가정용 연료전지 개발 현황
가정용 연료전지 개발 현황
  • 조은성 경동나비엔 기술연구소 박사
  • 승인 2008.08.06
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BOP부품 국산화 공동연구 진행
▲ 조은성 경동나비엔 기술연구소 박사
산업이 발전하고 이에 따라 에너지소비가 증대되는 가운데 최근의 유가 급등에 따라 새로운 대체에너지에 대한 요구가 점점 더 높아지고 있다.

또한 에너지 생성의 주요 방법인 연소현상에서 발생하는 CO, SOx, NOx 등의 공해물질 및 지구 온난화의 주원인이 되는 CO₂배출이 증가하고 있다.

따라서 연료절감을 위한 신연소방법에 의한 효율 향상과 저공해 실현을 위한 시스템 개발에 대한 관심이 높아지고 있다.

가정용 연료전지 시스템은 기존의 분산발전 전력원으로 쓰였던 마이크로 가스터빈, 가스엔진, 스터어링엔진, 디젤엔진 등과 더불어 최근에 상용화하기 위해 많은 개발이 이뤄지고 있는 시스템으로, 수소와 산소의 전기화학반응을 이용해 생산된 전기 및 이때 발생되는 열을 회수해 온수와 난방을 공급하는 고효율, 청정 에너지 시스템을 말한다.

전기화학반응에 의해 전기를 생산하기 때문에 NOx, SOx, 분진발생이 거의 없으며 기존의 발전설비와 보일러 대비 40% 정도의 CO₂저감효과가 있어 환경을 보호한다.


또한 기존의 분산발전과 같이 발전소로부터 가정까지의 송전 손실 없이 자가발전으로 전기를 발생함으로써 전기발생 효율을 높일 수 있고(발전효율 35% 이상) 부수적으로 발생되는 폐열을 이용함으로써 전체시스템의 효율을 80% 이상 얻을 수 있어 기존의 발전설비 대비 20% 이상의 에너지절감 효과가 있다. 전기 공급중단, 즉 정전에 의한 손실을 최소화할 수 있으므로 현대 산업화 사회의 필수 발전시스템이라고 할 수 있다.

가정용 연료전지 시스템은 △LNG 등 연료를 수소로 전환시켜주는 연료변환장치(Fuel processor, Reformer) △수소를 이용해 공기의 산소와 반응해 전기를 발생시키는 스택 (Stack) △스택의 DC 전원을 AC로 변환시켜주는 인버터 (Inverter) △전기발생 시 발생하는 열을 회수해 저장하고 온수, 난방시 보일러를 운전해 축열조의 에너지를 이용하도록 하는 열 저장 시스템으로 구성된다.

또한 전체 시스템 내부에는 연료, 공기, 물 등을 조절해 공급하는 펌프, 송풍기와 열 회수를 위한 열교환기 등이 필요한데 이를 주변장치(BOP, Balance of Plants) 라고 한다.

콘덴싱보일러 연동…열효율 극대화

가정연 연료전지 시스템 개발은 유럽, 미국, 일본 등 선진 각 국에서 자체적으로 많은 연구를 수행하고 있는데 이중 가장 가정용으로 상업화에 가까운 기술을 보유하고 있는 나라는 일본이다. 대규모 실증사업을 통해 2008년 현재 일본전역에 2,200기 이상의 시스템이 가동되고 있다.

아직까지 높은 가격으로 인해 실제 상용화 단계는 진입하지 못하고 있으나 최근 기사를 보면 마쓰시타의 경우 양산공장을 설립해 6월부터 양산을 시작해 2009년부터는 일반판매 실시를 예정하고 있으며 2010년 수 천대, 2015년 수 만대 수준의 양산에 의해 가격이 저감된 제품을 쉽게 구입할 수 있을 것으로 생각된다.


국내 가정용 연료전지 개발 현황은 국가지원의 모니터링 사업을 통해 2006년 이후 보급이 시작됐는데 이 사업은 시스템에 대한 단계별 국산화를 요구해 최종 2009년 80%의 국산화율을 달성해 관련부품 산업이 육성되고 활성화될 것으로 예상하고 있다.

현재 주도적으로 기술개발을 하고 있는 업체는 GS퓨얼셀과 퓨얼셀파워로 보급량을 양분하고 있으며 효성중공업이 2008년부터 사업에 참여했다.

국내 시장규모는 모니터링 사업을 통해 2006년 40기, 2007년 70기, 2008년 100기를 보급할 예정으로 2009년까지 총 210기가 운영될 예정이다. 대당 각각 가격은 1억3,000만원, 1억원, 8,000만원으로 설정돼 있고 정부에 의해 보조를 받고 있다.

‘신재생에너지 RD&D 전략 2030 수소연료전지편’을 통해 이후의 생산량을 예측해 보면 아래 도표 및 그래프와 같이 지속적인 증가가 예측돼 대당 가격도 급격히 떨어질 것으로 예상되고 있다.


2012년 1만대 보급사업을 통해 가격 1,000만원 수준을 유지하고 2015년 10만대 보급사업을 통해 500만원 정도의 가격대를 이룰 것이라는 전망이다. 가정용 연료전지 시스템의 경제성은 제품 가격에 매우 민감하게 반응하며 제품가격이 500만원 이하로 떨어질 때까지는 보조금 또는 발전차액/가스요금 인하와 같은 지속적으로 제도적인 정부 지원책이 필수적이다.

신재생E RD&D 전략 2030

이러한 전기와 열을 함께 사용할 수 있는 연료전지 코젠시스템은 가정에서 분산발전 시스템으로 계속적으로 보급이 확대돼 보일러와 더불어 병행할 필수 가전제품이 될 가능성이 높다고 생각된다.

이에 가정용 보일러분야의 축적된 기술을 보유하고 있는 경동나비엔은 연료전지 코젠시스템에 대해 관심을 가지고 연구하고 있다.

또한 보일러 구성 부품과 기능적 유사성이 있는 BOP 분야의 경쟁력을 확보하기 위해 기반 기술 연구를 수행하고 있다.

㈜경동나비엔이 가정용 연료전지관련 업무를 본격적으로 수행하게 된 계기는 2006년 7월 GS퓨얼셀과의 열저장시스템 공동연구를 수행함으로써 시작됐다.

연구개요는 1kW급 가정용 연료전지 폐열회수용 열저장시스템을 국내 최고효율의 콘덴싱보일러와 연동하도록 함으로써 열 이용 효율을 극대화하는 제품을 개발해 모니터링 사업에 공급하는 것이다. 이와 더불어 상용화에 걸림돌이 되는 BOP 부품의 국산화를 위해 공동연구하기로 했다.


2007년 4월 1차 시작품 매칭 테스트를 했으며 2~3차의 시제품 제작을 거쳐 2008년 1월 2차년도 모니터링 사업에 열저장장치를 납품하면서 GS퓨얼셀과의 공동 개발이란 소정의 결과를 얻었다. 이후 BOP 개발을 본격화하기 위한 노력을 기울이고 있다.

경동나비엔은 자회사인 경동에버런을 통해 가정용 보일러의 송풍기, 순환펌프, 유량센서 등을 자체 제작하고 있다.

향후 가정용 연료전지 시스템의 상용화 보급을 위해서는 경동나비엔과 같이 부품 및 제품의 국산화 경험을 보유한 업체의 적극적 참여가 필수적이라 생각된다.

지구온난화 및 고유가 시대를 극복할 유력한 기술적 대안으로 떠오르고 있는 가정용 연료전지 시스템의 상용화라는 사대적 과제에 부응하기 위해 ㈜경동나비엔은 지속적으로 기술개발에 노력을 기울일 예정이다.

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