[e테크]연료전지-꿈의 클린에너지 연료전지 `시동`

△적은 오염물질 배출

　연료전지의 배출물은 산소와 수소 반응의 결과물인 수증기를 제외하고는 없기 때문에 연소 기반의 전기 발생 장치에 비해 극히 적다. 연료전지내의 탄화수소 연료로부터 수소를 생산하기 위한 연료 처리장치(또는 내부 연료 재형성 장치)를 포함하는 연료전지 시스템은 보통 연소기반 기술에 비해 전기생산 단위당 오염물질 방출량이 많아야 10분의 1에 불과하다.

　연료 처리장치는 연료 흐름의 일부만을 연소시키지만 잘 제어된 연소 조건과 이후의 연료 처리 단계가 NOx, 미립자, 타지 않은 탄화수소 등과 같은 물질의 배출을 크게 낮춰준다. 연료전지는 탄화수소 연료의 탈황을 요구하기 때문에 SO₂ 방출은 극히 적다. 따라서 사용자가 당국의 오염물질 배출 규제를 맞출 수 있게 해줄 뿐 아니라 부지 확보, 공공관계, 배출물 통제 장비 확보 등의 문제를 해결해준다.

　일례로 연료 처리장치 탑재 연료전지 차량은 캘리포니아 규제당국의 무공해차량(ZEV)과 동일한 자격을 갖게 될 것으로 보인다. 이에 따라 연료전지 차량은 2003년부터 자동차 업체에 부과되는 무공해차량 판매 할당량 명령을 맞추기 위해 개발되고 있는 배터리 전기차량의 대안이 될 것이다.

△높은 전기적 효율성

　천연가스 연료전지를 운영하면 저온 연료전지일 경우 40%, 고온 연료전지일 경우 60% 정도 전기적 효율성을 얻을 수 있다. 이보다 약간 높은 효율성을 얻는 것도 가능하지만 상용 제품은 효율성보다는 가격대 성능을 최대화하기 위해 설계된다. 저온 연료전지는 수소 연료를 사용해 최대 50%의 효율성을 올릴 수 있다.

　폐열발전의 경우 부산물로 나오는 열을 사용해 에너지 효율성을 높일 수 있다. 전통적인 폐열발전 시스템은 이와 비슷한 효율성을 제공한다. 그러나 연료전지는 이에 비해 높은 비율의 고부가 전기 에너지를 생산한다.

　물론 복합사이클 설비의 경우 효율성이 현재 55%며 곧 60% 정도가 가능할 것으로 예상되는 등 연소 터빈과 증기 터빈 기술도 연료전지의 효율성에 도전하고 있다. 그러나 연료전지는 2가지 다른 장점을 제공한다.

　첫째, 비록 작은 규모의 연료전지 장치라도 효율성이 높다. 이에 반해 전통적인 연소 설비는 발생 용량이 줄어들수록 효율성이 크게 떨어진다. 둘째, 연료전지는 부분적인 부하에도 높은 효율성을 제공한다.

　이에 따라 여러 연료전지 개발자들이 변종 FC/CT(Fuel Cell/Combustion Turbines, 연료전지/연소터빈) 또는 FC/CC(Fuel Cell/Combined Cycle) 전력 설비를 제안한다. 이런 설비는 터빈과 연료전지 기술의 이점을 공유한다. 변종 설비는 단독형 연료전지 설비에 비해 높은 전기적 효율성과 낮은 ㎾당 제조단가를 갖는다. 개발자들은 예비적인 변종 설계가 60∼73%의 효율성을 갖도록 설계된다고 말한다. 변종 SOFC/CT(Solid Oxide Fuel Cell/Combustion Turbines)시스템의 첫 실험은 99년에 있었다. 현재 이론상으로 가능한 울트라연료전지 개념은 단독형으로 70%의 효율성을 낼 수 있지만 가스터빈과 혼합 운영될 때 80%란 믿을 수 없는 효율이 가능하다.

△모듈식 건설

　제조업체들은 개별 전지를 스택으로 그룹을 만들거나 ㎽에서 ㎿ 출력의 스택을 조립할 수 있다. 모듈 유닛의 대량 생산은 생산 단가를 낮춰주고 허가 과정, 설치, 유지 등을 단순화해준다. 사용자는 필요가 늘어날 때마다 연료전지를 조금씩 늘릴 수 있다. 또 모듈 유닛은 사용자가 현장의 공간, 연료 공급, 배출 기준 등과 같은 제한을 충족시키면서도 전기 출력을 최대화할 수 있도록 해준다. 작은 연료전지 설비는 특히 매력적이다. 연소기술은 몇 ㎾에서 몇 ㎿의 현장 또는 분산 발전설비에 적용하기 불가능하거나 비실용적이다. 다중 연료전지 모듈은 극히 신뢰성 있는 전력의 원천을 제공한다.

△빠른 승인과 건설기간

　연료전지의 모듈적 성질과 적은 환경오염은 전력 설비 계획의 지연, 승인, 건설 등을 최소화해 비용을 줄이는 데 도움을 준다. 여러 환경 당국은 연료전지 시스템에 대해 특정한 허가 과정을 완전 면제해준다. 연료전지에 대한 높은 자본 투자 비용은 승인 축소와 건설기간의 축소를 중요한 요소로 부각시킨다. 일반적으로 공공의 환경오염과 건강에 대한 우려는 각종 설비의 승인 과정을 오래 걸리도록 만든다. 일례로 미국의 핵설비는 완공되고 운영권을 얻는 데 총 10년 이상이 걸린다.

△부하 변화에 대한 빠른 반응

　고정 연료전지 설비는 어느 정도의 부하 변화를 허용할 정도로 빠르게 반응한다. 또 연료전지 엔진은 수송수단용 응용제품의 일시 반응 요구를 맞출 수 있을 것이다. 물론 일부 전문가들은 배터리가 일시 전력 수요를 처리하는 데 필요하다고 믿고 있다.

　전지는 반응물을 공급해야 하기 때문에 일반적으로 저온 연료전지의 반응시간은 제한을 받는다. 고정 PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)의 초기 버전은 출력을 정격전력으로 25%에서 100%까지 15초 이내에 증가할 수 있었다. 최근에는 250㎾ 메탄올 연료 PAFC 버스 엔진은 정격 전력을 초당 10% 늘릴 수 있다. 일부 고온 연료전지는 적당한 온도 분배를 유지하기 위해 일시 반응률을 제한해야만 한다.

△다양한 범위의 연료 선택

　연료전지는 직접 수소를 사용할 수 있으며 적당한 촉매 또는 연료처리 장치를 이용해 각종 액체 또는 가스화된 탄화수소 등으로 운영할 수도 있다. 천연가스, 메탄올, 수소 등은 주요 연료전지의 연료다. 연구자들은 또한 연료전지 시스템이 액화석유가스, 프로판, 가스화된 석탄, 등유, 디젤 연료, 나프타, 휘발유, 매립지 가스, 폐수 처리 가스, 기화 생물자원 등에서 운영될 수 있음을 시연해 보였고 이를 이용해 전지도 만들어냈다. 재형성기(reformer)를 여러 다른 형태의 연료를 전환하도록 설계할 수 있다. 일부 산업 공정은 부산물 가스를 만들어낸다. 여기에는 수소가 포함되며 이는 연료전지의 연료로 사용될 수 있다. MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)과 SOFC 같은 고온 연료전지는 저황천연가스를 외부 재처리시스템 없이도 사용할 수 있다.

△빠른 운영

　연료전지는 움직이는 부품이 거의 없기 때문에 비교적 빠르고 도시 거주 지역의 전통적인 전력설비보다 바람직하다. 저소음 운영 설비, 운송수단(특히 도시 지역의 경우), 군 응용 설비 등에 유리하다. 이밖에 연료전지는 공기로 냉각되기 때문에 냉각수를 위한 설비를 필요로 하지 않는다.

　

<정리=온기홍기자 khohn@etnews.co.kr>