서론가정용 연료전지 열병합 발전 시스템(Residential Fuel Cell Cogeneration System)은 도시가스(천연가스)를 전기에너지로 직접 변환함으로써 시스템 전체 효율이 80~90% 이상의 고효율이고, 이산화탄소의 배출량이 기존의 발전 시스템에 비해 40% 정도가 절감되는 환경친화적인 신기술이다. 또한 연료전지 시스템의 운전 시 발생되는 폐열을 회수하여 가정의 급탕 및 난방용 온수로 활용 가능하다는 특징이 있다. 본 기술의 실현은 석유에너지로 집중된 한국의 에너지원 구조에서 수소에너지를 활용할 수 있게 되며, 날로 늘어만 가는 가정의 전력요금에 대한 부담을 경감할 수 있다.가정용 연료전지 시스템은 일반 가정에서 소비자가 보일러나 전자제품과 같이 손쉽게 사용할 수 있어야 하므로 운전 및 보수가 쉽고 안전하며, 소형이어서 가정 내에 설치가 가능해야 할 뿐만 아니라, 배기 가스와 소음이 적고 환경에 해롭지 않아야 함을 필요조건으로 한다. 가정용 연료전지 시스템의 가장 큰 장점은 송배전 선로가 필요치 않으며, 낮은 운영비와 높은 에너지 효율로 현재 전기료를 약 20% 낮출 수 있을 것으로 예상된다. 더욱이 환경 친화적인 에너지원이고, 발전과정에서 발생하는 잉여분의 열은 저장 후 온수나 주택난방에 이용할 수 있으므로 시스템 전체적으로는 기존의 발전방식에 비해 획기적으로 높은 에너지 효율(발전효율 약 40%, 열효율 약 40~50%)을 가지게 된다. 본 연구에서는 현재까지 당사에서 개발된 1~3kW급 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템 개발현황을 요약하여 소개하고자 한다.본론가. 연료변환장치(Fuel processor) 개발연료변환장치는 LNG, LPG, 가솔린, 메탄올 등과 같이 이미 널리 사용되는 연료를 개질하여 수소로 전환해서 연료전지에 수소를 공급하는 장치다. 가정용 연료전지를 위한 연료변환 공정시스템의 일반적인 구성은 통상적으로 탈황반응, 개질반응, 수성가스전이반응, 선택적 산화반응으로 촉매 단위 공정이 포함된 4가지 단계를 거친다. GS퓨얼셀에서 제작한 연료변환장치 역시 상온에서 반응이 이루어지는 금속-제올라이트 탈황흡착기(Desulfurizer)와 흡열반응인 수증기 개질반응기(Steam Reformer), 발열반응인 수성가스전이반응기(CO converter)와 선택적 산화반응기(Preferential Oxidation Reactor)로 구성되어 있다. GS퓨얼셀에서 설계, 제작, 평가한 연료변환장치 및 그 성능이 <그림 1>에 나타나 있다. 연료변환장치의 성능은, 그 열효율은 LHV를 기준으로 약 72%이며, 상온에서부터 성능의 안정화에 이르는 시간은 약 1시간이다. 약 60℃에서 운전되는 고분자 전해질 연료전지는 극미량의 CO에 의해서도 성능 감소가 발생하므로, 연료변환장치에서 나오는 CO의 함량을 5ppm 이하로 줄여 연료전지 스택에 주입하고 있다.