PEFC, SOFC 보급확대로 상용화에 성공
전 세계 기술 리드해…우리도 따라잡아야

일본은 연료전지 제작사와 가스사업자가 공동개발 및 보급을 진행하고 있으며 시스템 발전효율과 내구성 향상을 위한 노력이 활발하다.

일본의 천연가스와 유럽을 중심으로 해외의 천연가스에 대응하는 기기의 개발도 NEDO 사업으로 진행되고 있는데 단독주택용과 공동주택용, 그리고 해외로 보급이 확대된다면 양산효과에 의한 가격저감이 기대된다.

2013년에는 고체고분자형 연료전지(PEFC)보다 효율이 5~7% 높은 가정용 고체산화물 연료전지(SOFC)인 에너팜 Type S가 출시됐다.

연료비 측면에서 살펴보면 도시가스업계는 원료가격의 저감을 목표로 보다 저렴하고 안정적인 천연가스의 확보에 몰두하고 있다. 이에 저가의 재래형 천연가스 확보뿐만 아니라 셰일가스로 대표되는 비재래형 천연가스의 조달, 해외가스전 굴착권리 확보 등 천연가스의 상류부문의 진출 등 안정적인 천연가스 수급을 위해 노력하고 있다.

또 법 제도 측면에서는 그리드에 의한 연계 운전과 한 집단 구역 내 열유통이 가능한 시스템 도입촉진을 위한 시책 등이 기대되는 상황이다.

한편 연료전지는 차세대 에너지시스템으로서 기대도 크다. 에너지절약하우스로서 태양광, 축전지와 연료전지가 연계된 스마트하우스, 연료전지로부터 발생하는 배열을 활용해 기기 구동율을 향상시키고, 복수의 수요가 간에 열을 유통하는 열 네트워크 시스템 등이 차세대 에너지시스템으로 개발되고 있다. 아울러 사무용과 산업용 SOFC의 상품화 및 SOFC와 가스터빈을 조합한 고효율 SOFC 복합 시스템 개발 및 상품화도 성공적으로 진행되고 있다.
 

일본의 가정용 연료전지시스템 현황
■동경가스
동경가스는 2008년까지 796대의 가정용 연료전지 시스템을 설치했다. 2009년 5월부터 에너팜이라는 이름으로 세계최초로 일반판매를 시작해 2011년 3월까지 약 4000대를 출하했으며, 2012년 12월까지 누적 1만5000대를 판매했다. 2013년도 후반기에는 공동주택(아파트)에 적용 가능한 모델이 출시됐는데 향후 설치 면적을 줄이고 가격을 더욱 떨어뜨리는 노력이 요구된다.

<표1> 연료전지시스템 신규 모델과 이전 모델 사양 비교
 

■토시바
2009년부터 연료전지시스템 판매에 나선 토시바는 2012년엔 효율과 내구성이 더욱 향상된 모델을 출시했다. 2012년 누적판매 대수는 1만대를 넘어섰다.

2011년 3월 동일본 대지진 후 정전 시 대응에 필요한 연료전지를 개발하고 있으며, 추운 지역에서도 운전이 가능한 연료전지를 개발했다.

자동운전, 수동운전이 가능한 다양한 운전모드의 개발, HEMS(Home Energy Management System) 등 고객 친화적 시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.

<표2> 토시바 연료전지시스템의 사양
 

■파나소닉
파나소닉은 동경가스와 공동으로 에너팜 신모델을 개발했다.

신모델은 종합효율 세계 최고로 95.0%(LHV)를 달성했으며, 부품수가 줄어들면서 가격도 크게 떨어졌다.

또한 시스템 부피를 줄이고 기기하부에 배관을 접속하는 구성이 가능하게 했으며 저장탱크에 온수가 떨어졌을 경우에 대비해 온수를 만드는 백업 열원기를 저장 유닛으로부터 분리해 설치성 향상을 도모했다. 아울러 백업 열원기를 다양한 기종으로부터 최적기능을 선택할 수 있도록 개선했다. 발전 출력의 하한선을 낮춰(250W→200W) 전력수요가 낮은 소비자도 사용할 수 있는 사양으로 개선했다는 점이 특징이다.

이와 함께 기술적으로는 스택 내의 백금사용량을 50% 줄임으로써 스택비용을 25% 낮췄다. 또 스택 내부에 있는 수소만을 통과하는 전해질막의 화학적 내구성을 향상시켜 20% 장수명화에도 성공했다.(기존 모델 : 5만시간, 신모델 : 6만시간)

이밖에 연료처리장치에서는 일산화탄소 산화 촉매의 귀금속량을 50% 줄였으며 낮은 온도에서 활성화가 가능한 고활성 개질촉매(수소제조 촉매)를 사용해 저온운전에 의한 장수명화를 실현했다.

또 시뮬레이션에 의한 온도 분포의 최적화를 통해 내구성을 20% 향상시켰다.
 

■오사카가스
오사카가스는 1990년 초 연료전지 연구에 착수해 2000년부터 가정용 연료전지 열병합시스템의 개발을 수행해왔다.

초기에는 PEFC방식의 연료전지를 개발해 2006년부터 대규모 실증국가사업에 참여했다.

이러한 경험을 바탕으로 2009년 3월부터 2012년 3월까지 오사카가스, 교세라, 토요타자동차 등 4사는 SOFC방식의 열병합시스템을 공동개발했다.

SOFC는 PEFC에 비해 개질기와 열회수장치의 간소화에 의해 부품수를 대폭 줄여 약 40%의 소형화를 달성했다.

발전효율향상을 위해서는 연료전지 스택의 온도관리가 상당히 중요하다.

연료전지 스택의 온도를 고온으로 할수록 발전효율은 향상되는데 과도한 고온화는 연료전지 스택의 내구성을 저하시키는 원인이 된다.

2010년 기종에서는 핫 모듈(Hot Module) 내 열관리(단열구조, Hot Module 내 열교환 설계)를 통해 연료전지 스택 내의 열분포를 줄이고, 연료전지 스택 온도의 개선을 통해 발전효율과 내구성을 모두 만족하는 목표온도범위를 달성했다.

SOFC의 경우 전력수요가 300㎾h 정도로 낮은 사이트에서도 충분한 효과를 낼 수 있는 것으로 분석되고 있다.
 

<표3> SOFC시스템 사양(2012년도 모델)
 

日 정부, 보급확대 위해 적극 지원

일본은 2013년 3만대 이상의 가정용 연료전지 보급이 성공적으로 진행됐으며, 양산 및 가격저감에 성공해 상업화를 위한 죽음의 계곡을 넘었다고 보고 있다.

또 본격적인 시장 확대를 위해 정부차원에서 연료전지를 위한 천연가스 가격 안정화, 보조금 제도 등 적극 지원하고 있다.

가정용 연료전지의 경우에는 단독주택뿐만 아니라 공동주택용 연료전지시스템 개발이 완료됐으며 영하 20℃에서도 사용이 가능한 시스템도 개발돼 한국시장 진출을 꾀하고 있다.

차세대 연료전지인 SOFC의 경우 시스템, 소재, 에너지업체가 공동으로 가정용 및 상업용 시스템을 개발하고 있으며 수 천대 규모의 실증시험도 순조롭게 진행 중이다.

시스템부터 부품까지 전 세계를 리드하는 기술력과 지원책으로 우리나라와의 좁혀졌던 기술격차가 다시금 벌어지고 있는 위기상황 속에서 국내 기술개발의 분발이 더욱 요구되고 있다.

그 동안 우리나라는 정부의 지속적인 지원으로 일본에 이어 가정용·상업용 연료전지 분야에서 경쟁력 있는 기술을 보유하고 있고, 또 연료전지분야 중 가장 빠른 상업화가 진행되고 있다.

그러나 소비자의 니즈에 상응하는 다양한 제품군과 가격, 만족도를 높이기 위해서는 아직도 해결해야 할 과제가 많은 것이 사실이다.

우리도 하루 빨리 상업화를 자신할 수 있는 죽음의 계곡을 넘어서기 위해 연료전지제작사와 에너지기업, 연구기관 그리고 국가가 모두 한데 힘을 모아 더욱 노력해야 한다.