서론2005년 1월, 도쿄 빅사이트에서 FC엑스포2005(제1회 국제연료전지전)가 개최되었다. 3일간의 전시 기간 중에는 100건을 넘는 제조 전시를 비롯해, 국내외의 연구자들의 기조강연과 연구 성과 발표, 포럼 등이 열려 대성황을 이뤘으며, 앞으로의 수소사회 발전에 기대를 갖게 하는 이벤트였다.연료전지는 연소반응을 수반하지 않는 연료로부터 직접 전기에너지를 얻어낼 수 있고, 화석연료를 연소시키는 종래의 발전시스템에 비하면 고효율이며 친환경적이기 때문에 세계적으로 개발이 진행되고 있다.연료전지의 원리는 잘 알려져 있듯이, 물의 전기분해 반응과는 역동작이 되어 전해질을 양전극에 끼운 셀에, 탄소와 수소를 공급하면 직류와 열이 발생한다. 전해질의 종류에 따라 <표 1>과 같은 분류가 가능하다.연료원으로는 수소를 직접 공급할 경우, 도시가스와 바이오가스를 개질기를 통해 공급하는 경우가 있다. 또한 직류는 인버터를 사이에 두면 전력공급에, 열은 열원으로 사용하는 것으로 코제너레이션 시스템을 달성할 수 있다.연료전지 개발 초기에는 비교적 동작온도가 낮은 PAFC(인산형 연료전지 : Phosphoric Acid Fuel Cell)와 PEFC(고체고분자형 연료전지 : ＰolymerElectrolyte Fuel Cell가 많았지만, 이것들은 코제너레이션에는 맞지 않고, 효율 향상에도 한계가 있다. 이에 비해 MCFC(용융탄산염형 연료전지 : Molten Carbonate Fuel Cell)와 SOFC(고체산화물형 연료전지 : Solid Oxide Fuel Cell)는 동작온도도 높고, 대규모 에너지 공급용으로 적합하다. 과제는 고온에 장시간 견딜 수 있는 부품의 구성과, 시스템의 구성이다. 이의 연구개발은 국내외에서 진행되고 있지만, 이 글에서는 대규모 에너지의 공급에 초점을 맞춰 사례와 장래 동향에 대해 설명하기로 한다.분산형 전원으로의 도입사례1. 일반 전기사업자에 의한 연료전지 실시 시험설비일반 전기사업자의 연료전지에 대한 대처는 비교적 빨리 이루어졌으며, 부하평준화를 목적으로 한 연료전지 실시 시험설비의 설치가 1990년대에 잇달았다. 조금 오래된 통계이지만, 1998년 말 시점의 연료전지 적용실적은 일곱 개 회사에서 13건, 합계 1400kW였다. 전부 PAFC였으며, 대부분이 발전소, 변전소 또는 연구실에 설치되었다.2. 맥주공장에서의 사용 맥주공장에는 용기류와 배관 등의 세정 과정에서 발생하는 비교적 농도가 낮은 배수와 보리찌꺼기와 잔사물 등의 농도가 높은 잔사액이 있다. 이것들을 혐기성 발효를 시켜 바이오가스로 환원 분해하는 것으로 연료전지를 코제너레이션 운전하는 것이 가능하다. 이 같은 설치는 1990년대 후반부터 몇 가지 예가 있다. 예를 들면 이바라기현 토리데시의 기린맥주 토리데 공장에는 2003년 4월에 MOFC형 연료전지 250kW기가 도입되었다. 발생한 모든 전력과 증기는 기린 백주가 구입해서 공장에 다시 사용한다. 공장에서 사용하는 전력의 약 4%, 증기의 약 1%가 연료전지로 옮겨져, 이산화탄소 배출량은 약 2% 삭감할 수 있다. 또 전기요금도 절감할 수 있다. 이에 따라 실용성을 검토하여 타 공장으로 도입할 것을 검토 중이다.3. 오니소화가스의 이용 (주)에바라제작소는 하수처리장에서 발생하는 소화가스를 연료로 하는 PEFC발전 시스템을 토마코미 시의 니시마치 하수처리센터에 설치하고 2001년부터 실증시험을 실행했다. 소화가스를 이용한 실증시험은 세계에서도 처음하는 시도다. 이 실증시험설치는 에바라발라드가 납입하는 발라드제너레이션시스템 사제의 정치식 250kW급 PEFC유닛과 소화가스의 정제장치로 구성되어 있다. 이 정제장치는 탄산가스 흡수에 대량의 처리수를 사용하지 않고, PEFC부터의 배열을 유효 활용하는 특징이 있다. 하수처리장에서 발생하는 소화가스는 메탄이 60%, 탄산가스가 40%이며 전부터 소화조의 가온용 온수 연료와 발전용 가스엔진과 가스터빈의 연료로 사용되고 있다. 이 하수처리센터는 시내 3개의 처리 센터의 오니를 집약 처리해왔는데 소화가스의 발생량이 많아 1981년부터 소화가스 활용에 의한 가스 발전설비를 도입했다. 그러나 설비의 노후화에 의한 다른 소화가스 활용방법을 모색 중이다.또 2002년 3월부터, 야마가타시 정화센터에는 오니처리과정에서 발생한 소화가스를 연료로 한 후지전기제 100kW 인산형 연료전지 시스템 2대가 가동되고 있다. 연료전지의 배열을 소화조의 프로세스 가온열원으로 활용하는 시스템은 국내 처음이다. 환경부하가 낮고 가동률이 높은 동종 시스템의 도입확대에 기여할 것이 기대된다. 발전효율은 38%, 열효율은 49%, 종합효율은 87%가 된다.4. 가정용 연료전지 코제너레이션 시스템도쿄가스(주)는 에바라발라드(주), 마쓰시타전기산업(주) 각 사와 공동 개발해 온 PEFE코제너레이션시스템을 2005년 2월부터 시장투입하고 있다. 이 시스템은 ‘쾌적한 환경 시너지 생활’을 키워드로 내세워, ‘쾌적한 삶과 환경부하저감을 상호로 하는 한편 지속적으로 향상한다’는 기본 컨셉으로 개발되었다. 1kW기가 투입 개시되어, 발전효율은 31% 이상, 열회수효율은 40% 이상(모두 HHV), 저탕조용량은 200리터, 연료는 도시가스 13A이다.2005년 말까지 200대를 한정으로 도쿄가스 공급지역 안에서 메인터넌스 체제의 정비가 완료된 지역에 투입할 예정이다. 또 FC파트너쉽 계약을 모집해서, 시스템 활용에 관한 운전 데이터와 사용소감 등의 의견을 수집하고 있다. 2008년도 이후에는 연간 수천~수만 대를 판매할 것을 목표로 하고 있다.5. NEDO의 실증시험온실효과 가스에 의한 지구온난화를 피하기 위해, 2003년도부터 에너지 활용에 관한 특별장치법이 실행되어 재생가능 에너지의 도입촉진이 진행되어졌다. 또 에너지 기본 계획에는 분산형 전지로 평가된 것이 지금까지도 늘어나 중요하게 되고, 이제부터 이들의 도입이 환경보전, 에너지절약의 관점에서 빠지지 않는 사항이다. 이같은 재생가능 에너지와 분산형 전원을 도입하기 위해서는 새로운 배전 시스템의 구축이 중요하게 생각된다. 그리고 마이크로그리드 같은 새로운 에너지 수급제어 시스템의 구축이 요구된다.NEDO(독립행정법인 신에너지·산업기술종합개발기구)에는, 복수의 계통연계기술 실증시험을 실시하고 있다. 이 실증시험의 개요에 대해서는, 이미 발표가 여러 번 있었기 때문에 여기서는 연료전지의 활용에 관해 한정한다. 이 가운데 에너지 등 지역집중 실증연구에는 신에너지 플랜트를 2005년 개최한 아이치박람회에 설치해서 신에너지 도입의 평가를 행하고 있다. 국내에서 시행되고 있는 시험 중에도 여러 건의 신에너지 시스템이 공개 운전되고 있으며, 아이치박람회 개최 중에 많은 분들이 견학했을 것이다. 이 플랜트는 마이크로그리드를 구성하고 있다.마이크로그리드는 다양한 신에너지 도입을 목표로 한 소규모(일반적으로 10MW 미만)의 소규모 전력계통을 지향하고 있지만, <그림 1>과 같이 상용 대규모 전력계통과 연계하는 것도 있다.신에너지란 구체적으로는 태양광발전, 풍력발전, 연료전지 등을 말하며, 에너지의 안정공급 확보와 이산화탄소 배출량 저감을 위해 지구환경문제의 대응 등의 이유 때문에 도입촉진이 요구되고 있다. 그러나 이 신에너지가 대량으로 도입되면 전압변동과 고조파, 단락용량의 증대 등의 문제점이 발생하고, 전력품질의 저하가 염려된다.따라서 본 프로젝트에서는 태양광발전(330kW), NaS전지(500kW), PAFC(880kW), MCFC(500kW), SOFC(40kW)의 각 발전설비, 메탄발효시스템 등을 짜맞춘 복합형의 마이크로그리드를 구축하고 있다. 각 발전설비의 수급운용에는 제어실을 설치하고, 연료비와 효율최적화를 목적으로 한 최적운용이 실시 가능하다. 또 2005년 9월 아이치 박람회 종료 후에는 단독 운전시험 뒤 시설을 이설하고 2006년 이후에는 중부임공지구에서 실증시험이 예정되어 있다.분산형 전지로 고효율 복합 시스템의 기대이상은 지금까지 전력 공급에 실용화된 연료전지의 동향에 대해 알아봤다. 몇 개 정도는 코제너레이션이지만, 현재 개발 중인 MCFC와 SOFC를 이용한 복합시스템을 구축하면, 보다 더 높은 효율을 기대할 수 있을 것이다. 여열을 재생한다면 가스터빈기를 이용한 복합형의 발전 플랜트도 가능하다. 그 가운데서도 SOFC는 높은 발전효율을 얻어, 작동온도가 높은 배열을 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 대규모 용량까지의 폭 넓은 적용이 기대된다.특히 SOFC는 운전온도가 약 1000℃로 높기 때문에 배열의 유효 이용에 의한 고효율 발전 시스템이 가능하다. 다음은 미츠비시중공업의 시산을 예로 든다.(1) SOFC + 배열회수시스템에서는 열 이용도가 높은 증기를 회수할 수 있고, 도시가스를 원료로 한 50kW급 시스템에 송전단발전효율 45%(LHV 이하 같음), 종합효율 80%를 기대할 수 있다.(2) SOFC + 가스터빈 시스템에는 천연가스를 원료로한 20MW급에 송전단발전효율60%가 되고, 보일러와 냉각수가 특히 내륙부의 발전시설로 기대할 수 있다.(3) SOFC + 가스터빈 + 증기터빈의 복합발전 시스템에는 천연가스를 원료로 한 700MW급의 송전단발전효율 70%를 기대할 수 있다.(4) 석탄가스화로 + SOFC + 가스터빈 + 증기터빈의 복합전기 시스템에는 송전단발전효율 60%를 기대할 수 있다.소규모복합발전 시스템의 구축에는 마이트로가스터빈이 필요하지만 공기압축기 출구의 공기를 거의 전량 추기하고, SOFC를 경유해서 연소기에 되돌림과 동시에, 연료로는 SOFC로 반응 후의 저 칼로리가스를 연소시키기 때문에 기제품은 그대로 이용 할 수 없다.