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고체전해질 소재기술(2)-제3장 연료전지용 소재기술-신소재경제신문·재료연구소 공동기획 소재기술백서 2016(23)
재료연구소가 발행한 ‘소재기술백서’는 해당분야 전문가가 참여해 소재 정보를 체계적으로 정리한 국내 유일의 소재기술백서다. 지난 2009년부터 시작해 총 8번째 발간된 이번 백서의 주제는 ‘기후변화대응 소재’다. 태양전지, 풍력발전, 연료전지, 에너지효율화 및 경량화, 수소생산 및 이산화탄소 전환, 공기정화 및 수처리 등으로 나눠 각 분야별로 가치 있고 다양한 정보를 담았다. 이에 본지는 재료연구소와 공동기획으로 ‘소재기술백서 2016’을 연재한다.

연료전지 성공 국가주도 연구에 달렸다


■ 발전용 고체산화물 연료전지 시스템 개발 및 실증 연구

1) 국내 동향

고체산화물 연료전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌은 장기 운전시의 성능 열화 현상에 의한 신뢰성 저하 문제라 볼 수 있다. 국내외 많은 회사 및 연구기관들이 이를 해결하기 위해 연구 역량을 집중하고 있는 상황이다. 국내 시스템 개발 업체 및 연구 개발 현황으로 ㈜포스코 에너지는 RIST를 통해 자체개발한 평판형 SOFC 스택을 이용하여 10kW급 시스템을 개발 중이며, SK E&S, SK 이노베이션의 경우 덴마크 Topsoe사의 스택 기술을 도입하여, 1kW 및 10kW 시스템을 개발하였으나 현재 중단된 상태이다. 또한, 경동나비엔과 미코를 중심으로 셀 및 스택 제조기술과 BOP 기술을 포함한 1kW급 가정용 시스템을 개발 중이다. LG의 경우 영국 Rolls-Royce사의 셀/스택 기술을 인수하여 LG 퓨얼셀 시스템즈라는 법인을 미국에 설립 후 2017년을 목표로 연료전지 상용화 작업을 벌이고 있다. LG화학에서도 독자적으로 평판형 셀 기반의 저온 구동형 시스템을 개발하고 있다. 연구기관으로는 한국과학기술연구원(KIST)과 한국에너지기술연구원(KIER)을 중심으로 여러 대학들이 컨소시엄을 만들어 1kW급 발전시스템과 휴대용 -SOFC 등 및 관련 요소 기술들을 꾸준히 개발 중이다.

2) 해외 동향

해외 개발 현황을 살펴보면 미국, 일본, 영국, 독일, 스위스, 호주 등 많은 나라들은 DOE, NEDO, EPRI, GRI 등과 같은 각 국가별 별도 기구를 만들어 유럽을 제외하고 국가주도하에 산·학·연의 공동연구체계로 기술개발을 진행하고 있으며, 유럽은 여러 국가가 통합된 주제로 공동 수행하는 형태로 진행 중이다.

가. 미국

셰일 가스의 등장으로 인한 가스 가격의 하락으로 연료전지의 경쟁력이 향상될 것으로 예상되어 북미 도시가스 업계에서는 고체산화물 연료전지를 사업 확장의 기회로 보고 있다. 더불어 5~10년 후에는 산업계를 장밋빛으로 전망하고 있다. 그러나 아직까지는 높은 설치 가격과 경제성 부족으로 인해 보급이 원활하지 않다. 미국에서는 DOE를 중심으로 연료전지 기술 연구개발 프로그램(SECA, Solid State Energy Conversion Alliance)에 꾸준한 투자가 진행되었다. 2007년에는 고체산화물 연료전지 분야에 투자된 예산이 6천만 달러에 이르렀으나, 2012년 이후 하락세를 보여 현재 2천 5백만 달러 수준의 투자가 이루어지고 있다. 또한, 양극재 개발 및 신뢰성 확보 문제와 탄화수소계 가스연료 사용이 가능한 셀 제조기술 개발 등에 주요 연구 역량이 집중되어 있다. 업계에서는 Bloom Energy사가 상용화를 주도하고 있으며 100kW 이상 공급 가능한 시스템의 보급 실적을 꾸준히 보고하고 있다. 최근 미국 토랜스(Torrance) 시에 있는 Honda Motor 건물에 200kW급의 SOFC 시스템을 설치하였으며, 이는 약 32,000평 단지에서 필요한 전력의 25%를 공급할 수 있을 것으로 예상된다(미국 기준 750개 가정에서 사용할 수 있는 양).

나. 일본

일본은 누적 10만대 이상의 가정용 연료전지 에너팜(Ene-farm) 보급에 성공해 연료전지 산업화가 본격적으로 진행 중이다. 고체산화물 연료전지 기술개발은 1980년대부터 국가 프로젝트가 시작돼 2011년 최대 700W급의 발전이 가능한 가정용 연료전지 시스템이 JX Nippon Oil & Energy와 Kyocera에 의해 실용화되어 높은 발전효율이 실증됐다. 본격적인 보급을 위해 비용 저감, 내구성 확립을 목표로 연구 개발과 수백 kW급의 중용량 시스템의 기술개발이 계속 진행 중이다. 또한, 신에너지 산업기술 종합개발기구(NEDO)를 중심으로 고체산화물 연료전지의 실용화를 가속화하기 위해 2013년부터 고체산화물 연료전지 실용화 추진기술개발 프로젝트를 추진하고 있다. 이 프로젝트는 SOFC의 내구성 평가방법에 관한 기초연구, SOFC를 사용한 업무용 시스템의 실용화기술 실증, SOFC를 이용한 사업용 발전시스템의 요소기술 개발, 차세대 기술개발 4가지 분야를 주제로 이뤄진다.


美·日·英·獨 등 연료전지 선진국 국가 기구 구성

韓 대학 컨소시엄·기업 독자개발 기술 발전 늦어



다. 유럽

유럽은 그동안 꾸준히 이산화탄소 배출 규제를 강화해 왔다. 특히 자동차의 이산화탄소 배출량을 연 5%씩 줄여야 하는데, 2050년에는 1km 주행당 10g 수준으로 낮춰야 한다. 현재 내연기관은 1km 주행당 90g 이상의 이산화탄소가 나오므로, 이 목표를 달성하기 위해서는 화석연료 내연기관은 사용하지 못할 가능성이 높다. 발전용 연료전지 관련으로는 유럽 내 11개국에 걸쳐 가정용 연료전지 열병합시스템 1,000대를 보급하는 에너필드(ene.field) 프로젝트를 전개하고 있다. 이 프로젝트는 30개 이상의 전력회사, 건축회사, 지자체가 참여해 시장에 제품을 내놓고 다양한 비즈니스 모델을 조사하게 된다. 가정용 연료전지 열병합시스템을 통해 천연가스로 열과 전기라는 에너지를 생산하는데, 45% 이상의 전기효율과 95% 이상의 시스템 전체 효율을 목표로 하고 있다. Bosch Thermotechnology는 에너필드에 70대의 시스템을 공급할 예정이며 일본 AISIN의 SOFC 시스템 기술을 수입하여 가정용 시스템을 유럽에 설치할 것이라고 발표하였다.
연구 개발 부문에서는 7th Framework program으로 SOFCLife라는 컨소시엄의 신뢰성 확보를 위한 프로그램을 2013년까지 진행하였다. TOFC, HTCeramics, EDF, HEXIS 등의 업체와 DTU-EC, VTT, CEA, FZ Juelich, IHTE, EPFL, EMPA, ZHAW, Imperial College 등의 연구기관이 참여하였다. 이들의 연구는 연료극/전해질과 공기극/전해질 계면 반응 및 열화 현상을 연구하고 규명하여 이를 모델링하고 스택에 적용하는 것을 목적으로 진행되었다. 고신뢰성 차세대 고체산화물 연료전지 개발 사업으로 RAMSES(Robust Advanced Materials for Metal Support SOFC)라 명명된 금속지지형 고체산화물 연료전지 프로젝트가 진행되었으며, SOFC 관련 소재 및 시스템을 연구하는 EVOLVE 프로젝트가 현재 진행 중이다.

■ 휴대용 고체산화물연료전지 시스템 및 차세대 전해질 기술 개발 연구

1) 국내 동향

고체산화물 연료전지의 상용화를 위해서는 성능 향상, 제조비용 절감 등도 중요하지만, 무엇보다 장기 구동 시 신뢰성 확보가 큰 이슈이다. 고체산화물 연료전지의 신뢰성 문제는 소재나 운전 환경 등 여러 요소가 복합적으로 고려되어야 하나, 고온에서의 소재 안정성 문제가 근본적인 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한, 모바일 환경에서의 기동 시간 단축 등 여러 이유로 고체산화물 연료전지를 저온에서 작동시키기 위한 연구는 꾸준히 계속되어 왔다. 고체산화물 연료전지의 작동온도를 결정짓는 가장 큰 요소는 역시 전해질 물질의 이온전도도이며, 이를 해결하기 위한 연구방향은 크게 전해질 두께를 박막화시켜 전체 저항을 줄이는 방법과 전해질 자체의 이온전도도가 높은 신소재 물질을 적용하는 방법을 생각할 수 있다.
국내에서는 한국과학기술연구원(KIST) 주도로 박막 코팅 기술을 고체산화물 연료전지에 적용시켜 휴대용 저온작동 시스템을 제작하려는 연구가 진행 중이다. KIST는 분말공정 기반의 음극 지지체 제조기술과 PLD(pulsed laser deposition) 박막 증착 공정을 적용하여 YSZ 전해질을 1㎛ 정도로 박막화하여 550℃에서 1.0W/cm2 이상의 고출력밀도 성능이 가능함을 발표한 바 있다. 고이온전도도 전해질 신소재 개발과 관련해서는 대구경북과학기술원(DGIST) 등에서 비스무스 계열의 전해질과 세리아 계열의 전해질을 이중 충으로 제작하여 600℃에서 2.0W/cm2 이상의 높은 출력성능 구현이 가능함을 발표한 바 있다. 울산과학기술원(UNIST)에서는 더블 페로브스카이트(double perovskite) 구조의 양극 소재를 개발하여 세리아계 전해질 기반의 셀에 적용하여 600℃에서 2.2W/cm2의 성능 구현이 가능함을 발표하였다.

2) 해외 동향

가. 미국

휴대용 고체산화물 연료전지 시스템 개발과 관련해서 미국의 Adaptive Material Inc.(AMI)사에서는 2004년 세계 최초로 20W급 휴대용 SOFC 발전시스템을 개발하고, 이후 프로판을 연료로 하는 245W, 300W급 휴대용 시스템을 개발 완료한 바 있다. 미국의 Nanodynamics사에서는 연료극지지체 관형 셀을 이용하고 연료로는 프로판 가스를 주입한 50W급 휴대용 전원시스템을 개발하였고, 미국의 Protonex사에서는 연료극지지체 관형 셀을 이용하는 250W급 군용 휴대 전원 SOFC 발전시스템을 개발한 바 있다.
현재 진행 중인 해외의 휴대용 -SOFC 개발 프로그램 중 가장 대표적인 것은 미국의 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)의 Palm Power 프로젝트로서, 2010년 이후 수요충족을 목적으로 초고용량 배터리보다 15배 이상의 에너지를 낼 수 있는 20W급의 휴대용 전원을 개발하는 프로젝트이다. Palm Power Project 내에서 -SOFC는 디젤계 군용연료인 JP-8 등 액체연료를 직접 사용하는 것을 목표로 연구 중이다. 최근까지 발표된 -SOFC 시스템 중 가장 발전한 형태는 MIT에서 개발한 실리콘 MEMS 기술을 기반으로 한 벤처기업인 Lilliputian Systems에서 발표한 -SOFC 시스템이다. 여기에는 다층구조의 열응력 해소 방법 및 다공질 촉매구조의 형성에 대한 연구 결과가 반영되었으며, 부탄 연료 개질 장치, 진공단열 기술 등이 집적되었다. 스탠포드(Stanford) 대학에서는 원자막 증착법(Atomic Layer Deposition)과 MEMS 기술을 이용하여 450℃ 에서 800mW/cm2 이상의 고출력을 낼 수 있는 micro-SOFC 멤브레인을 발표한 바 있다.

나. 일본

일본에서는 산업기술종합연구소(AIST)의 선행제조프로세스 연구팀이 휴대용 LPG 가스를 이용하여 발전 가능한 SOFC 시스템을 발표하였으며, 음극에 나노 세륨입자를 복합화하여 내부 개질이 가능한 시스템을 개발하였다. 250g의 가스통(휴대용 부탄가스) 연료로 50W의 전기를 24시간 유지 가능하다고 발표하였다. Toho Gas 및 Toto에서는 NEDO 프로그램을 통해 연료극 지지체 마이크로 관형 셀을 이용하여 휴대용 마이크로 SOFC를 개발하였다. 또한, AIST 및 FCRA(Fine Ceramic Research Agency) 등도 다공성 전극 매트릭스 내에 연료극 지지체 마이크로관형 셀과 허니콤 SOFC unit를 이용한 휴대용 전원 시스템을 개발을 발표하였다.

다. 기타

캐나다의 ARC(Albert Research Council)에서는 electrophoretic deposition 방법을 이용하여 연료극 지지체 마이크로 관형 SOFC를 개발한 바 있으며, 스위스의 HT Ceramic에서도 유럽 연합의 Real SOFC 프로그램을 통해 연료극 지지체 cylindrical 셀을 이용한 100~250W급의 휴대용 SOFC 발전시스템 개발을 발표한 바 있다.
<그림 3-3-1-10>고체산화물 연료전지의 신뢰성 문제와 관련된 소재 부품
<그림 3-3-1-11>미국 DOE의 SECA 내 고체산화물 연료전지 프로그램의 Core-Technologies
<그림 3-3-1-12>SOFC 프로그램에 참가하는 기업, 대학, 연구소
<그림 3-3-1-13>NEDO의 연료전지 개발 프로그램 로드맵
<그림 3-3-1-14>EU의 SOFC 소재 개발 프로그램인 EVOLVE Project의 참여 기관들
<표 3-3-1-4>고체산화물 연료전지 셀 제조기술 - 국내 선도연구기관
<표 3-3-1-5>고체산화물 연료전지 셀 제조기술 - 해외 선도 연구그룹

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