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.