전 세계에 시범적으로 설치되었던 고정식 연료전지 발전 플랜트(Stationary Power Fuel Cell Plants)는 5년 전에 이미 150개를 넘어서 발전용량만 해도 40MW로, 이 중 75%(3/4)가 일본에 설치되었고 북미지역에 15% 그리고 유럽지역에 9%가 설치되었다. 일본에 설치되었던 연료전지 플랜트의 용량은 500kW급에서부터 5MW급에 이르는 대용량이었다.
그러나 향후 LP가스의 판매가 유망한 분야는 농촌 또는 교외 주거지나 경공업 및 업무용을 포함한 소용량 발전분야로 기존의 LP가스 소비자들이 그 수요자가 될 것으로 예상된다. 이와 같은 전망은 미국의 프로판 교육·연구위원회(PERC : Propane Education and Research Council)가 LP가스 연료전지 발전시스템의 연구·개발 및 시범사업을 촉진하기 위해 지급한 보조금으로 추진한 일련의 프로젝트에 잘 반영되어 있다.
⼑ 미국의 연구개발·시범사업 현황 :
연료전지 발전기(Fuel Cell Generators)에 대한 LP가스 업계의 높은 관심에도 불구하고 미국에서는 2000년도가 되어서야 농촌의 전력협력회사에 의해 가정용과 경량의 업무용 LP가스 연료전지가 최초로 설치되었다.
그림. H Power 4.5kW RCU 4500 가정용 열병합 장치
동 장치는 미국 콜로라도주의 Montrose에 위치한 Delta-Montrose Electric Association의 본사에 농촌지역 전력협력업체들의 전국 컨소시엄인 Energy Co-Opportunities(ECO)와 협력 하에 설치되었다. 뉴저지주의 Belleville에 설치된 H Power사의 10kW급 시스템이 ECO가 설치할 계획인 일련의 장치들 중 최초의 것이었다. H Power사는 원래 2002년부터 연료전지의 판매 및 설치를 시작한 농촌전기협력 컨소시엄인 ECO사와 12,300대의 연료전지 독점공급계약을 체결했었다. 현재까지 16기가 현장에 설치되었으며 이중 LP가스 연료전지는 2기에 불과하다. ECO사와의 동 독점계약은 후에 비독점계약으로 개정되었다. 2002년 말 H Power사는 Plug Power사에 매각되었고 ECO와의 계약종결문제가 현재까지 협상 중에 있다.
가정용 소형기기의 시험과 관련, IdaTech사는 2000년부터 Bonneville 전력국의 요청에 따라 서북부지역에서 3∼4kW급 가정용 연료전지 110기에 대해 현장시험을 실시해 왔다. 현재 제2세대 연료전지 시스템에 대한 시험이 100세대의 표본 가정에 설치되어 진행중이다.
IdaTech사는 1kW급 PEM 즉 "LP가스 사용가능" 연료전지를 개발하기 위해 최근 PERC 연구 프로젝트에 참가하였다. IdaTech사의 2단 연료프로세서는 99.9%의 순수한 수소를 생산할 수 있음으로 해서 시장에서 요구하는 연료전지의 설계수명을 달성할 수 있게되었다. IdaTech사는 FCS 1200 시스템을 시험중이며 본 기기는 천연가스와 LP가스로 900W의 대체전류를 생산하게 될 것이다. 본 시스템은 Ballard Nexa사의 스택을 사용하여 원격 감시가 가능할 뿐만 아니라 시간당 LP가스 소비량은 0.287리터(0.076갤런)에 불과하다.
Plug Power사는 2001년 뉴욕 롱아일랜드 전력국의 시스템 운영사업자인 KeySpan Energy사에 시험용으로 75기의 천연가스 연료전지를 인도하였다. 동 시스템은 2002년까지 뉴욕의 웨스트 바빌론에서 운영 중이었으며 하절기 폭서기간중 동시에 완전가동에 들어간 바 있다. Plug Power사는 또한 5kW급 가정용 PEM을 2002년 9월에 콜로라도주 덴버의 고급 견본주택에 설치하였다. Plug Power사는 2002년 8월 5kW급 천연가스 연료전지가 당해년도에 생산한 전기는 1MWh 이상이라고 발표하였다. 동 시스템은 3개 국가 7개 주 20개소 이상의 장소에 설치되어 가동되었으며 2002년 말까지 추가로 13기의 시스템이 주문되어 인도될 예정이었다. 미국 국방부의 가정용 연료전지 시범사업(US Department of Defense's Residential Fuel Cell Demonstration Program)에도 15기의 천연가스 연료전지가 채택되어 뉴욕주 워터블리에의 워터블리에 병기창에 설치되었다. 美국방부의 동 사업 책임자인 Mike Binder 박사는 연료전지가 설치된 8개월 동안 병기창의 장교숙소, 제조 및 연구시설에서 신뢰성이 입증되었으며 가용능력의 95%를 꾸준히 초과하였다고 밝혔다. Plug Power사는 Honda 자동차사와 공동으로 가정용 열, 온수, 전기를 생산하는 동시에 자동차용 수소를 공급할 수 있는 가정용 자동차 재충전시스템을 개발하고 있다.
미국 커네티컷주의 덴버리에 위치한 Fuel Cell Energy사는 300kW급, 1.5MW급, 3MW급 등 대용량의 고정식 발전시스템을 개발중이다. 동사가 진행중인 시범사업은 독일의 비엘러펠트 대학 및 론 클리니쿰 병원, 미국의 LA수도전력부 본부 및 오하이오주 카디즈 석탄광산, 일본의 마루베니사, 미국 알라바마주 투스카루사의 메르세더스 벤쯔 생산공장 등지에서 실시중이지만 이중 LP가스를 사용하는 경우는 없다.
미국 커네티컷주의 사우스 윈저에 위치한 UTC Fuel Cell사가 개발한 200kW급 PC 25는 시장에서 가장 오래된 기술인 인산형 연료전지(PAFC)로 LP가스로 가동할 수 있지만 현재로서는 그렇게 하지 않고 있다. UTC사의 대변인에 의하면, 초창기에 이들 기기들에서 발생했던 문제점들은 해결되었다. UTC사는 각각 유럽과 일본 2개 장소에서 HD-5 사양의 LP가스를 사용하여 1차 전력 공급용으로 5kW급 연료전지를 가동하여 주로 난방용으로 사용하고 있다. 동사는 금년 중으로 새로운 기기를 채용한 차세대 프로그램을 계획중이며 모양은 난로와 같이 세워진 형태로 배관에 연결하거나 독립형으로 사용이 가능하도록 할 계획이다. LP가스 연료전지에서는 연료의 품질이 가장 큰 문제인 것으로 알려졌다. Ballard, Hydrogenics, Siemens-Westinghou사 등 주요 연료전지 개발회사들은 연료전지의 연료로써 LP가스의 가능성을 크게 보고있지 않은 것으로 알려졌다. 미국의 에너지부는 수소연료개발프로그램을 지원하고 있지만 특별한 LP가스 프로그램을 가지고 있지는 않다.
자동차와 관련, 자동차제조업체, 에너지회사, 연료전지기술회사 그리고 정부기관들이 공동 설립한 California Fuel Cell Partnership사는 일상적인 운행 조건하에서 약 50대의 연료전지차량을 시범운행하면서 동시에 연료 충전문제 등을 검토하고 있다. 남캘리포니아의 SunLine Transit Agency와 라스베가스에서도 소규모 시범프로젝트가 진행중이다.
⼑ 일본의 연구개발·시범사업 현황
일본의 경제산업성(METI)은 지난 1981년부터 17년 동안 644억 엔을 투입하면서 일본의 연료전지 개발을 지원해 왔다. 이러한 지원은 최근까지도 용융탄산염(MCFC) 및 고체산화물(SOFC)에 초점이 맞추어져 있었다. 2002년도에 일본은 연료전지 연구개발 예산을 147억 엔에서 273억 엔으로 거의 2배 인상하고 고분자전해질형 연료전지(PEFC) 개발을 위한 대규모 프로그램을 신설했다.
일본 정부는 용융탄산염연료전지 개발을 위해 3개의 회사를 지원했다. 이시카와지마-하리마 중공업과 히타치사는 250kW급 스택을 개발하고 4개를 결합하여 파일럿 플랜트용으로 1MW급 사양을 만들었다. 카와고에에 설치한 동 플랜트는 1999년 7월에 시험운전을 시작하여 2000년 1월 5,000시간을 가동한 뒤 운전을 중단하였다. 이후 압축식 300kW급 연료전지 개발에 초점이 맞추어졌으며 2004년 3월까지 750kW급 시스템을 개발하고 연이어 상용화를 시작할 예정이다. 2002년의 예산은 21억 엔이었다. 일본은 1989년부터 후지전기, 미쓰비시 중공업, 미쓰이 엔지니어링 및 조선, 무라타 제조, 일본제철, 산요전기, 토토 등 최소한 7개 제조업체, 2개의 발전회사 그리고 3개의 가스회사들의 연구개발 사업을 지원해 왔다. 일본정부는 관형보다는 고전력밀도 잠재력이 높은 평면형 설계에 중점을 두었다. 일본 국립 재료화학연구소는 습식(Wet Processing) 처리기술을 개발하여 생산비용을 크게 낮출 수 있을 것으로 예상된다. 동 사업을 위한 2002년도 예산은 19억 엔이었다.
일본 정부는 PEM 연료전지와 부품을 활발하게 개발해 온 5개의 회사를 지원하였다. 산요는 2kW급 스택을 개발해 왔으며 도시바와 미쓰비시 전기는 각각 10kW급 및 30kW급 스택개발을 완료중이다. 아사히 화학과 아사히 유리는 고분자 멤브레인과 분리판를 포함한 부품을 개발해 왔다. 2002년 일본 정부는 이들의 개발을 위해 전보다 4배가 많은 1억 5,600만 달러의 예산을 책정하였다.
일본석유가스사와 도시바는 병원에 200kW급 인산형 연료전지(PAFC) ONSI 250을 설치하였다. 실제로 이것이 세계 최대 그리고 최초의 LP가스 연료전지라고 할 수 있다. H Power사도 일본의 판촉 제휴회사인 미쓰이와 간사이의 오사카 가스사와 공동으로 일본에서 500kW급 가정용시스템을 시험중이다. 250W급 출력도 가능한 동 시스템은 1차 전력과 온수 공급이 가능하고 로드 폴로윙(load-following) 모드로도 작동이 가능하다. 동 시스템은 또한 배관망에 연결되며 자동으로 가동 및 중단이 가능하다.
그림. Ballard 1kW 2nd Generation
오사카가스는 뱅쿠버의 Ballard Power System사 및 일본 에바라사의 합작사인 Ebara Ballard사와 공동으로 가정용 시장을 위해 1kW급 고정식 PEM 열병합발전시스템을 개발중이다. 동 시스템은 천연가스로 가동되며 배관망에 연결시킬 수 있도록 설계되어 첨두부하시 가정용 보조전력용으로 사용될 전망이다. 동 시스템은 일본 가정의 전통적인 수요인 전기, 난방 그리고 온수공급을 목적으로 한 것이다. Ebara Ballard사는 2002년 1월 광범위한 현장시험을 실시한 후에 원래의 모델을 상당히 개선한 2세대 1kW급 시제품을 선보였다. 2세대 제품의 교류전력 총효율은 34%에 달하며 부피는 40%가 감소하고 열 회수효율은 기존의 43%에서 47%로 높임으로써 총효율은 81%에 달한다. 이들 제품의 상용화 시점은 알려지지 않은 가운데 시범사업과 개발이 계속되고 있다.
⼑ 유럽의 연구개발·시범사업 현황
유럽위원회(EC)는 1970년대 중반부터 연료전지의 연구개발을 지원해 왔다. 유럽위원회 내의 전체 연료전지 예산은 2001년 현재 6,150만 유러로 2002년에는 2배가 될 것으로 예상되었다. 유럽위원회는 1994년부터 2000년까지 35개의 관련 프로젝트를 위해 5,530만 유러를 배정했었다. 이중 수소연료 또는 메탄올연료자동차를 위한 PEM전해질 멤브레인형 연료전지 개발에 가장 많은 지원이 제공되었다. 독일 베를린에서는 250kW급 고정식 PEM연료전지 시범사업이 추진되었다.
유럽위원회는 또한 고체산화물 연료전지사업에 920만 유러 그리고 용융탄산염 연료전지기술에 880만 유러를 제공하였다. 이러한 노력들의 주요 목표는 내구성 향상과 비용감소였다. 연료전지 개발사업의 주요 참가자들로는 평면 고체산화물 연료전지에 덴마크의 Riso National Laboratory, 네덜란드의 ECN, 그리고 용융탄산염 연료전지에 이태리의 Ansaldo Richerche와 독일의 Motorem und Turbinen Friedrichshafen을 들 수 있다.
1999년부터 2002년까지 추진된 10개의 프로젝트 중 대부분은 자동차용 연료전지 개발과 관련되어 있다. 그러나 고체산화물 연료전지의 개발에는 10kW급 다기능 평판 SOFC 모듈 스택의 개발도 포함되어 있었으며 이에는 영국의 임페리얼 대학교, 롤스로이스사, 프랑스가스공사, 덴마크의 리소국립연구소가 참여하였다. 5kW급 평판 SOFC 스택의 시범사업에는 영국의 알스트롬사와 독일의 Forschungszentrum Julich사가 참여하였다. 유럽의 연료전지 연구개발 및 시범사업전략은 1998년 비공식적으로 채택되었으며 2005년까지의 활동을 지원하게 되었다.
프랑스의 원자력에너지위원회는 고정식 발전, 수송 그리고 이동식 연료전지의 연구개발 및 시범사업을 실시하고 있다. 현재까지의 중점사업은 PEM연료전지와 고체산화물 연료전지분야이다.
핀란드의 Wartsila Corp와 덴마크의 Haldor Topsρe사는 2002년 8월 전력공급과 선박용으로 200kW급 이상의 출력을 내는 연료전지 제품개발을 위해 전략적으로 제휴한다고 발표하였다. 핀란드의 Wartsila Corp는 발전소 건설분야의 경험이 풍부하고 선상 전력공급과 선박의 통합 추진시스템분야, 그리고 1∼300MW급 발전소분야에서 세계의 선두기업이다. 덴마크의 Haldor Topsρe사는 화학회사로 연료전지와 리포머 개발분야에서 5년의 경력을 가지고 있다.
스위스의 Global Thermoelectric사, Fuel Cell Technologies사 그리고 Sulzer-Hexis사는 고체산화형 연료전지 개발회사들로 소형의 업무용 및 가정용 시험제품을 개발하고 있다.
그림. Sulzer-Hexis 1kW SOFC
Sulzer-Hexis사는 이미 독일, 오스트리아, 스위스 등지의 여러 도시에 400기의 연료전지를 배치했으며 2004∼2005년 사이에 1kW의 전력과 2.5kW의 열에너지를 생산하는 상용제품을 내놓을 계획이다. 미국의 Plug Power사와 유럽 최대의 난방기기 제조업체인 Joh.Valliant GmbH사는 독일의 다세대 주택에 유럽의 전력기준에 맞는 연료전지를 설치하였다. H Power사는 핀란드의 태양전지시스템 제조회사인 Nap Systems Oy사에 4kW급 열병합발전 연료전지시스템을 인도하였으며 동 기기는 열과 전기를 공급하는 지속가능한 에너지시스템의 시범사업으로 스웨덴의 환경정보센터(Environment Information Centre)에 설치되었다. 동 시스템에 공급되는 수소는 전해조(槽)를 결합한 태양광전지 시스템과 매립지의 생물가스가 리포머를 통과해 공급된다. 동 시스템에서 생산된 잉여전력은 현지 전력망에 공급된다.
⼑ 캐나다의 연구개발·시범사업 현황
캐나다의 Global Thermoelectric사는 소위 "복잡하고 고가의 연료처리과정"이 필요 없으며 LP가스를 사용할 수 있는 고체산화형 연료전지(SOFC)를 개발중이다. Global사는 온타리오주 Whitby에서 10기의 가정용 연료전지를 시범운영중이다. 동 시범사업 결과 가정부문 시장에서는 제품의 내구성이 가장 중요한 문제로 대두되었으며 현재 가능한 최대 운전시간은 15,000시간(625일)이다. 시범사업에 투입된 연료전지의 목표효율은 31%이었으나 실제로 27%를 달성하였다. Global사는 2003년까지 LP가스 연료처리기 개발을 위해 PERC로부터 50만 달러를 지원받았다.
Fuel Cell Technology사는 금년에 5kW급 LP가스용 고체산화형 연료전지의 현장시험을 실시할 예정이다. 동사는 Siemens-Westinghouse Power Corporation과 제휴 하에 캐나다 왕립사관학교의 과학팀과 공동으로 LP가스를 포함한 첨단 액체탄화수소연료 리포밍기술을 개발중이다. 캐나다는 과거 20년 간 연료전지 개발에 655만 유러를 투입해 왔으나 1999년부터 재원을 크게 늘렸다. 2001년 한해에만도 약 398만 유러를 책정하였다. 1980년대 중반부터 캐나다 국방부는 1960년대에 미국의 우주프로그램이 개발한 고분자전해질형 연료전지기술에 대한 권리를 획득하였다. 이후 캐나다 Ballard사는 동 기술을 향상시키고 상용화를 위해 전략적 제휴망을 구축하고 있다. 다임러 크라이슬러와 포드자동차사는 동 사에 총 6억 1,450만 유러를 투자했으며 향후 4년간 10억 유러 이상을 투자하기로 약속하고 있다. 2002년 12월 이들 제휴회사들은 연료전지 엔진 개발을 위해 추가로 9,700만 달러를 투자하기로 합의하였다.
Ballard사는 또한 원래 Caltech의 제트추진연구소와 남가주대학의 Locker Hydrocarbon Research Institute가 개발했던 다이렉트 메탄올 연료전지(DMFC : Direct Methanol Fuel Cell)를 개발하는데 열중하고 있다. DMFC에 대한 지적재산권은 개발업체인 DTI Energy사가 보유하고 있으나 Ballard사는 전세계 판매를 위한 비독점 라이선스를 가지고 있다.
Ballard사는 자사의 PEM 연료전지제품이 5년 내에 상용화 될 것으로 보고 있다. Ballard사의 연료전지 버스엔진은 2002년부터 생산될 예정이었으며 연료전지 발전장치는 2003년과 2005년 사이에 개발할 계획이다. 최초의 250kW급 고정식 발전장치는 현재 3년째 시험 및 시범운전중이며 2004년 이후에 과정이 완결될 전망이다.
온타리오주의 Hydrogenics사는 각각 100W∼1kW, 1kW∼5kW급 소형 연료전지 발전기 2종을 시판하고 있다. Palcan Fuel Cells Ltd.사는 PEM 연료전지 스택을 상용화할 계획이며 이태리의 Celco Profil사와 제휴하에 전기 스쿠터를 시범운행중이다.
⼑ 호주의 연구개발·시범사업 현황
호주의 Ceramic Fuel Cell사는 1992년 공익사업체, 자원회사, 정부기관들이 결성한 컨소시엄으로 최근 1.5kW급 PCFC의 시범사업을 성공적으로 끝냈다. 그 결과 호주 산업과학자원부는 100kW급 PSOFC시스템의 개발을 위해 동 컨소시엄에 2,770만 호주달러를 지원하였다.