친환경 차세대 에너지, ‘연료전지 발전’

▲ ▲연료전지소재 - 기술 분류. ▲연료전지소재 - 기술 분류

■기술의 정의 및 분류

연료전지(Fuel Cell)란 전기화학적 반응에 의해 수소, 천연가스, 석탄가스 등 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 장치이다.

일반적으로 연료전지는 작동온도 및 전해질의 종류에 따라 분류된다. 저온에서 작동되는 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, AFC), 알칼리 연료전지(Alkaline Fuel Cell, AFC)와 600℃ 이상의 고온에서 작동되는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC) 등이 있다.

연료전지의 기본 구성은 산화반응과 환원반응이 일어나는 두 개의 전극과 전해질로 구성된다. 단위전지는 전해질 층을 중심으로 양면에 수소가스 산화반응의 전극과 산소가스 환원반응의 전극이 위치해 샌드위치 형태의 구조로 돼 있다. 현재 중점적으로 연구개발이 이루어지고 있는 고분자 전해질 연료전지와 고체산화물 연료전지를 구성하는 핵심 소재 아래의 표에 정리돼 있다.

▲ ▲연료전지 종류 및 특성. ▲연료전지 종류 및 특성

■환경변화

◇화석에너지 고갈 및 에너지 위기

산업 발전, 인구 증가 등으로 세계 에너지 수요가 급격히 증가하고 있지만, 수십 년 내에 화석에너지원이 고갈될 것으로 예측되고 있어, 에너지원의 확보는 경제 및 산업 발달에 필수적인 핵심 요소이다.

우리나라는 현재 에너지 소비량 세계 10위, 석유 소비량 6위권의 에너지 다소비 국가이며 에너지 소비의 약 97%를 수입에 의존하고 있다. 따라서 에너지 자원 빈국에서 에너지 기술 강국으로 도약해 안정된 에너지원을 확보하기 위해 수소·연료전지기술개발에 국가적 총력을 기울이는 것이 필요하다.

◇화석연료 사용에 따른 심각한 환경 문제

기존 화석연료의 사용으로 인해 대기 오염 및 지구 온난화가 지속되고 있으며, 현 추세대로 지구 온난화가 계속될 경우, 2100년 대기온도는 1900년 대비 2℃ 상승하고, 해수면은 50 cm 상승하는 등 심각한 기후 변화를 야기 할 것으로 예측되고 있다. 이에 따라 1997년 12월 주요 선진국들은 Kyoto에서 2008~2012년까지 CO₂를 1990년 대비 EU 회원국은 8%, 미국은 7%, 일본은 6%를 삭감할 것을 골자로 하는 의정서를 채택했다.

선진국들은 이산화탄소의 배출량을 줄이기 위해 연료전지, 수소 저장 및 운반 기술 등 수소 에너지 기술을 포함한 여러 가지 신재생 에너지기술 개발에 많은 역량을 투입하고 있으며, 이산화탄소 발생량 세계 10위인 우리나라도 이에 대한 대비가 시급하다.

◇새로운 에너지 기술 개발 필요

지구의 온난화, 환경오염 문제에 대처하기 위한 기후변화 협약과, 경제발전에 따른 전력 수요의 증대, 에너지 가격 상승 및 수급 불안정 등 에너지 문제에 대응하고, 지속적인 경제 발전을 위해서 전력산업·수송·이동전원·군사·우주용 등 차세대 전원으로 저공해 청정 발전기술인 연료전지 기술의 개발이 부상하고 있다.

■기술의 중요성

◇연료전지에서의 소재 혁신 필요

현재 연료전지는 구성 소재의 물성 한계나 작동에 따른 열화 등으로 인해 상용화 수준의 성능 및 내구성을 확보하는 것이 어렵다. 따라서 기존 구성 소재들의 한계를 극복하기 위한 새로운 소재기술 개발이 필요하다. 일례로 나노기술을 활용, 활성반응면적을 극대화하고 이온 및 전자구조를 변화시켜 기존 소재보다 획기적으로 향상된 임계성능 이상의 전기적·전기화학적 특성을 구현하는 시도가 필요하다.

◇소재 원천기술 개발 통한 연료전지 기술 경쟁력 확보 필수

기술 선진국들은 일찍이 소재 및 부품에 대한 원천기술을 확보하기 위한 연구개발에 매진해 왔으며 개발기간 중 확보한 핵심기술들을 특허화하고 있다. 특히 배타적인 기술개발 및 기술보안으로 인해 타국으로의 기술 이전을 기피하고 있으며, 제품형태나 시스템 형태로 판매만 하고 있는 상황이다. 따라서 원천소재 및 부품에 대한 자체기술을 확보하지 못한다면 향후 본격적으로 연료전지 시장이 형성된다 하더라도 상품의 고부가 가치화는 물론 기술선진국과의 시장 경쟁력에서도 우위를 점하기 어려울 것으로 예상된다.

▲ ▲고분자 전해질 연료전지(左) 및 고체산화물 연료전지(右)의 작동원리 . ▲고분자 전해질 연료전지(左) 및 고체산화물 연료전지(右)의 작동원리

■연료전지의 개요

연료전지는 작동온도 및 전해질의 종류에 따라 고분자형(PEMFC), 인산형(PAFC), 알칼리형(AFC), 용융탄산염(MCFC)과 고체산화물 연료전지(SOFC)로 분류되며, 각각의 특성을 정리하면 아래의 표와 같다.

연료전지 종류에 따라 각기 다른 특성을 갖는 다양한 구성 소재가 사용되는에 우선 기술적 특성, 상용화, 향후 응용분야 및 시장규모 측면에서 우위가 예상되는 고분자 전해질 및 고체산화물 연료전지 관련 소재 기술을 중점적으로 소개한다.

◇고분자 전해질 연료전지(PEMFC)

수소이온 교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지이며, 연료극(Anode)에서 생산된 수소이온(H+)은 전해질을 통해서 공기극(Cathode)으로 이동하고, 공기극에서 산소와 반응해 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다. 작동 온도가 100℃ 이하로 낮고, 전류밀도와 출력밀도가 높으며, 구조가 비교적 간단하고 제작이 용이하다. 또한 다양한 범위의 출력을 낼 수 있어 휴대용에서부터 가정용 발전까지 응용분야가 다양하다. 하지만 백금을 전극촉매로 사용하므로 가격이 비싸고, 일산화탄소에 매우 민감하다. 또한 운전 중 고분자 전해질 막의 수분조절이 매우 중요하다.

◇고체산화물 연료전지(SOFC)

전해질로 고체 산화물(주로 Y₂O₃가 도핑된 ZrO₂)을 사용하는 연료전지이며, 공기극에서 산소가 환원되면서 형성된 산소이온(O²-)이 전해질을 통해 연료극으로 이동하고, 연료극에서 수소와 반응해 물이 생성되면서 전기를 발생시킨다. 고체산화물 연료전지는 다른 연료전지에 비해 발전 효율이 높고, 고온 배기가스를 활용하여 가스 터빈을 구동시켜 추가로 전기를 뽑아내는 복합발전 시 60~70%의 발전효율이 가능하다. 또한 높은 작동온도로 인해 연료개질장치 없이 다양한 연료(LPG, 디젤, 바이오 가스 등)를 사용할 수 있으며, 발전시스템이 간단해 건물용, 분산발전용, 대형발전용, 선박용 보조엔진, 디젤트럭용 보조전원 등 다양한 분야에 적용 가능하다.

모바일에서 발전소까지 크기 다양

자동차·발전 등 전 분야 사용 가능

■연료전지의 성장성

연료전지 기술은 미래의 ‘수소 경제’구도에 있어서 풍력, 태양에너지 등과 같은 자연 에너지의 수급 불균형을 가장 효율적이고 경제적으로 조절, 보완할 수 있는 전력 산업용 에너지 기술이다. 또한 자동차 동력원 및 휴대전원용 등 그 응용 범위가 매우 넓어 향후 에너지 시장을 주도할 대표적 기술로 평가되고 있다.

온실가스 감축을 위한 각국의 규제 및 정책 지원 강화도 연료전지 경쟁력 확보 및 시장형성을 촉진시킬 전망이다. 가정·상업·수송 부문의 온실가스 감축 노력이 시급하며, 이들 부문은 연료전지의 적용 시도가 집중되고 있는 분야다.

국가별로 차이는 있으나 신재생에너지에 대한 연구개발 지원에서부터 보조금 지원, 신재생에너지 발전차액지원제도, 신재생 에너지 의무할당제, 수소에너지 인프라 구축 지원 등 다양한 제도가 실시 중이거나 실시될 예정으로 연료전지의 시장형성에 도움을 줄 전망이다.

석유 경제 시대에 내연기관이 개발돼 20세기의 산업발전을 주도 하였듯이, 다가오는 수소 경제 시대에는 환경 친화적인 연료전지 기술이 지속가능한 산업발전을 이끌 것으로 전망되고 있다. 따라서 현재 연료전지의 상업화가 저조하더라도, 잠재수요는 막대하며 장기 성장 전망은 매우 밝다.

■연료전지 시스템에서 소재의 역할과 위상

연료전지 종류에 따라 다소 차이가 있지만 본격적인 연료전지 상업화를 위해 해결해야 할 과제로는 고가 소재의 사용량 최소화 및 대체 소재 개발을 통한 가격 저감, 부품 성능 향상을 통한 장치 소형화, 시스템의 내구성 및 신뢰성 향상 등이 공통적으로 지적된다. 이들 과제들을 해결하고 연료전지를 상업화하기 위해서는 무엇보다 혁신적인 소재 기술 개발이 선행돼야 한다.

일례로 고분자 전해질 연료전지의 경우, 전극 소재로서 고가의 백금 촉매가 사용된다. 연료전지 자동차의 시스템 크기에 따라 현재 기술 수준으로 30~50g의 백금이 사용되는데 이 비용만 해도 240만원~1,000만원에 이른다. 따라서 백금 사용량을 줄이는데 연구가 집중되고 있으며, 미국 에너지성(Department of Energy, DOE)에 의하면 최근 3~4년 사이 백금 사용량을 70% 이상 줄이는 성과가 있었으며, 지금도 많은 기업과 연구팀들이 추가적인 절감을 위해 노력하고 있다.

한편 화학기업들을 중심으로 성능을 획기적으로 향상시킨 전해질 개발이 진행되고 있으며, 고온에서도 내구성을 유지하는 전해질 개발을 통해 연료전지 구조를 단순화함으로써 연료전지 가격 절감에 기여할 전망이다.

현재 국내 연료전지 국산화 수준을 보면 시스템 제작 및 설계 기술은 국산화율이 높은 편이다. 그러나 국내 연료전지 연구개발이 주로 시스템 개발에 치중해 왔기 때문에 실제 중요한 소재 기반이 매우 부족해 핵심 부품에 대한 소재는 해외 의존도가 매우 높다.

연료전지 종류별로 나눠 살펴보면 고분자 전해질 연료전지는 전해질막·전극촉매·기체확산층 등에 대한 연구개발이, 고체산화물 연료전지는 전극 및 전해질용 세라믹 분말·연결재·밀봉재 등에 대한 연구개발이 좀 더 강화돼야 한다.

▲ ▲DuPont 사의 Nafion 막 구조(上) 및 미세구조(下). ▲DuPont 사의 Nafion 막 구조(上) 및 미세구조(下)

■연료전지소재 분야별 기술개발동향

◇고분자 전해질 연료전지소재

○고분자 전해질

고분자 전해질 연료전지의 전해질은 수소이온(H＋)을 전달하는 고분자 이온교환막을 사용한다. 이러한 고분자 전해질은 Sulfonic acid(-SO₃H) 기를 포함하고 있는 고분자 구조로 돼 있으며, 막의 수화작용에 의하여 -SO₃H가 완전 해리되어 이동성의 H+와 SO₃-로 분리돼 수소이온 전도성을 갖게 된다. 현재 DuPont 사에서 개발한 Perfluorinated Sulfonic Acid 계통의 Nafion 막이 주로 사용되고 있는데, 수소이온 전도도가 크고 고분자내 물의 용해도가 매우 큰 장점이 있다.

운전 중 고분자 전해질 막의 수분조절이 매우 중요한데, 고분자막이 건조해지면 수소이온 전도도가 떨어지게 되고 막의 수축을 유발해 막과 전극 사이의 접촉저항을 증가시킨다. 반대로 수분 함량이 너무 크면 전극에 Flooding 현상이 일어나 전극 반응속도가 저하된다. 이러한 수분조절은 전체 시스템을 복잡하게 할 뿐만 아니라 화학적 안정성 문제와 함께 고분자전해질 연료전지의 운전온도를 100℃ 이하로 제한하는 원인이 된다.

이러한 문제들을 극복하기 위해 고온에서 작동 가능한 고분자 막에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 수분이 없어도 높은 수소이온 전도성을 갖고 130℃ 이상의 고온에서도 작동해 수분조절이 필요 없는 산도핑 Polybenzimidazole(PBI)막, 산염기 복합막, 유무기 복합막 등의 연구개발이 진행 중이다.

○연료극 및 공기극

고분자 전해질 연료전지용 전극은 촉매층과 촉매층을 지지해 주는 다공성 지지체로 구성돼 있다. 촉매물질로는 저온에서 수소의 산화 및 산소의 환원반응에 대한 활성이 우수한 백금(Pt)을 주로 사용하고, 촉매의 전기화학적 활성 면적을 증가시키기 위해 수 nm 크기의 백금 입자를 탄소 입자 표면에 고르게 분산시켜 사용한다. 연료극의 경우, 연료에 잔존하는 일산화탄소와 이산화탄소에 의한 촉매 피독을 억제하기 위해서 Pt-Ru 합금 촉매를 사용한다.

백금 계열의 귀금속 촉매는 고분자 전해질 연료전지의 가격을 높이는 주요 요인으로 작용하고 있어 백금 사용량을 줄이거나 비귀금속 촉매를 개발하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 일례로, 산소환원에 대한 활성을 갖는 전이금속이 함유된 Macrocycle 화합물 소재를 대체 촉매로서 적용하기 위한 기초 연구가 진행되고 있다.

산성 분위기에서 FeNx 또는 CoNx 화합물은 상대적으로 극히 낮은 성능과 내구성을 보이고 있으나 조성 및 합성법의 최적화를 통해 최근 성능이 향상된 전이금속 및 탄소 기반의 촉매 소재가 보고되고 있다.

지지체는 물리적으로 촉매층을 지지하고 있으며, 연료전지 내부로 유입된 기체를 촉매층에 전달하고 전기화학반응으로 생긴 물을 다시 외부로 이동하게 하는 유체 확산을 담당하고 있는 부분이다. 전기화학 반응에 의해 발생한 전자를 분리판에 전달해 주는 기능도 한다.

기체 확산층은 약 50~90%의 기공율을 가진 탄소종이(Carbon paper·탄소천(Carbon cloth)·탄소펠트(Carbon felt) 등의 다공성 소재가 사용되며, 반응기체 중에 포함돼 있는 수분이 기공을 막는 현상을 방지하기 위해 일반적으로 적정량의 Polytetra- Fluoroethylene(PTFE)를 함침해 사용한다.

○분리판

분리판은 한 쪽 면에는 공기극의 기체 통로를, 다른 한 쪽 면에는 연료극의 기체 통로를 가지고 있는 전자전도성 판으로서 연료극에서 생성된 전자를 공기극으로 전달해주는 집전체의 역할을 하고 전해질-전극 접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)를 지지해 주며, 연료기체와 산화제를 공급해주는 통로를 제공해 주는 동시에 운전 중에 형성되는 물을 제거해 주는 통로를 제공해 준다.

초기 고분자 전해질 연료전지용 분리판은 흑연(Graphite) 판재가 사용됐다. 흑연 소재는 내식성 및 전자전도성이 우수해 연료전지 운전환경에서 적합한 분리판 소재다. 그러나 기계적 충격이나 진동에 취약할 뿐만 아니라 분리판 상에 유로 가공이 쉽지 않으며, 가공 단가가 높다. 또한 어느 정도의 기공을 가지고 있어 반응가스의 투과성이 문제가 될 수 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 실용화 관점에서 대량 생산이 가능한 탄소-폴리머 복합체를 이용한 몰드형 복합소재 분리판 개발이 진행되고 있다.

수송용 연료전지 분리판의 경우 외부의 충격이나 진동에 대한 기계적 강도와 가스 투과성의 안전문제가 중요한 기술적 요소이므로 이를 극복하기 위해 금속소재 분리판 개발이 이루어지고 있다. 얇은 금속판재를 이용할 경우 가스유로를 연속 스탬핑(Stamping) 가공 공정으로 0.1 mm 두께까지 대량으로 생산이 가능하므로 분리판의 단가를 낮출 수 있어 실용화에 대응할 수 있다.

▲ ▲고체산화물 연료전지용 전해질의 이온 전도도. ▲고체산화물 연료전지용 전해질의 이온 전도도

◇고체산화물 연료전지소재

○고체산화물 전해질

현재 가장 널리 사용되고 있는 전해질 소재는 첨가제에 의해 안정화된 ZrO₂이다. 일반적으로 사용되는 첨가제는 Y₂O₃와 Sc₂O₃이며, 첨가제는 Cubic Fluorite 구조를 안정화시키는 동시에 산소 결핍(vacancy) 농도를 증가시켜 산소이온 전도도를 향상시킨다.

현재 가격과 실용성 측면에서 Y₂O₃가 8 mol% 첨가된 ZrO₂(8 mol% Yittria-Stabilized Zirconia, 8YSZ)가 주로 사용되고 있지만, Sc₂O₃가 첨가된 경우, 기존 YSZ 재료에 비해 약 2배의 산소이온 전도도를 가지고 장기 내구성도 우수해 미국·일본·중국 등에서 연료전지에 적용하려는 시도가 활발하게 이루어지고 있다.

안정화된 ZrO₂ 이외에 안정화된 Bi₂O₃ 및 CeO₂ 등이 연구되고 있으며, ZrO₂계 전해질보다 높은 이온 전도도를 가지고 있어 500~600℃ 정도의 중·저온영역에서도 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 Bi₂O₃ 및 CeO₂계 전해질은 낮은 산소분압에서 쉽게 환원돼 연료전지용 전해질로 사용하는 데 문제점이 있다. 특히 CeO₂는 고온과 환원 분위기에서 CeO₂-x (0≤x≤0.5)로 환원돼 전자전도성을 나타내어서 최근에는 산화 분위기에서 안정한 산소이온 전도체와 함께 2층 전해질로 사용하려는 연구가 진행되고 있다.

YSZ 보다 높은 이온 전도도를 갖는 페로브스카이트(Perovskite) 구조의 LaGaO₃계 소재가 최근 연구되고 있으며 일반적으로 (La,Sr)(Ga,Mg)O₃(LSGM) 조성이 주목을 받고 있다. LSGM 소재는 넓은 산소분압 영역에서 안정하여 연료극 분위기에서도 사용 가능한 것으로 알려져 있다. 하지만 연료극의 니켈과 반응하여 낮은 이온 전도도의 LaNiO₃상이 생성될 수 있고 (La,Sr)MnO₃과 (La,Sr)CoO₃ 등의 공기극 소재와도 반응하여 2차상을 형성하는 단점이 있다.

○연료극

Ni-YSZ 복합체는 가격이 싸고 고온의 환원 분위기에서 안정하며 수소 환원에 대한 활성이 높아서 가장 널리 사용되는 연료극 소재이다. 하지만 연료전지 운전 시간에 따라 Ni-YSZ 복합체의 전기전도도가 저하되는데, 이는 니켈 입자의 응집과 성장에 기인한다. 이러한 현상을 억제하기 위해 MgO, TiO₂, Mn₃O₄, Cr₂O₃ 등의 산화물을 첨가하기도 한다. Ni-YSZ 복합체의 또 다른 단점은 탄소 침적과 황 피독에 대한 낮은 저항성이다. 특히 천연 가스나 메탄이 직접 연료로 사용되면 탄소 침적에 의해 활성이 급격히 감소한다.

Ni-YSZ 복합체와 유사하게 Ni과 Gd이 도핑된 CeO₂(Gadolinium-Doped Ceria, GDC) 복합체도 중온용 고체산화물 연료전지의 연료극으로 적용이 시도되고 있다. Ni-GDC 복합체는 메탄 개질에 대한 높은 활성을 가지며 탄소 침적 현상도 나타나지 않는다. 탄소 침착과 황 피독에 대한 저항성이 높은 새로운 연료극 재료로 Perovskite계 산화물이 주목받고 있다.

LaCrO₃는 강도가 낮고 환원 분위기에서 격자 상수 팽창으로 인해 그 자체로는 연료극으로 사용할 수 없으나 La의 일부를 Sr으로, Cr의 일부를 Ti로 치환하면 n 형 반도체 특성을 가지며 환원 분위기에서 격자 상수 변화가 작아진다.

또한 n 형 반도체 특성을 갖는 (Sr,Y)TiO₃ 등의 산화물은 환원 분위기에서 높은 전자전도성 및 활성을 나타내어 대체 연료극 소재로서 최근 주목받고 있다.

○공기극

현재 고체산화물 연료전지의 공기극 소재로서 가장 대표적인 것은 LaMnO₃계 산화물이다.

LaMnO₃는 Sr, Ca, Ba, Ni, Mg 등을 도핑해 소재의 전기전도도를 향상시키는 것이 가능하다. 산화 분위기에서 높은 전기전도성으로 인해 (La,Sr)MnO₃(LSM) 조성이 공기극 소재로 선호되고 있다.

고체산화물 연료전지의 제조 및 작동 온도에서 LSM과 YSZ 사이의 상호 반응으로 인해 1200℃ 이상의 고온에서 La₂Zr₂O7 및 SrZrO₃이 생성되는 문제점이 발견되었다. YSZ와의 반응을 최소화하기 위해 La이 부족한 LaMnO₃를 제조하는 것이 유리하다.

LaCoO₃계 산화물은 LaMnO₃에 비해 높은 전기전도도 및 산소환원에 대한 활성을 가지고 있어, 중·저온용 연료전지의 공기극으로서 주목받고 있다. 하지만 LaCoO₃ 산화물은 LaMnO₃에 비해 상 안정성이 매우 낮아, LaMnO₃ 보다 YSZ와 빠르게 반응하려는 경향이 있어, YSZ 계 전해질과 함께 사용할 수 없고, GDC계 전해질과 함께 적용하려는 시도가 이루어지고 있다.

○연결재

연결재는 단위전지를 전기적으로 연결하고 연료와 공기를 서로 분리하는 스택 제조를 위한 핵심 부품으로 분리판이라 부르기도 한다. 고온에서의 안정성 문제로 LaCrO₃ 계열의 세라믹 연결재를 쓰는 것이 일반적인데 이 소재는 연료극과 공기극 환경 모두에서 높은 전기전도도를 나타내며, 셀 구성요소들과 열팽창계수가 유사한 장점을 가지고 있다. 그러나 LaCrO₃소재는 공기 중에서 소결성이 매우 낮은데, Ca을 첨가해 소결성을 향상시키는 동시에 Cr⁴+을 생성시켜 전기전도도를 증가시킬 수 있다.

최근 고체산화물 연료전지의 작동 온도를 낮추려는 노력과 함께 우수한 전기전도도·기계적 강도·가공 용이성 등을 가지는 금속 소재를 사용하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 그러나 금속 연결재는 고온에서 표면에 산화물이 형성돼 접촉저항이 급격히 증가하며 화학적 불안정성에 의해 전극을 오염시켜 특히 공기극 활성을 저하시키는 단점을 가진다.

주로 사용하고 있는 합금 재료는 고온에서 안정하고 비교적 전기전도도가 높은 Cr₂O₃를 형성하는 Crofer, E-brite 등의 ferritic Fe-Cr 계 합금이다.

금속 연결재의 장점을 유지하면서 고온에서의 전기적·화학적 안정성을 증가시키기 위한 방법으로 금속 연결재의 표면에 전도성 세라믹을 코팅하려는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 코팅 물질로는 기존의 공기극 재료인 Perovskite 구조의 LSM, LSC 등이 많이 사용돼 왔으며, 최근에는 Spinel 구조의 (Mn, Co)₃O₄계 소재의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

○밀봉재

밀봉재는 연료전지 작동 중 연료와 산소가 서로 섞이지 않도록 하는 기능과 연료가 외부로 누출되지 않도록 내부공간과 외부공간을 차단하는 역할을 한다. 또한 밀봉재는 스택을 구성하는데 있어 기계적인 결합제로서의 역할과 스택에 주어지는 충격을 완화하는 완충제로서의 역할도 동시에 수행하게 된다. 즉 밀봉재는 밀봉효과를 높이기 위해 스택에 주어지는 압력이나 스택 내·외부의 압력차를 견딜 수 있도록 기계적으로 안정돼야 한다. 또한 연료전지 제조·운전 중 발생하는 열·기계적 응력을 완화시킬 수 있을 만큼 연해야 하는 등 기계적 특성이 상당히 복잡하다.

이와 같은 요구 조건을 만족시키기 위해 결정질 세라믹보다는 유리 또는 결정화 유리 재질이 주로 연구됐다. 연료전지 개발 초기에는 Silicate 및 Borosilicate 계 유리 등을 밀봉재로 사용했다. 그러나 이들 유리는 전지구성요소와 반응하거나 점도가 낮아 밀봉재가 누출되고 열팽창계수가 다른 구성요소에 비해 크게 작다는 등의 이유로 부적합한 것으로 판명됐다. 이후 이러한 단점들을 보완할 수 있는 결정화 유리를 밀봉재로 사용하려는 연구결과가 진행됐다.

현재까지 밀봉재로 개발돼온 결정화 유리계로는 SrO-La₂O₃-Al₂O₃-B₂O₃-SiO₂, BaO-Al₂O₃-SiO₂-B₂O₃, MgO-Al₂O₃-P₂O5, CaO-TiO₂-SiO₂ 계 등을 들 수 있는데 대부분의 조성들이 열팽창계수의 차이나 화학적인 안정성 문제로 인해 아직까지 효과적인 밀봉재로 작용하진 못하고 있다.

고효율·저비용 위한 소재개발 경쟁

소재 원천기술 없인 시장 주도 불가

■연료전지소재기술개발의 핵심 이슈

◇고분자 전해질 연료전지소재의 핵심 이슈

고분자 전해질 연료전지의 상용화를 위해서는 저가격·고신뢰성을 확보하는 것이 가장 시급한 과제다. 특히 연료전지 스택 가격에서 전극·기체 확산층·분리판 등의 핵심 부품이 70% 이상으로 다음과 같이 구성 소재의 저가격화를 달성할 수 있는 방안이 최우선적으로 고려돼야 한다.

○백금 저감 및 비백금계 촉매 기술 개발

백금 계열의 귀금속 촉매는 고분자 전해질 연료전지의 가격을 높이는 주요 요인으로 작용하고 있는데 2015년 이후 백금 촉매가 스택 비용의 77% 이상이 될 것으로 전망되고 있다. 따라서 백금 저감 기술, 비백금계 촉매 기술 및 백금 회수 기술 등 다양한 연구가 필요하다.

현재 비백금 소재 Core와 1~2개 원자 층의 Pt shell로 구성된 나노 입자 제조를 통해 촉매 활성도를 높이는 동시에 백금 사용량을 줄이려는 시도가 활발히 진행되고 있다. 또한 비백금 촉매로서 Pd, Ru, Ir 등의 귀금속을 이용한 대체 촉매, 전이금속을 함유하는 Porphyrin, Phthalocyanine 등의 Macrocycle 화합물 소재, 질소가 도핑된 탄소 기반의 촉매 등에 대한 지속적인 연구가 필요하다.

○고내구성의 저가 전해질막 기술 개발

고분자 전해질의 경우, 불소계 전해질막 가격의 1/100 수준으로 생산이 가능할 것으로 예측되고 있는 탄화수소계 전해질막의 이온전도도 및 내구성을 향상시키기 위한 기술 혁신이 필요하다. 또한 저가습·고온 환경에서 장시간 사용이 가능한 전해질막 개발을 위해 산-염기 복합막 설계 및 제조 기술, 플러렌 유도체 또는 이온성 액체 활용 기술, 유기-무기 복합막 설계 및 제조 기술 등의 개발이 이뤄져야 한다.

○기체 확산층 가격 저감 기술 개발

일반적으로 기체 확산층은 탄소 섬유의 구조체로 만들어지며 PTFE를 함침시켜 소수성을 가지도록 만들어지는데 물관리를 원활히 하고 접촉 저항을 감소시키기 위해 Microporous Layer라고 하는 탄소막을 도포시키고 있다.

가스 확산층의 기공도·소수성·탄소섬유의 3차원적 구조를 조절해 최적의 성능을 구현하는 것이 필요하다. 이와 함께 저가의 원료소재를 발굴하고 탄소섬유소재의 가공 및 제조, Microporous Layer 도포 기술의 단순화를 통해 기체 확산층의 가격을 대폭 저감하는 연구개발이 필요하다.

◇고체산화물 연료전지소재의 핵심 이슈

○중·저온형 전극 및 전해질 소재 개발

고체산화물 연료전지는 장기적 안정성을 고려할 때 800℃ 이하에서 작동될 수 있는 중·저온형 고체산화물 연료전지의 개발이 필요하다. 그러나 작동온도를 낮추면 내부저항 및 전극분극의 증가로 전지 성능이 크게 감소해 새로운 소재의 개발이 필요하다.

특히 전해질은 SOFC의 Ohmic 저항성분 중 가장 큰 비중을 차지하기 때문에 YSZ 전해질보다 산소이온 전도도가 더높은 BiO₂, CeO₂, LaGaO₃계 전해질에 대한 지속적인 연구와 YSZ를 박막화하는 방법으로 내부저항을 낮추려는 연구가 필요하다.

나노기술을 활용해 이온전도도가 기존의 전해질 소재보다 획기적으로 높은 나노구조/다층구조 복합전해질 기술에 대한 원천 연구가 이루어져야 한다. 또한 전극분극을 낮추기 위해 전기전도도와 전기화학적 활성도가 높은 신규 연료극 및 공기극 소재에 대한 연구와 나노 복합체 개발을 통해 삼상계면을 획기적으로 확대시킬 수 있는 전극 소재 개발 등이 필요하다.

○고내구성 연결재 및 밀봉재 개발

장기적인 연료전지 시스템의 안정적 운용과 상용화를 위해서는 세라믹 부품과 스택의 열·기계적 내구성 향상을 위한 연구개발이 필수적이며 전극·전해질 뿐만 아니라 연결재·밀봉재에서의 열화 현상을 억제할 수 있도록 구조적 안정성 문제를 획기적으로 해결할 수 있는 원천소재 기술 개발이 시급하다.

고온 산화분위기에서 안정성 및 전자전도도가 높고 저온 소결 특성을 갖는 세라믹 나노 복합 소재 개발이 필요하며, 금속 연결재의 내산화성 향상 및 크롬 휘발 억제를 위한 보호막 코팅용 나노 복합 소재 개발이 이뤄져야 한다. 또한 기존의 밀봉재 대체 물질로서 SOFC의 작동 온도 및 열 사이클에 대한 내구성을 갖는 세라믹 밀봉재의 설계 및 제조 기술 개발이 필요하다.