>는 2006년 4월부터 2007년 3월까지 발전 전력량, 발전 효율, 열 이용량, 열 이용 효율을 나타낸 것이다. 이용 효율은 PAFC 발전 시스템 2대의 평균값이며, 이용량은 2대의 합계값이다. 도시가스 연료와 같이 겨울철 종합 효율이 높은 경향을 보였으나, 이것은 바깥 기온의 영향으로 겨울철 소화조 가온에 필요한 열수요가 높았기 때문이다. 여름철에 소화조 가온 이외에 다른 용도로 이용한다면 더욱 높은 효율을 얻을 수 있다.
소화가스는 생물에서 유래했으며, 대기 중 이산화탄소를 흡수해 합성된 것이다. 소화가스 이용으로 이산화탄소가 발생해도 동시에 식물 성장 과정에서 이산화탄소를 흡수하기에 전체로 봤을 때 이산화탄소 양은 증가하는 않는 '카본 뉴트럴Carbon Neutral'의 특성이 있다.
이 소화가스를 소화조 가온이 아닌 발전에 이용하면 한층 높은 이산화탄소 배출량 감축으로 이어진다. 기존 시스템과 비교해 2006년 실적을 따져보면 이산화탄소 배출량 감축 효과는 PAFC 발전 시스템 2대로 1070ton-CO₂/년 감축, 1만 9030GJ/년 감축(원유 환산 527kl 감축)이었다.
PAFC 발전 시스템은 발전 효율이 높고 1년간 연속 운전이 가능하기에 연속 발생하는 소화가스 이용 방법으로 최적인 시스템이다. 또한, 소화가스는 외적 요인에 따라 조성이 변동하는데 PAFC 발전시스템은 이러한 변동도 문제없이 운전한다.
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상용 · 비상용 겸용 전원｜보통 때는 환경 친화적 열병합 발전 장치로 계통 연계 운전하고, 도시가스 공급이 멈췄을 때엔 비축 LP가스로 바꿔 비상용 전원으로 비상용 부하 등에 전기를 공급한다.
이 시스템은 후지전기 능력개발센터에 도입해 센터(연구소)의 전원 일부를 조달하며, 배출된 열은 냉방과 급유 예열에 이용한다. 그러다 비상시에 비축 LP가스, 독립 운전으로 전환해 사무소 전원, OA기기용 전원 등에 이용하게끔 하고 있다.
한편, 연료전지는 2006년 3월에 교부된 일본 소방청 고시 제8호 '연료전지 설비 기준'에서 소방법상 '비상 전원'으로 정의하고 스프링클러나 소화 설비, 배연 설비 등의 전원으로 이용하도록 했다.
▲상용 전원이 정지하고 독립 운전의 전압 확립 및 투입까지 소요 시간은 40초 이내일 것 ▲전력을 상시 공급하기 위한 연료 공급이 끊겼을 때 자동으로 비상 전원용 연료를 공급하는 것일 것 등의 조건으로 소방법상 '비상 전원'의 적용을 받게 됐다. 한편, 2007년 10월 (사)일본전기협회 산하 연료전지인정위원회에서 '인정 기준'을 마련했으며 2008년 7월 후지전지의 PAFC 발전 시스템이 인정 1호를 취득했다.
향후 대처
PAFC 발전 시스템은 새로운 방식의 열병합 발전으로 도입되기 시작했으며, 현재까지 4만 시간 이상의 내구성과 우수한 환경성을 실증했다. 비용 절감도 추진 중이긴 하나 아직 내연 기관과 비교해 상대적으로 비싸 보급이 제대로 이뤄지지 않고 있다.
PAFC 발전 시스템 보급을 확대하려면 확고한 시장 확립과 생산성 향상을 함께 도모해 나가야 한다. 후지전기 그룹은 저렴한 비용과 양산을 전제로 한 보급기 개발과 LP가스 연료 교체 기능을 갖춘 방재용 타입, 발전을 하는 동시에 수소 공급이 가능한 수소 공급 타입, 한층 높은 발전 효율을 갖춘 수소 연료 전용 타입 등 다방면에서 개발을 진행중이다.
정리 전화영 기자
<Energy News>
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