우리나라 SOFC 연료전지 연구개발동향과 전망
요업기술원 SOFC 연구개발 동향과 전망

최병현 공학박사 요업기술원 수석연구원
이미재 요업기술원 선임연구원
문지웅 공학박사 요업기술원 선임연구원

연료전지는 공급되는 연료의 화학에너지를 전기 에너지로 직접 변화시키는 전기화학에너지에 의해 에너지를 생산하는 차세대 청정 발전 장치이다. 이러한 연료전지는 내연기관의 2~3배에 해당하는 40% 이상의 고효율, 이산화탄소를 방출하지 않는 무공해, 무소음 등의 장점 외에도 무제한의 연료 공급이 가능하고, 수 W에서 수십 MW에 해당하는 광범위한 발전 능력과 휴대용, 가정용, 빌딩용, 자동차용 등의 다양한 곳에 응용이 가능한 장점이 있다. 물론 이러한 장점과는 다르게 전력 생산 비용이 매우 높은 등의 단점이 있으나, 이러한 문제는 기술 개발과 생산 규모를 조절하는 등의 방법으로 해결이 가능할 것으로 보인다.
연료전지는 전해질의 종류에 따라 고체산화물 연료전지(SOFC), 용융탄산염 연료전지(MCFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC) 및 고분자전해질 연료전지(PEMFC)로 나눌 수 있는데, 이러한 전해질의 종류는 전지의 사용 온도에도 영향을 미치게 된다.
이중 고체산화물 연료전지(SOFC)는 ① 60%에 이르는 높은 전기변환 효율을 가지며, ② Nox 및  SOx과 같은 물질이 없고, 낮은 CO2를 방출하고, ③ Propane, Methanol. Gasoline 및 Disel 등을 사용할 수 있어 연료에 제약을 받지 않으며, ④ Heating, cooling 및 additional power generation으로 인한 폐열을 이용할 수 있으며, ⑤ Modular construction 및 소음 없이 작동할 수 있어 전지 크기 및 전지 건설에 유연할 뿐만 아니라, ⑥ 정지형, 이동형 및 군사용 등 넓은 시장을 확보할 수 있는 장점이 있다. 이러한 장점으로 인해 현재 세계적으로 많은 연구가 진행되고 있으나, thermal cycle 신뢰성이 낮고, 물리·화학적으로 낮은 안정성으로 인해 이에 대한 연구가 집중적으로 진행되고 있다.
그림 1에는 SOFC용 스택을 나타내었는데, SOFC용 스택은 양극, 전해질, 음극으로 이루어진 단전지와 단전지와 단전지를 연결하는 분리판, 그리고 단전지와 분리판, 분리판과 분리판을 연결하는 밀봉재로 이루어져 있다. SOFC는 연료전지 중에서 가장 세라믹의 비중이 높은 전지로 양극, 음극, 전해질, 밀봉재 등이 세라믹으로 이루어져 있다. 이러한 SOFC 각 분야에 대한 재료적인 연구는 단전지 및 스택과 연료 processor 분야에 집중되어 있는데, 특히 SOFC 단전지 및 스택의 성능 및 특성은 각각 재료의 특성이라고 해도 과언이 아니다.
일반적으로 SOFC는 제조한 형태에 따라 tublar type과 planar type으로 나뉘어지며, 형태에 상관없이 각각의 단전지는 전해질 지지형, 음극지지형 및 양극지지형으로 나뉘어 진다. 또한 단전지는 전해질과 그 양쪽에 cathode 및 anode로 구성되어 있고, 이러한 단전지는 원하는 전기 용량에 맞게 여러 장으로 적층되어 스택을 이룬다. SOFC는 단전지가 모두 세라믹으로 구성되어 있는데, 전해질의 경우 이온전도성이 높은 전기 절연체로 가스투과성이 10-7cm2/s이하로 유지하여야 한다. 또한 cathode 재료는 산화분위기에서 안정되어야 하고, 전기전도성이 50(Ω·cm)-1 이상이어야 하며, anode의 경우는 reducing 환경에서 안정적이어야 하고 120(Ω·㎝)-1 이상의 전도율을 가져야 한다.
SOFC 제조공정으로는 tape casting, tape calandering, chemical vaper deposition(CVD), electrochemical vapor deposition(EVD) 등의 방법이 사용되는데, tublar type의 경우 주로 EVD가 사용되나 small particle plasma spray 등의 방법도 연구되고 있다. 또한 tape casting, tape calandering 등은 주로 planar type에 사용되는 방법으로, co-sintering 하는 경우도 있다. 최근에는 thermal spraying과 pulsed laser deposition(PLD) 등의 방법이 많이 연구되고 있다.
이에 반하여 스택을 제조하기 위한 금속분리판과 밀봉재에 대한 연구는 아직도 많은 문제점을 가지고 있다. 금속 분리판의 경우 SOFC의 작동온도가 높아 재료 선정이 어렵고, gas 유로를 설계하고 제작하는 것이 어려워 많은 문제를 안고 있다. 특히 밀봉재는 SOFC가 고온에서 작동하고 시동하는데 긴 기동시간(start-up time)을 요구하여 부품 재료 선정이 매우 제한적이고, 부품 간의 온도변화에 따른 열팽창계수 차이를 최소화하고, 산화 및 환원 반응에 안정한 재료를 설계하고 대면적의 단전지에 맞는 가스켓을 제조하는 것은 매우 어려운 문제이다. 따라서 요업기술원에서는 단전지에 대한 연구로 고체산화물 연료전지용 대체전해질에 관한 연구와, 습식법에 의한 LSCF, LSM, BSCF 양극물질 합성 및 전지특성에 관한 연구를 진행하고 있으며, 스택에 관한 연구로는 금속튜브지지형 고체산화물 연료전지 연구와 1kW급 고체산화물 연료전지용 고온밀봉재에 대한 연구를 진행하고 있다. 또한 수소 분리에 대한 분야로는 고온수소 분리용 다공성 세라믹 멤브레인 개발 및 고순도 수소 멤브레인에 대한 연구를 진행하고 있다.

1.  고체산화물 연료전지용 대체전해질에 대한 연구
SOFC의 운전온도를 낮추는데 있어 가장 큰 장애는 낮은 온도에서 높은 이온전도도를 나타내는 전해질이 없기 때문으로 실제 SOFC를 좀 더 낮은 온도에서 작동시키기 위해서는 전해질의 개발이 필수적이다. 운전온도를 낮추려는 연구방향은 크게 두 방향으로 이루어지고 있는데, 현재 하나는 전해질로 사용하고 있는 안정화 지르코니아의 박막화에 대한 연구가 있고 또 하나는 안정화 지르코니아를 대체하는 새로운 전해질의 개발이다. 박막화에 대한 연구와 전해질 개발에 대한 연구 모두 운전온도를 낮춤으로 발생하는 전극에서의 과전압의 증가에 따른 출력 저하를 낮추려는 연구가 중점적으로 이루어지고 있다.
따라서 요업기술원에서는 대체에너지 기술개발 과제로 1998년부터 2001년까지 ‘고체산화물 연료전지용 대체전해질에 관한 연구’로 진행하였다. 본 연구는 새로운 전해질에 대한 연구를 통해 낮은 운전온도에서도 높은 출력을 나타내는 단전지를 제조하고자 기존에 사용되어지는 YSZ 대신 높은 산소 이온전도도를 나타내며, 고온에서 화학적으로도 안정한  LaGaO3계를 선정하여 연구를 진행하였다. LaGaO3계에 Sr과 Ga을 치환한 (La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3-δ 조성을 설계하여, Sr과 Ga 치환량과 소결조건에 따른 전해질 특성을 평가하고, 그림 2와 같은 단전지를 제조하여 그 전지 특성을 살펴보았다. 단위전지와 알루미나 튜브를 사용하여 연료전지로서 출력을 측정한 결과 전류밀도가 0.45W/cm2 였다.

2. Planar type SOFC용 밀봉재 개발
밀봉재는 스택에 있어서 연료와 산화제의 혼합 및 leak를 막고, 전기적으로 cell들을 절연하고, 조성물들을 기계적으로 결합시키는 역할을 한다. 이러한 역할을 하기 위해서는 구조적으로 안정하여야 하고, 화학적으로 다른 스택 조성물과 적합하여야 하며, 열적·화학적으로 안정하여야 한다. 또한 오랜 시간 사용하여도 안정하고, thermal cycling 특성이 우수하여야 한다.
밀봉재는 스택의 형태에 따라 적용되는 부위와 형태가 달라지지만, 그림 3에서와 같이 metal frame과 cell 사이, metal interconnect와 metal frame 사이, frame과 interconnect의 전기적 절연을 위한 공간, 스택과 end plate의 기본 manifold에 적용되어진다고 볼 수 있다.
일반적으로 밀봉재의 밀봉 개념은 크게 3가지로 접근하는데, 첫번째는 rigid, bonded seal로 단단하게 밀봉하는 방법으로 glass, glass- ceramic, braze를 이용하는 것이고, 두번째는 compressive seal로 단단한 고무와 같이 약간의 응력을 갖게 하는 방법으로 재료로는 mica를 기본으로 한다. 세번째로는 compliant, bonded seal로 일반 고무와 같이 flexible한 재료를 사용하는 방법으로 아직 재료의 개발은 이루어지지 않았다. 이 3가지 방법 중에서 rigid, bonded seal이 가장 효과가 우수하고 기술이 요구되는 방법으로 각 구성요소와 열팽창계수가 유사하고, 작동온도 보다 높은 온도까지 올려야 하며, cell/스택 제조 단계 전에 이미 장착되어 있어야 하며, 밀봉 중 좋은 wetting 특성을 나타내어야 한다.
따라서 요업기술원에서는 2003년부터 2006년까지 에너지·자원기술개발과제인 ‘고온밀봉재 개발 및 단전지 성능향상에 관한 연구’를 위탁연구과제로 진행하여 1kW급 SOFC에 적용 가능한 밀봉재와 단전지 구성요소를 개발하였다. 그 연구 내용을 살펴보면  rigid, bonded seal 방법을 선택하여 사용온도에 적합한 밀봉재 조성을 설계하고, 각 구성요소와 고온 밀봉 공정을 개발하고, 1kW급 30장 스택에 적합한 gasket을 제작한 후 실제 스택에 고온 밀봉기술을 적용하여 밀봉효율이 우수한 밀봉재 및 gasket을 제작하였다.
밀봉재 조성은 SiO2-B2O3-Al2O3-RO계로 700, 750 및 800℃에서 밀봉 가능한 50여개의 조성을 설계하여 최적 조성의 밀봉재는 그림 4에서 처럼 전해질(YSZ), 음극(YSZ-NiO) 및 분리판(SUS 430)과 유사한 열팽창계수를 갖는 조성을 선정하였다. 선정한 밀봉재는 paste, bulk 및 sheet 형태로 제작하여 750℃에서 SUS와 음극 밀봉 실험을 진행한 결과 누수가 없는 양호한 밀봉 효과를 나타내었다.
또한 실제 스택에 적용하기 위해 최적 조성의 밀봉재를 20㎏/batch의 양으로 제조하여 100mm 사각 gasket 100개, 100mm sheet 75개를 제작할 수 있는 분량을 제조할 수 있는 공정을 확립하였다. 이렇게 제조한 밀봉재 분말을 이용하여 1㎾급 스택에 적용하기 위해 5×5cm 스택용 가스켓 적용 실험을 완료한 후 10×10cm 스택에 맞는 가스켓을 제작하였다. 이때 gasket은 bulk형 사각 gasket, bulk형 ring gasket, sheet형 사각 gasket, sheet형 ring gasket 형으로 제작하였으며 그 형태를 그림 5에 나타내었다.
이외에도 적층 스택의 고온 특성 향상을 위해 α는 7.9~9.2×10-7/℃, Tg는 658~690℃, Ts는 670~740℃ glass-ceramic을 제조하여 적용하였는데,  열팽창계수는 160×10-7/℃으로 분리판인 SUS와 유사한 팽창계수를 나타내었다. 또한 제조한 가스켓을 산화·환원분위기에서 각각 200시간씩 유지한 결과 최적조성의 밀봉재의 결정상 및 접합은 그대로 유지되었고, 최적조성의 밀봉재와 제조한 glass ceramic은 thermal cycle 100회 및 1000시간 내구성 시험한 결과 외관의 변화나 접합면이 떨어지지 않았다. Thermal cycle 및 내구성 실험 후 밀봉재 표면에 일부 기공이 생성되었으나 대부분 closed pore로 가스의 누출이나 혼합은 없었으며, 특히 밀봉재와 SUS 계면에서의 반응은 확인할 수 없었다.
특히 제조한 밀봉재는 10×10cm 스택으로 이루어진 1kW급 SOFC system에 적용하여 실제 운전 조건에서 90% 이상의 우수한 밀봉 효율 및 안정된 특성을 나타내었다.
향후 요업기술원은 한국전력연구원과 같이 15×15cm 스택으로 이루어진 5kW급 SOFC system에 맞는 밀봉재를 개발할 예정이며, 밀봉재를 제조하며 얻어진 분말, sheet 및 bulk 제조 기술은 연료전지의 다른 분야에도 적용하여 진행할 예정이다.

3. 금속튜브지지형 고체산화물 연료전지 연구
SOFC 기술에서 해결해야 할 가장 큰 문제점 중의 하나는 brittle 한 세라믹 소재로 구성되어 있는 스택의 제작 및 운전, 특히 급속 기동/정지 시 단전지 및 스택의 파손 가능성이 상당히 높다는 점이다. 그러므로 SOFC 개발에 있어서는 단전지의 성능 향상 뿐만 아니라, 내구성 향상에 대한 연구가 매우 중요한 분야라고 할 수 있다.
실용화 측면에서는 SOFC 스택의 제작 단가를 낮추는 일도 매우 중요하다. 미국 DOE의 SECA 에서는 기존 SOFC 제작단가의 1/10 선인, 400$ / kW를 실용화의 기준선으로 제시하고 있다. SOFC 가격에서 BOP의 가격이 통상 2/3를 차지 하기 때문에 SOFC 스택은 130$/kW가 이하에서 제작 가능해야 한다는 계산인 셈이다. 이를 위해서는 여러 가지 검토가 이루어져야 하겠지만, 구성소재의 가격도 매우 중요한 요소라고 할 수 있다. 저온작동형 SOFC의 기본형태인 박막형 SOFC는 두꺼운 전극지지체를 사용하기 때문에 지지체를 구성하는데 소요되는 세라믹원료의 비용이 스택의 가격에서 큰 비중을 차지한다.
현재, 요업기술원에서는 ‘고내구성 금속지지형 단전지 기반기술 개발 (2004~2012년)’ 과제를 차세대 성장동력 사업의 위탁과제로서 수행 중이다. 연구의 목적은 기존의 세라믹 지지체 대신 다공성 금속을 지지체로 위에 세라믹 전극과 전해질 후막을 형성하여, 금속 특유의 고강도 및 연성에 의하여 내구성이 획기적으로 개선되어 급속기동/정지가 가능한 SOFC용 단전지를 개발하는 것이다. 또한, 현재 분말야금 분야에서 널리 사용되고 있는 스테인리스계 분말을 사용하여 제작한 금속튜브를 SOFC의 지지체로 사용함으로써, 스택 제작 비용을 크게 절감시킬수 있다.
이 외에도 요업기술원에서는 SOFC용 단전지의 특성 향상을 위해 습식법으로 합성한 LSCF, LSM 및 BSCF 등과 같은 양극물질의 전지 특성에 대한 연구와 전극의 구조 개선을 통한 전지 특성 향상에 대한 연구를 진행하고 있다.
특히 환경재료팀에서는 에너지과제로 ‘고온수소 분리용 다공성 세라믹 멤브레인 개발’에 대한 연구를 진행하고 있는데 이 연구는 기존 세라믹 분리막의 단점을 보완하기 위해, 특성이 우수한 재료를 선택하여 다공성 세라믹 멤브레인을 개발하고자 하였다. 본 연구를 통해 고온에서 사용이 가능한 nano
porous SiC 멤브레인 제조 기술이 확립되면 연료전지의 고온 리포머로부터 고온에서 안정한 세라믹 멤브레인을 이용하여 천연가스 스팀리포밍 반응으로부터 고순도 수소를 직접 회수할 수 있어 연료전지의 효율 및 경제성이 급격히 증가할것으로 보인다.
또한 자원·에너지팀에서는 에너지과제로 ‘고순도 수소 멤브레인 개발’에 대한 연구를 진행하고 있다. 본 연구는 다공체 분리막 대신 치밀질 수소 멤브레인의 기본 조성으로 BaCeO3를 선택하였으며 내구성 향상과 전기 전도성을 향상시키기 위하여 첨가제(Y2O3, La2O3, Yb2O3)의 종류와 양을 변경시킴으로써 수소여과 능력을 향상시킬 수 있었다. 여기에 금속 나노 sol을 분산시킨 결과 여과 속도가 일반적으로 제조된 시편보다 약 3% 정도 향상되었으며, 800℃에서 수소와 아르곤 혼합기체에서 여과 실험을 실시한 결과 수소의 순도는 99.8%이고 여과 속도는 시간당 약 40㎖였다.
치밀질 세라믹 멤브레인의 적용분야는 석탄가스, 천연가스 등에서 고순도 수소를 분리하는 곳이다. 특히 치밀질 세라믹 멤브레인은 고온에서 가스화한 석탄가스나 차세대의 쓰레기 처리기술인 가스화 용융처리에서 생긴 고온가스로부터 고순도의 수소를 분리할 수 있다.
분리한 수소는 고온을 유지하기 때문에 연료전지 발전에 최적이다. 석유화학 산업에서 발생하는 혼합기체에서 수소를 분리하여 사용하고 남은 기체는 연료로 재사용할 수 있다. 치밀질 세라믹 멤브레인의 특성에 의해 고온 및 고압에서도 적용이 가능하며 900℃의 고온에서 적용시 세라믹 멤브레인은 특성열화가 없어 수명이 긴 장점을 가지게 될 것이다.
요업기술원에서는 연료전지를 구성하고 있는 구성 성분의 소재에 대한 새로운 물질 개발 및 기존 소재의 제조 공정 및 단전지 제조 공정에 대한 연구를 통해 좀 더 성능이 우수한 연료전지를 제조하는데 노력할 예정이다.
또한 각 연구 성과의 발표, 특허 및 논문을 통해 기술을 전파하고 업체에 기술을 이전하여 좀 더 실제적인 연구에 접근할 예정이다.

그림 1. SOFC용 스택
그림. SOFC Type
그림 2. (La0.8Sr0.2)(Ga0.8Mg0.2)O3-δ electrolyte를 이용한 단전지 및 특성
그림 3. SOFC 단전지 밀봉
그림 4. 최적조성의 밀봉재 및 단전지 구성요소의 열팽창계수
           (a) 사각형 gasket                         (b) Ring type gasket               (c) Sheet를 이용한 사각형 gasket               (d) Ring type gasket
그림 5. 요업기술원에서 개발한 스택용 gasket
그림 6. 금속튜브 지지형 고체산화물 연료전지용 단전지 단면
그림 7. 금속지지형 SOFC용 지지체의 압출 성형체 (튜브형)
                                       (a) 블록형                                         (b) 평판형
그림 8. 금속지지형 SOFC용 지지체의 압출 성형체

필자약력 (최병현)
연세대학교 요업공학과 공학사
연세대학교 대학원 요업공학과 공학석사
아주대학교 대학원 재료공학과 공학박사
국립공업시험원 요업과
국립공업기술원 요업기술원 공업연구사 공업연구관
요업기술원, 수석연구원, 전자부품소재 본부장
한국세라믹학회 운영위원
세종대학교 신소재공학과 겸임교수
한국단결정학회 감사

필자약력 (문지웅)
연세대학교 요업공학과 공학사
연세대학교 대학원 요업공학과 공학석사
연세대학교 대학원 세라믹공학과 공학박사
나고야 대학교 응용화학과, Post-Doc.
AIST 시너지재료센터(일), AIST Fellow
요업(세라믹)기술원, 선임연구원

필자약력 (이미재)
명지대학교 무기재료공학과 공학사
명지대학교 대학원 무기재료공학과 공학석사
국립공업기술원 요업기술원
요업(세라믹)기술원, 선임연구원

Special  우리나라 SOFC 연료전지 연구개발 동향과 전망

한국과학기술연구원 SOFC 연구개발 동향과 전망

이해원 공학박사 한국과학기술연구원 책임연구원
손지원 공학박사 한국과학기술연구원 연구원
김혜령 공학박사 한국과학기술연구원 연구원

1. 머리말
연료전지는 연료의 화학에너지를 전기화학반응을 통해 전기에너지로 직접 전환하는 에너지 변환장치로서, 기존 발전장치들에 비해 발전효율이 매우 높으며 반응에 의해 물만이 생성되는 매우 환경 친화적인 시스템이다. 특히 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell: SOFC)는 고체산화물, 즉 세라믹을 전해질로 사용하는 연료전지로서, 상기한 연료전지의 일반적인 장점들을 모두 갖추고 있을 뿐만 아니라, 고온작동 특성으로 인해 다른 연료전지들에 비해 발전효율이 월등히 높으며 고가의 외부 개질장치(reformer) 없이도 LPG, LNG 등의 다양한 탄화수소계 연료를 직접 사용할 수 있어 기존 화석연료 인프라에서도 단독시스템 또는 기존 시스템과의 고효율 융합시스템을 구성할 수 있는 가장 현실적인 차세대 청정 발전시스템이다. 또한 SOFC는 크기나 형태, 용량에 대한 자유도가 높아 전력수요에 맞는 다양한 용량의 시스템 구성이 가능하므로 휴대용 전자기기의 초소형 전원으로부터 대형 융합 발전시스템으로까지 다양한 응용범위를 가지고 있다.
본 고에서는 이와 같이 차세대 청정 발전시스템으로 주목받고 있는 SOFC 개발과 관련해 한국과학기술연구원(KIST)에서 진행되고 있는 관련 연구개발 현황을 소개하고 아울러 향후 SOFC 기술개발 추진 및 발전방향에 대한 전망을 해보고자 한다.

2. KIST의 SOFC 연구개발 현황
세라믹 소재를 기본으로 하는 SOFC는 여타 연료전지들과 달리 단전지를 포함한 스택 구성부품들이 대부분 복잡한 제조공정을 거치게 되므로 스택이나 기타 구성부품들의 신뢰성이 공정 결함과 매우 밀접한 관계를 가지고 있다. 특히 다공성 복합체 사이에 치밀한 세라믹층을 형성해야 하는 단전지의 경우 세라믹 공정기술을 활용하는 다른 세라믹 제품들에 비해 훨씬 까다롭고 어려운 공정기술들이 요구된다. 따라서 세라믹공정 전반에 걸친 기술적 경험 및 전문지식은 이러한 SOFC 스택 제조공정의 재현성과 신뢰성을 확립하는 데 있어 가장 필수적인 요소로 인식되고 있다.
KIST는 이러한 세라믹 소재 및 공정분야에서 다년간 쌓아온 다양한 연구경험과 전문지식을 바탕으로 90년대 초부터 평판형 SOFC 개발연구를 수행해왔다. 특히 쌍용(주), 현대자동차, 포스코 등의 산업체와 연계하여 다층 세라믹 복합체 제조기술을 응용한 고온(800-1000℃)용 전해질지지형 SOFC 개발은 물론 중저온(600-800℃) 영역에 적합한 음극지지형 SOFC 개발을 수행해오면서 자동차 보조전원(auxiliary power unit: APU)에서부터 중소형 발전 및 대형 융합시스템에 이르기까지 다양한 응용분야를 대상으로 연구개발을 추진하여 왔다.
그동안 평판형 SOFC의 스택 구성에 필요한 단전지는 물론 밀봉재, 접속자, 집전자 등의 각종 요소부품 제조기술을 확보해온 바 현재 KIST는 상용화 수준의 대면적 단전지 및 밀봉재 기술을 확보하고 이를 바탕으로 kW급 스택 제조기술을 축적하기에 이르렀다. 특히 세라믹 소재의 특징인 취성 파괴를 적절히 제어할 수 있는 기술력 위에 SOFC의 전기화학적 성능을 극대화 할 수 있는 역량을 쌓아온 바 세계 최고 수준의 단전지 및 스택기술을 보유하게 되었다. 한편 2000년대 들어서는 나노/박막기술을 이용한 초소형 휴대전원용 미니/마이크로 SOFC 개발에까지 그 연구개발 범위를 넓히고 있는데, 본 연구개발을 통한 나노구조체 제어 및 제조기술은 재료물성의 한계와 미세 제조공정상의 한계를 극복할 수 있는 기반기술로서 최근 그 수요가 급증하고 있는 휴대용 정보통신기기나 마이크로 소자 등에 필요한 고출력, 고성능 소형 전원장치는 물론 각종 고상 전기화학장치(battery, solar cell, electro- and photo-chromic window, gas sensor 등), 바이오 칩, 광소자 구성에도 활용할 수 있을 것으로 예상된다. 본 절에서는 현재까지 KIST에서 수행해온 SOFC 관련 연구개발 현황을 앞서 소개한 발전시스템용 SOFC와 휴대전원용 SOFC 두 분야로 분류하여 소개하기로 하겠다.
가. 고효율 발전/수송용 SOFC 개발
현재 고효율 발전시스템으로 고려되고 있는 SOFC는 고온작동 특성으로 인해 에너지 효율이 높고 연료 개질이 필요 없다는 장점이 있는 반면 고가의 내열소재 사용에 따른 경제성 문제나 재료의 열화에 따른 시스템 수명 문제가 단점으로 지적되고 있다. 따라서 현재 KIST의 발전/수송용 SOFC 관련 연구는 주로 저온작동화를 통한 시스템의 안정성 및 경제성 확보와 이를 위한 저온작동성능 향상연구에 주력하고 있으며 특히 세라믹 제품이 가지는 열싸이클 및 산화/환원 싸이클에서의 안정성 문제를 해결하여 상용화 수준의 내구성을 확보하기 위한 기술개발에 초점을 맞추고 있다.

1) SOFC 스택의 저온작동성능 향상
SOFC의 저온작동성능은 단전지 구성소재 자체의 내부저항(ohmic resistance) 및 전극반응에 있어서의 분극저항(polarization resistance) 크기에 의해 결정된다. 따라서 작동온도 감소에 따른 SOFC의 전기적 손실을 최소화하기 위해서는 전해질 및 전극에서의 저항손실을 최소화할 수 있어야만 한다. SOFC의 저온작동성능을 향상시키기 위한 방안으로는 기존의 전해질 및 전극 재료들에 비해 성능이 우수한 새로운 소재를 개발하는 방법과 기존 소재의 물성을 최대한 활용할 수 있는 미세구조 제어 및 제조기술을 확보하는 방법이 있다.
먼저 내부저항 성분 중 가장 큰 비중을 차지하는 고체전해질의 경우 현재 사용되고 있는 YSZ(Y2O3-stabilized ZrO2)를 예로 들 때 작동온도가 800℃에서 700℃로 감소하면서 저항은 3배 이상 증가하게 되어 작동성능이 거의 반으로 줄어들게 된다. KIST에서는 이에 대한 해결책으로 기존 YSZ 전해질층의 두께를 줄이고 새로운 첨가물을 추가하여 전해질 저항손실을 최소화하기 위한 연구를 수행하고 있으며 아울러 Gd3+, Sm3+ 등의 란탄족 이온이 첨가된 CeO2계나 (La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3 등의 LaGaO3계 산화물 등 기존 YSZ보다 이온전도도가 훨씬 높은 새로운 차세대 전해질 소재를 개발하는 연구를 동시에 진행시키고 있다.
한편 열적 활성화 기구를 따르는 전극에서의 분극저항 역시 작동온도가 내려갈수록 크게 증가하게 된다. 전극에서의 분극저항 성분은 크게 촉매물질의 활성도에 따른 활성분극저항(activation polarization resistance)과 물질 확산반응에 의한 확산분극저항(concentration polarization resistance)으로 나뉘는데, 전자의 경우는 전극 소재 자체의 촉매성과 전극반응점에 해당하는 구성상들 간의 3상경계(three-phase boundary: TPB)점의 밀도 및 분포에 의해 결정되며 후자의 경우는 전극 내부를 통한 반응가스나 생성기체의 투과도에 의해 결정된다. 현재 KIST에서는 공기극(양극)에는 산소의 환원반응에 효과적인 페로브스카이트 구조의 (La1-xSrx)MnO3나 (La1-xSrx)(Co1-yFey)O3, 또는 여기에서 La3+ 대신 Gd3+, Sm3+ , Nd3+  등의 란탄족 이온 또는 Ba2+ 가 사용된 이온/전자 혼합전도체(mixed ionic-electronic conductor: MIEC)를 적용하고 있으며 연료극(음극)에는 연료의 산화촉매로 작용하는 Ni과 전해질 소재와의 복합체를 사용하고 있다. 다공성 복합체를 전극으로 사용하면 이온전도도와 전자전도도가 모두 높아지고 이온전도체, 전자전도체, 기공 간 3상계면의 밀도도 증가하게 되어 넓은 면적에 걸쳐 전극반응이 빠르게 일어날 수 있으므로 전극에서의 활성분극저항을 최소화할 수 있다. 이러한 복합체 전극은 복합체를 구성하는 상들의 혼합비, 입경비, 상호연결성 등에 따라 미세구조는 물론 물성이 크게 달라지는데, KIST에서는 이러한 구성상들의 입경과 분포 그리고 상들 간의 상호연결성 등 복합체 전극에서의 미세구조적 인자들을 효과적으로 분리해내어 정량화할 수 있는 기술을 개발함으로써 구성성분들의 물성-미세구조-공정기술 간의 상호연계성, 특히 재료물성과 미세구조 간의 상관관계를 정량화하고 이로부터 최적의 전극구조를 설계하여 제조할 수 있는 기반기술을 확보하고 있다.

2) 스택의 경제성 향상
SOFC 시스템의 핵심부품인 연료전지 스택은 그림 1에서 보듯이 단전지, 밀봉재, 접속자로 구성된다. 현재 SOFC 시스템 제조원가의 40%는 스택에 기인하며 그중에서도 고온작동에 필요한 내열합금이나 세라믹소재를 사용한 접속자의 비용이 80% 이상의 비중을 차지하고 있어 SOFC 상용화에 최대 걸림돌로 작용하고 있다. 따라서 SOFC의 작동온도를 낮춰 저가의 대체소재를 적용할 수 있도록 하는 것이 SOFC 발전시스템의 경제성 확보에 있어 가장 핵심이 되고 있다. 현재 저온용 SOFC의 접속자 소재로 가장 주목받고 있는 소재는 페라이트계 스테인리스 금속재이다. 페라이트계 스테인리스 소재는 기존의 내열합금 소재에 비해 훨씬 저가인데다가 열기계적 물성 또한 기존 SOFC 구성소재들과 잘 어울려 저온용 접속자 소재로 최적의 조건을 갖추고 있다. 그러나 페라이트계 스테인리스 소재를 적용하는 경우 비록 저온에서 사용하더라도 산화가스와 닿는 공기극 부분에서는 금속모재가 산화될 수 있어 단전지의 전기적 연결성에 문제가 생기게 되므로 금속 모재의 표면에 내산화성 코팅재를 입혀 스택의 장기안정성을 확보하기 위한 연구가 필요하다. 따라서 KIST에서는 이러한 저가의 금속소재를 스택에 안정적으로 적용할 수 있도록 접속자용 내산화 코팅소재 및 공정을 개발하고 있다.

3) 스택의 내구성 향상
고온용 SOFC는 고온에서 장시간 가동하여도 기계적 결함이나 구성성분 간의 화학적 반응 없이 안정되게 유지되어야 하며 반복적인 운전에 따른 열싸이클 및 산화/환원싸이클에 대해서도 열화가 일어나지 않는 내구성이 확보되어야만 시스템의 경쟁력을 확보할 수 있다. 이러한 측면에서 전극/전해질 계면의 열기계적 정합성 및 열화학적 안정성은 스택 내구성 측면에서 가장 중요한 변수이다. 특히 고온에서 열처리과정을 통해 제작되는 세라믹 제품의 특성상 전극/전해질 재료의 수축률 및 열팽창계수 차이는 계면 접착상태를 떨어뜨려 성능을 감소시킬 뿐만 아니라 작동과정 중 반복되는 가열/냉각으로 인해 결국에는 전극의 완전 박리(delamination)나 파괴를 가져온다.
현재 전극으로 사용되고 있는 대부분의 전자전도성 소재들은 전해질에 비해 열팽창계수가 높은 편인데, KIST의 경우 자체개발한 미세 복합분말 제조기술을 활용하여 두 상이 각기 균질하게 분포된 상호침투형 복합체를 형성함으로써 열팽창계수 차이를 극복하고 전극/전해질 계면의 접착상태를 증진시키고 있다. 특히 상호침투형 미세구조를 적용한 복합체 연료극의 경우 Ni/NiO의 산화/환원싸이클에 수반되는 부피변화를 전체 영역에서 고르게 제어함과 동시에 고온에서의 Ni 조대화(coarsening)를 억제함으로써 고온에서의 장기안정성을 확보할 수 있었다. 또한 전극이 전해질과 접하는 계면과 연료/산화가스와 접하는 바깥쪽 부분에서의 조성 및 기공구조를 달리하여 활성분극과 확산분극을 감소시킴과 동시에 열팽창계수 차이에 의한 계면 열화도 방지하는 기능경사구조(functionally graded multilayer) 전극을 개발함으로써 단전지의 내구성을 크게 향상시킬 수 있었다. 
한편 연료가스와 산화가스를 격리시켜 주는 밀봉재는 평판형 SOFC에 있어서 안정적인 작동여부를 결정짓는 가장 중추적인 구성요소이다. 안정적인 밀봉재 소재가 되기 위해서는 먼저 접촉하는 전해질 및 분리판 재료와 화학반응이 없어야 하고 연료/산화가스와 접하여도 안정성이 있어야 하며 반복되는 열싸이클에 대한 저항성도 가져야 한다. 이를 위해 KIST에서는 밀봉효과가 큰 유리를 기지상으로 하여 다양한 보강재를 첨가함으로써 장기안정성이나 열싸이클 안정성이 우수한 밀봉재를 개발하였다. KIST가 확보한 밀봉재 기술은 낮은 체결압 하에서도 유리의 고온 변형거동을 체계적으로 제어함으로써 단전지의 열싸이클 특성을 향상시킬 수 있었으며 특히 대형 융합 발전시스템 구성을 위해 필수적인 가압운전 조건에서도 효과적인 밀봉특성을 보여주고 있다.

나. 차세대 휴대전원용 초소형 고용량 미니/마이크로 SOFC 개발
현대 휴대용 전자기기들의 기능이 날로 다양화되고 복잡화됨에 따라 기존의 2차전지로는 전력수요를 충족시킬 수 없어 새로운 차세대 고용량 휴대전원에 대한 개발 필요성이 크게 증대되었다. KIST는 최근 부각되고 있는 이러한 고용량 차세대 휴대전원에 대한 기술수요에 대응하기 위하여 2000년대 들어 초소형 SOFC 관련 연구를 수행해 왔다. 본원에서 개발중인 소형 SOFC는 기존 SOFC가 가지는 연료선택의 유연성, 고효율, 고출력 등의 장점을 그대로 살리면서 소형화, 집적화에 용이한 디자인상의 자유도를 가지므로 여타 연료전지들에 비해 고용량, 고성능 휴대전원에 대한 요구에 보다 효과적으로 대응할 수 있을 것으로 예상된다.
하지만 휴대전원용 소형 SOFC를 기존의 발전용 SOFC처럼 고온에서 작동시키는 경우 주변 구성요소에 무리를 주고 전체 시스템의 열관리에 심각한 부담을 주게 되어 시스템 자체의 신뢰성과 경제성 저하를 가져오게 된다. 따라서 KIST에서는 미니/마이크로 SOFC의 저온 작동을 위하여 이에 적합한 고효율 전해질/전극 재료의 개발과 함께 단전지의 구조 제어, 새로운 시스템 디자인 개발에 매진하고 있으며, 고에너지밀도의 탄화수소계 연료를 사용하기 위한 고성능 개질촉매 소재도 개발하고 있다. 또한 SOFC의 소형/집적화는 단순히 기존 디자인의 물리적인 크기를 축소시킴으로써 실현되지 않으므로 기존 SOFC에 적용되고 있지 않은 새로운 디자인을 도입하여 그 경쟁력을 확인하고 있다. 이를 위해 KIST는 기존 세라믹 공정기술과 함께 나노 소재기술, 나노구조 제어기술, 나노 공정기술과 다층 박후막 공정기술, 나노/마이크로 공정의 복합화, 그리고 사진식각 등을 포함한 미세 가공기술 등 다양한 공정기술들을 활용하여 구성요소 간 정합성과 신뢰성을 확보할 수 있는 그림 2와 같은 고유의 초소형 SOFC 구조를 개발하는 연구를 진행시키고 있다.

3. 맺음말
현재 KIST는 SOFC를 구성하는 각 구성요소별 물성 제어 및 설계 기술은 물론 SOFC 스택을 구성하는 각종 부품의 제조 및 평가까지 SOFC 관련 고유 원천기술들을 폭넓게 보유하고 있다. 특히 단전지 및 밀봉재 관련 기술은 본원의 SOFC 관련 제반기술에 있어 가장 핵심적인 기술이며 그 기술적 완성도 역시 세계 최고 수준으로 인정받고 있다. 이를 바탕으로 현재는 SOFC의 상용화 시기를 좀 더 앞당기기 위한 스택의 경제성과 내구성 향상을 위한 핵심기술 개발에 주력하고 있으며 아울러 미래의 초소형 휴대용 전원장치 적용을 위한 SOFC의 소형화 및 집적화를 위한 요소기술 개발에 힘쓰고 있다.
KIST는 이러한 연구개발을 통해 차세대 에너지 변환장치로 각광받고 있는 SOFC 관련 소재 및 부품에 대한 원천기술을 확보함으로써 관련 산업체의 참여를 유도하고 해당 부품업체와 시스템업체 간의 안정적인 네트워크 형성을 유도해 궁극적으로는 SOFC 시스템의 상용화시기를 앞당기는 데 기여하고자 한다.

그림 1. KIST 대용량 SOFC 스택 구성부품 및 완성품
그림 2. KIST 미니/마이크로 SOFC

필자약력(이해원)
서울대학교 요업공학과 학사
서울대학교 요업공학과 석사
Univ. Florida 재료공학과 박사
美 Keramont Corp., R&D Manager
한국과학기술연구원 나노재료연구센터, 선임, 책임연구원

필자약력(손지원)
서울대학교 무기재료공학과 학사
서울대학교 무기재료공학과 석사
Stanford University 재료공학과 박사
한국과학기술연구원 나노재료연구센터, 연구원

필자약력(김혜령)
서울대학교 재료공학부 학사
서울대학교 재료공학부 석사
獨 Univ. Stuttgart 박사예정
한국과학기술연구원 나노재료연구센터, 연구원

Special  우리나라 SOFC 연료전지 연구개발동향과 전망
한국에너지기술연구원 SOFC 개발 동향과 전망

임탁형 공학박사 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 선임연구원
송락현 공학박사 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 책임연구원
이승복 공학박사 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 선임연구원
윤기석 공학박사 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 연구원
신동열 공학박사 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 책임연구원

서론
한국에너지기술연구원에서는 SOFC 분야에 대한 다양한 연구를 중점적으로 수행하고 있는데, 대표적으로 가스터빈/연료전지 복합발전용 SOFC 발전시스템 개발, 보조전원(APU)용 SOFC 발전시스템 개발, 평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술개발 등의 연구를 수행하고 있다.
가스터빈/연료전지 복합발전용 SOFC 발전시스템 개발의 경우, 5kW 급 SOFC 스택 본체는 독일 율리히 연구소에서 도입했으며, 상압에서 연료로서 수소를 주입해 약 8.1kW의 출력을 발생시키는 SOFC 발전시스템을 개발했다. 또한, SOFC 발전시스템과 상압 및 가압 개질기 연계운전을 수행해 각각 4.7 kW 및 5.3 kW의 출력을 얻어냈으며, 최종적으로는 가스터빈과 연계 운전을 실시해 가스터빈-연료전지 하이브리드 발전시스템 운전 절차를 확립했고, 5.1kW의 출력을 얻어낼 수 있었다.
보조전원(APU) SOFC 발전시스템 개발의 경우, 연료극 지지체식 마이크로 튜브 셀 및 이를 이용한 급속 기동형 SOFC 스택을 개발했으며, 이와 더불어, SOFC 발전시스템용 디젤 개질 시스템, BOP 등 compact 시스템 기술 개발을 추진 중에 있으며, 2006년 올해에는 APU용 500W급 SOFC 스택을 제작해 연료로 수소 주입시 약 700W의 출력을 얻어냈다. 더불어, kW급 APU SOFC 발전시스템의 개념설계와 시스템 통합연구가 중점적으로 수행되고 있다.
평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술 개발의 경우 한국에너지기술연구원에서 보유한 평관형 SOFC 셀 및 스택 제조 특허 기술을 바탕으로 적용 분야별 평관형 SOFC 스택 제작에 필요한 스택 모듈 기술 개발 및 스택 구성 부품들의 핵심소재 원천기술을 개발하고 있는데, 특히, 전해질 박막화 공정, 전극 전류집전, 금속 및 세라믹 접합을 최적화시킨 브레이징 공정 등의 핵심원천 기술을 중점적으로 개발하고 있다.
이러한 기술들을 바탕으로 SOFC 스택 및 시스템 기술의 국산화와 선진국과의 기술 격차 완화에 박차를 가하고 있다. 본 원고에서는 한국에너지기술연구원에서 수행하는 SOFC 개발 현황에 대해 중점적으로 소개하고자 한다.

본론
1. 가스터빈/연료전지 복합발전용 SOFC 발전시스템 개발
가스터빈/연료전지 혼합형 발전시스템은 두 기기의 장점을 극대화시켜 고효율화를 이룰 수 있다. 즉, 가스터빈은 중대형에서 효율이 높지만, 소형의 경우 아직 효율이 낮다. 한편 연료전지의 최대 약점은 제작비용이 높다는 것인데 이는 가스터빈과 용량을 나눔으로써 어느 정도 해결이 가능하다. 따라서, 가스터빈/연료전지 혼합형 발전시스템은 다른 열기관의 효율과 비교할 경우, 1MW 미만의 규모에서도 기존의 대형 발전용 시스템에 맞먹는 효율을 보이며, 그보다 용량이 커질 경우 그 효율은 여타 다른 기관들에 비하여 월등히 높을 것으로 예상된다. 이러한 장점을 갖는 가스터빈/연료전지 복합발전 시스템에서 연료전지로서는 SOFC가 상당히 선호되고 있으며, 이러한 가스터빈/SOFC 복합발전 시스템이 연구자들의 주된 관심사가 되고 있다. 따라서 한국에너지기술연구원에서는 이러한 연구개발 배경을 바탕으로 가스터빈-연료전지 혼합 발전 시스템용 SOFC 발전시스템을 개발했는데, 다음과 같은 운전특징(표 1)을 갖고 있으며, 수행된 연구개발 내용(표 2)은 다음과 같다. 
연구개발 결과로서 가스터빈/연료전지 복합발전용 가압형 5kW급 SOFC 발전시스템 (그림 1) 및 5kW급 고연료전환율 수증기 개질기(그림 2)를 개발했다. 또한, KIER 자체 기술을 바탕으로 연료극 지지체 평관형 500W급 SOFC 스택을 개발해 공기 주입시 455W 및 산소 주입시 788W 출력을 얻어냈다. 최종적으로 LNG 주입 단독 상압/가압 개질기-SOFC 연계운전을 성공(5.3kW)했으며, 운전절차를 확립했고, LNG 주입 가압 FC-GT 복합발전 시스템 운전을 성공(5.1kW)했으며, 운전절차를 확립할 수 있었다.
 
2. 보조전원(APU) SOFC 발전시스템 개발
보조전원(auxiliary power unit: APU)은 장비의 주전원이 아닌 2차적으로 전력을 보충해주는 발전장치로서, 주전원이 정지한 경우에도 고효율의 전력을 제공해줄 수 있도록 독립운전이 가능하다. 적용 분야로는 디젤트럭, 이동용 장비, 군사장비, 비행기, 전동차 및 자동차 등에 사용할 수 있다.
현재 세계적으로 연료전지 APU 발전시스템의 개발은 고분자 연료전지(PEFC) 방식이 많이 개발되어오고 있다. 이러한 PEFC로 구성된 APU 발전시스템은 효율적 시스템 관리측면에서는 장점을 가지고 있으나, 근래에 들어서는 몇 가지 기술적인 문제로 인하여 이를 해결하기 위한 연구 개발이 이루어지고 있다. 대표적인 문제점으로는 APU 용 PEFC 스택과 개질기가 매우 상이한 온도에서 작동되고, 복잡한 단계의 개질 시스템으로 구성되어 있어서 각 단계마다 열적인 정상상태를 필수적으로 유지시켜줘야 한다는 것 등이다. 위와 같은 문제점을 극복하고자 SOFC APU 발전시스템 개발이 활발히 이루어지고 있다. APU 용 SOFC 발전시스템은 기존의 엔진을 사용한 경우보다 발전 효율이 높다. 그리고 다양한 탄화수소 연료(가솔린, 천연가스, 디젤)를 이용할 수 있고 연료극에서 내부 개질이 가능하고 또한 연료인 수소에 CO가 함유되어도 되며 황과 같은 연료 불순물에 대한 허용도가 높다는 것이다. 그리고 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매를 사용하지 않고 개질기 기술이 상대적으로 간단하며, 연료와 공기의 가습이 필요 없으므로 물관리가 용이하다. 이러한 APU SOFC 발전 시스템은 수송 및 비수송 분야에 커다란 시장 분야를 갖고 있는데 수송 분야의 경우, 핵심 적용분야는 대형 트럭 및 비행기 같은 대형 승객수송 설비인데, 그러한 운송용 시스템은 다른 상업용(지게차, 특장차, 냉동차 등) 및 여가용 운송설비(캠핑 자동차)로서 사용될 수 있다.
APU용 SOFC 발전시스템의 주요 구성 요소는 SOFC 스택 시스템, 연료개질기 시스템과 BOP(Balance of Plant)로 구성되고, BOP는 공기 공급설비, 열관리 설비, 폐열 회수설비, 전력변환 및 SOFC 제어 시스템과 HVAC(heating, ventilation, air conditioning) 시스템(그림 3)으로 구성되며, 발전시스템의 출력은 연료전지 스택의 특성에 크게 의존하므로 이것이 APU용 SOFC 발전 시스템의 핵심기술에 해당된다. 연료전지 발전시스템의 심장부인 발전기에 해당되는 연료전지 스택은 가격측면에서도 시스템의 차지하는 비중의 약 30% 이상으로 평가되고 있으므로 APU용 SOFC 발전시스템의 실용화를 위해서는 스택의 핵심기술, 시스템의 핵심 요소기술이 반드시 개발되어야 한다. 따라서, 이러한 연구개발 배경을 바탕으로 한국에너지기술연구원에서 개발되는 보조전원 (APU)용 SOFC 발전시스템의 특징 및 연구개발 내용은 표 3에 잘 나타나 있다.
연구개발결과는 급속기동형 튜브형 SOFC 스택 (그림 4: 스택을 구성하는 단위번들)을 설계 및 제작해서 약 700W의 성능을 얻어냈으며, APU SOFC 발전시스템용 디젤 연료개질용 촉매 및 디젤 분사시스템을 개발했다. 또한, APU SOFC 발전시스템의 운전 및 전체 시스템 통합을 위한 BOP 개발을 완료했으며, 앞으로 전체 APU 용 SOFC 발전시스템 통합 과정을 위한 핵심요소 연구개발이 진행되고 있다. 

3. 평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술개발
평관형 (Flat tube) SOFC는 원통형 SOFC 및 평판형 SOFC 가 갖고 있는 장점들을 모두 갖춘 형태의 SOFC로서 기계적 강도가 높아 대면적 제조가 가능하며, 전류흐름 경로가 짧아 전력밀도가 높다. 또한, 구조가 간단해 제조공정이 경제적이고 compact 한 스택제조가 용이하며, 열 사이클 저항성이 우수해 안정적인 운전이 가능하다. 더불어, 가스 밀봉이 우수한 장점을 보유하고 있다. 이러한 장점을 갖는 평관형 (Flat tube) SOFC에 대해 KIER가 보유한 고유기술을 통해 평관형 형태의 SOFC 기술개발이 현재 활발히 진행 중에 있다. KIER에서 개발되고 있는 평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술개발에 대한 연구개발 내용은 표 4에 잘 나타나 있다.
결론
한국에너지기술연구원에서는 전반적인 SOFC 연구의 투자비 절감과 실용보급 조기 정착을 위한 시장 진입 모듈형 개발로 실용화 기반을 확보하고자 하고 있으며, 최종 목표인 중대형 발전시스템 기술 개발에 앞서 중간단계로서 소형 발전 시스템의  독립전원, 가정용 발전 시스템, 자동차 보조동력원 (예, 1kW급, 2kW급)등으로 제품화 전략을 마련하고 있다. 이를 위해서는 위에서 언급한 가스터빈/연료전지 복합발전용 SOFC 발전시스템 개발, 보조전원(APU) SOFC 발전시스템 개발, 평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술 개발을 통해 SOFC 시스템의 실용보급 촉진을 위한 구성요소 대형화 및 고성능화 기술 개발 병행과 제조 인프라 구축을 진행하고 있으며, 더불어, SOFC 개발 기술의 조기 시장진출을 위하여 구성요소 제조 및 SOFC 스택 제작을 위한 유망기업 참여와 실용 보급 및 상용화를 유도하고자 하고 있다. 또한, SOFC 발전시스템 세부 핵심기술 간의 각 연계성을 극대화하고 궁극적 목표 달성을 위하여 매진하고 있으며, 조기에 실용화 가능하나 핵심기술과 중장기적 연구가 필요한 기반기술을 구분하여 연구개발을 수행하고 있다.

참고문헌
1. S.C. Singhal and M. Dokiya, Editors, Solid Oxide Fuel Cells VIII (SOFC VIII), The Electrochemical Society, Pennington, NJ (2003).
2. N.Q. Minh, J. Am. Ceram. Soc. 76 (1993), p. 563.
3. N.Q. Minh and T. Takahashi, Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, Elsevier, Amsterdam, The Netherlands (1995).
4. S.C. Singhal and K. Kendall, Editors, High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications, Elsevier, Oxford, UK (2003).
5. K. Kendall, N.Q. Minh and S.C. Singhal In: S.C. Singhal and K. Kendall, Editors, High Temperature Solid Oxide Fuel Cells: Fundamentals, Design and Applications, Elsevier, Oxford, UK (2003), p. 197.

표 1. GT-FC 혼합발전용 SOFC 발전시스템의 특성

혼합 발전 시스템용 가압형 5 kW급 SOFC 발전시스템 개발
 ▶ 사용연료 -  LNG
 ▶ 스택 발전효율(DC/LHV)   - 37%
 ▶ 전력손실률 - 1,000시간당  10% 이하
 ▶ 연료전지 운전온도 -  800 ℃ 이상
 ▶ 연료전지 운전압력 -  3기압
 ▶ 최대전력용량  - 5kW(가압형)

표 2. GT-FC 혼합발전용 SOFC 발전시스템 연구개발 내용

혼합 발전 시스템용 가압형 5kW급 SOFC 발전시스템 연구개발 내용
 ● 가압형 5kW급(율리히 스택 도입) 발전 시스템 설계 및 시스템 구성
   ● 가압형 0.5kW급 SOFC 스택 제작 기술 확보(고성능 및 내구성 확보)
   ● SOFC 스택의 LNG 특성 평가
   ● Prereformer 연계형 가압형 5kW급 발전 시스템 운전 특성 평가 및
       시스템 개선
   ● 발전시스템 종합 제어 기술 개발 및 혼합 발전 시스템 연계
   ● 가압형 5kW급 Prereformer 및 연료전처리 시스템 설계 제작 기술 개발
   ● 연료전지-prereformer 연계 시스템 특성 평가
   ● 연료전처리 시스템(유량제어, 예열기, 구성품 연계 시스템) 설계 제작
   ● 모듈 가압 용기 설계 제작 및 모듈 가압 기술 개발

그림 1. 가스터빈/연료전지 복합발전용 가압형 5kW급 SOFC 발전시스템
그림 2. 5kW급 고연료전환율 수증기 개질기
그림 3. APU용 SOFC 발전시스템의 구성도
그림 4. APU용 SOFC 스택을 구성하는 단위번들

표 3. 보조전원용 SOFC 발전시스템 개발 연구내용
1kW급 APU용 급속기동형 SOFC 발전 시스템 개발
   ● SOFC 시스템 종합구성, compact화 기술개발
    - 스택의 시뮬레이션, 설계/최적화 기술개발
    - 전체시스템 설계최적화 및 요소기기 개발
    - APU용 BOP개발
  ● 1kW급 APU용 SOFC 스택 기술개발
    - 성능 평가(출력, 기동시간, 작동온도, 열싸이클, 효율)
    - 스택용 셀 개발(급속기동형 고출력 마이크로 튜브 셀)
    - 마이크로 튜브 셀 스택의 bundle 기술 개발
  ● APU SOFC 운전용 디젤 리포머 개발
    - 성능 평가(용량: 1kW급, 기동시간, 전환율 등)

표 4. 평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술개발
평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술개발
   ● 평관형 연료극 지지체 SOFC 스택모듈 구조 개선
    - 대형 단전지 제조 기술 개발: 전극면적 100cm2
    - 전극, 전해질 소재 제조공정
    - 전해질, 공기극, 세라믹 연결재 코팅 공정 개선
    - 고성능 SOFC 단위번들 개발
    - 스택 모듈 설계 구조 개선
   ● 1.0 kW급 스택 모듈 개발 및 특성 평가
    - 길이 40cm(전극면적 150cm2)의 평관형 셀 제조기술 개발
    - kW급 평관형 스택 기술 설계 제작 기술 개발
    - 단전지 성능 개선 연구
    - 공기 및 연료가스 메니폴드 compact화
    - 셀/캡 접합공정 및 스택 전류 집전 개선
  ● 2.0kW급 스택 모듈 개발 및 특성 평가
    - 전극면적 200cm2 평관형 셀 기술 확립
    - 연료전지 스택 모듈 대형화 기술 개발 및 내구성 확보
    - 스택 모듈 운전 기술 확보
    - 스택 모듈 고효율화 기술 확보

그림 5. 평관형 500W급 SOFC 스택

필자약력(임탁형)
KAIST 생명화학공학과 학사, 석사, 박사
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 선임연구원

필자약력(송락현)
부산대학교 금속재료공학과 학사
KAIST 재료공학과 석사, 박사
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 책임연구원

필자약력(이승복)
고려대학교 재료공학 학사
KAIST 재료공학 석사, 박사
(주)삼성전기 전자소자사업부 책임연구원
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 선임연구원

필자약력(윤기석)
충남대학교 금속공학과 학사, 석사, 박사
충남대학교 급속응고신소재연구소 연구원
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지센터 연구원

(신동열)
고려대학교 전기공학과 학사, 석사, 박사
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 책임연구원

우리나라 SOFC 연료전지 연구개발 동향과 전망

SOFC와 PEMFC의 비교 및 전망

윤성필 공학박사 한국과학기술연구원 연료전지연구센터 책임연구원

1. 서론
연료전지의 기본 작동 원리는 19세기 영국의 Grove경에 의해 가시화되었으나 60년대 와서야 비로소 우주선 및 군사용 목적으로 그 응용이 시작되었고, 70년대 초 오일 파동 이후 민수용 목적으로 본격적인 개발이 진행되어 왔다. 연료전지는 표 1에 정리한 바와 같이 전해질 종류 및 특성에 따라 작동온도, 구성요소, 시스템의 형태가 결정되어 이에 적합한 다양한 응용분야로 연구가 진행되고 있다[1-3]. 이러한 다양한 종류의 연료전지들은 기존 내연기관을 통한 발전과는 달리 고효율 및 무공해 발전이며 움직이는 부분이 없어 조용하고 또한 건설과 증설이 용이한 모듈화가 가능하고 수소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유 등 다양한 연료를 사용할 수 있으며 폐열을 이용한 열병합 발전이 가능하다는 장점이 있다. 특히, 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, 이하 MCFC) 또는 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC)와 같은 고온 작동형 연료전지의 경우, 고온 작동으로 인해 비싼 귀금속 촉매가 필요 없다는 점과 열병합 발전에 유리하다는 점 때문에 분산전원(수 MW급) 또는 중앙 집중형 대형 발전(수백 MW급) 시스템에 적합한 것으로 알려져 있으며, 이에 비하여 규모가 작은 수 kW급 가정용 발전장치(Residential Power Generation, RPG)로는 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell, 이하 PAFC), 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC), SOFC가 기술 및 가격 우위를 점하기 위하여 경합 중에 있다. 이러한 연료전지를 이용한 청정 분산발전은 고품질 전력을 필요로 하는 도심 등과 같은 수요처에 직접 발전소를 건설함으로써 부수적인 송배전 시설을 간소화할 수 있다는 장점이 있다. 자동차 동력원용 연료전지의 경우에는, 잦은 on-off 및 고출력에 적합한 PEMFC를 중심으로 개발이 진행되고 있으며, 세계적인 유수의 자동차 메이커들이 안정성 및 가격 저감을 달성하여 2010년경 상용화 판매를 목표로 하고 있다. 배터리를 대체할 용도의 휴대용 (수W~수백W급) 연료전지의 경우에는 연료에 대한 공급, 보관 및 저장이 간편한 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, 이하 DMFC)가 집중적으로 연구되고 있다. DMFC는 기존 배터리의 단점인 단위부피당 출력밀도 및 작동시간을 획기적으로 개선함으로써 이동용 IT 분야의 다양한 요구를 만족시키고 IT 산업을 선도할 수 있을 것으로 기대된다. 이와 같이 다양한 연료전지들은 각 연료전지의 특성에 맞는 다양한 적용 및 활용 분야를 가짐으로써 결국 연료전지 상용화를 앞당길 것이다.
본 논문에서는 저온형 연료전지의 대표 격인 PEMFC와 고온 연료전지의 선두주자인 SOFC를 서로 비교 분석함으로써 각 응용분야에서의 장단점을 분석하고 향후 연구방향 및 전망을 예측하는 계기를 마련하고자 한다.

2. 연료 선택
그림 1에 IEA (International Energy Agency) 보고서를 인용한 수소 생산 예측 가격을 비교하여 나타내었다[4]. 미국 DOE (Department of Energy)는 2015년까지 수소생산 가격을 13$/GJ H2를 목표로 하고 있으나 그림에서 알 수 있는 바와 같이 이 목표치에 도달할 수 있는 수소생산 기술은 대부분 화석연료로부터의 수소생산 기술들뿐이다. 따라서 태양광, 풍력, 바이오매스와 같은 대체에너지로부터의 수소 생산은 가까운 시일 내에는 상용화되기 어렵기 때문에 화석연료로부터의 수소생산에 이은 고효율 연료전지 시스템을 연계함으로써 화석연료를 사용하는 내연기관 시스템을 대체해 나가는 시나리오를 채택해야 한다. 화석연료를 사용해야 하는 경우에는 그림 2[5]에서와 같이 고온 연료전지가 절대적으로 유리하다. 즉, 고온 연료전지는 고온의 개질 반응을 거쳐 생산된 수소 및 일산화탄소를 열교환과 같은 불필요한 단계를 거치지 않고 직접 연료로 사용할 수 있다. 그러나 저온 연료전지는 생성된 수소 및 일산화탄소를 작동온도까지 낮춰야하며 더욱이 PEMFC의 경우 백금의 일산화탄소 피독을 막기 위하여 일산화탄소 농도를 낮추는 수성전환 및 선택적 산화와 같은 추가공정을 삽입해야 한다. 이러한 부가적인 공정은 결국 시스템 효율을 떨어뜨리고 장치의 복잡성을 증가시켜 가격 경쟁력을 약화시키게 된다.
재료적인 관점에서도 SOFC와 PEMFC는 연료선택에 있어 확실한 차이점을 갖고 있다. 예를 들어 그림 3에서와 같이 PEMFC는 프로톤 (H+)이 연료극서 공기극으로 이동하게 되어 반응 부산물인 물이 공기극 쪽에서 발생하게 된다. 이 경우 수소를 연료로 사용하는 시스템이라면 연료극의 수소 절대량이 변할 뿐 수소의 분압은 변화하지 않기 때문에 값비싼 수소연료를 바로 재순환하여 연료로 사용할 수 있게 된다(나피온을 전해질 막으로 사용하는 경우에는 electro-osmosis 현상에 의해 연료극 수소분압이 변화할 수 있다[6]). 반면 그림 3에서와 같이 산소이온 전도체를 전해질 막으로 사용하는 SOFC의 경우에는 연료극 쪽에 물이 생성되게 된다. 이 점이 바로 고온 연료전지인 SOFC가 높은 발전효율을 가질 수 있게 하는 중요한 원인이 된다. 화석연료로부터 수소를 생산하는 다양한 방법들이 있으나 상업성을 고려하여 수증기 개질(Steam Reforming, SR), 부분산화(Partial Oxidation, PO) 혹은 자열 개질(Autothermal Reforming, ATR) 반응 등을 거쳐 수소를 생산하는 것이 일반적[7]이며, 각 반응에 대한 장단점을 표 2에 비교하였다. 이 반응들 중 수소생산 효율 및 비용 측면에서 가장 바람직한 수증기 개질 반응은 화석연료 이외에 물을 필요로 하는 흡열반응이다. 따라서 그림 3에서와 같이 고온 연료전지인 SOFC의 반응생성물 물이 연료극 쪽에서 발생하는 경우는 고온의 수증기를 공급하여 수증기 개질 반응이 연료극 내에서 자발적으로 일어날 수 있도록 하며 비가역적인 전기화학반응에 의해 발생하는 열을 수소생산을 위한 개질반응에 효과적으로 사용할 수 있게 된다. 결국, PEMFC는 수소를 연료로 사용하는 시스템에 보다 적합하고, SOFC의 경우에는 화석연료를 연료로 사용하는 시스템에 훨씬 더 적합함을 알 수 있다. 이와 같은 SOFC의 장점은 고온 작동으로 인한 열충격, 기체 밀봉, 느린 기동과 같은 많은 문제점들을 상쇄하기에 충분하여 많은 연구자들이 SOFC를 빠른 시일 내에 시장에 진입할 수 있는 매력적인 연료전지 시스템으로 평가하고 있다.

3. 시스템 차이
앞서 언급하였듯이 대체에너지로부터 값싼 수소를 생산하는 진정한 ‘수소경제’ 시대가 도래하기 전까지는 기술적으로나 가격 면에서 화석연료로부터의 수소생산이 바람직하기 때문에 본 논문에서는 연료의 선택 측면에서 화석연료를 연료로 사용하는 연료전지 시스템을 고려하기로 하겠다. 화석연료를 사용할 경우, PEMFC 시스템은 그림 2에서와 같이 전해질 막 및 전극의 재료적인 문제점 때문에 여러 단계의 열교환기 및 일산화탄소 제거 공정을 필요로 하며 이와 같은 일반적인 PEMFC 시스템을 그림 4(a)에 나타내었다. 화석연료 중 메탄, 프로판, 부탄 등 상온에서 기체 상태인 연료는 송풍기를 통하여 탈황을 거친 후 개질기로 공급되게 된다. 일반적으로 가장 경제성 있는 수증기 개질은 많은 양의 물을 필요로 하고 또한 PEMFC 전해질 막은 물에 젖은 상태에서만 프로톤 이온전도성을 갖기 때문에 PEMFC 시스템은 물관리에 특히 유의하여야 한다. 일단 수증기 개질을 통해 얻은 수소 및 일산화탄소는 수성전환 (Water-Gas Shift, WGS) 반응에 의하여 일산화탄소 농도를 1% 이하로 떨어뜨리고 마지막으로 선택적 산화 (Preferential Oxidation)를 통하여 일산화탄소 농도를 10 ppm 미만으로 낮추어 PEMFC 스택에 공급한다. 응용분야에 따라 차이가 있으나 미반응된 수소는 재순환하여 사용하거나 촉매 연소기에서 연소시켜 개질기의 열원 및 물 공급원이 되도록 시스템을 설계한다.
이에 비하여 SOFC는 앞에서 언급하였듯이 메탄과 같은 화석연료를 연료극 내에서 직접 개질(Direct Internal Reforming, DIR)하여 그림 4(b)와 같이 수소를 생산할 수 있다. 연료극 자체가 이와 같은 개질기 역할을 할 경우, 첫째, 연료극은 투입된 화석연료를 연료개질 반응에 의하여 수소 및 일산화탄소로 개질하는 개질 촉매 역할을 하여야 하며, 둘째, 전기화학 반응자리에서 수소 및 일산화탄소를 물과 이산화탄소로 산화시키는 전기화학 촉매 역할을 담당해야하고 마지막으로 셋째, 전기적으로 전도체이어야만 한다. 개질 효율을 높이기 위하여 촉매층을 따로 형성하여 연료 공급 부와 분리하는 경우도 있는데 이를 간접 내부 개질(Indirect Internal Reforming, IIR)이라 한다. 이 경우에는 그림 4(b)와 달리 전지 운전에 따른 전기화학 반응열만 연료개질에 사용할 뿐 부산물인 수증기는 개질반응에 사용되지 않게 된다. 그러므로 높은 개질 효율을 얻을 수 있는 충분한 온도 및 연료극 재료의 개질 촉매 활성이 확보된다면 시스템의 간편성 및 효율을 고려하여 직접 내부개질(DIR) 시스템을 선택하는 것이 바람직하다. 이와 같은 DIR-SOFC에서 가장 핵심은 역시 연료극이며 연료에 대한 낮은 개질촉매 활성, 탄소 침적, 과량의 수증기에 대한 소결 등의 문제점이 있는 것으로 보고되고 있다[8]. 따라서 낮은 수증기/탄소 비의 조건에서 탄소 침적 저항성이 있고 높은 개질 활성을 갖는 연료극 재료를 개발하는 것이 DIR-SOFC 시스템을 개발하는데 있어 관건이라 할 수 있다.

4. 응용분야의 비교
표 1에서 알 수 있듯이 모든 연료전지의 작동온도는 전해질 재료에 의존하여 결정된다. 따라서 PEMFC와 같이 고분자 재료인 나피온(Nafion)을 전해질로 사용하는 경우는 고온에서 사용하는 것 자체가 재료적인 한계가 될 수 있다. 따라서 작동온도를 높임으로써 보장 받을 수 있는 이온전도도의 증가, 촉매 활성의 증가(전극 분극 감소), 백금의 일산화탄소 피독 완화 혹은 비 귀금속계 촉매 사용 등과 같은 장점을 포기해야하는 반면 저온 작동으로 빠른 기동(start-up) 및 잦은 on-off에 유리함을 갖게 된다. SOFC의 경우에는 일반적으로 이트리아를 첨가한 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)를 전해질로 사용함으로써 매우 높은 온도에서도 안정하게 작동할 수 있으나 다른 구성요소들의 안정성 때문에 700~1000℃ 정도에서 작동하는 것이 보편적이다. 따라서 높은 작동온도로 인해 PEMFC에서의 단점은 SOFC의 장점이 되고, 반대로 장점은 SOFC의 단점이 된다. 이와 같은 장단점의 차이는 결국 서로 다른 응용분야를 갖도록 하여 PEMFC는 가정용 및 자동차용 분야에서 집중적으로 연구되고 있고, SOFC의 경우에는 분산 및 대형발전 분야에서 많은 연구가 진행되어 왔다.
일반적으로 새로운 시장을 형성하는 신기술(예를 들어 IT 분야)은 기존 기술을 대체하는 것이 아니기 때문에 시장진입에 유리하다. 그러나 연료전지 기술은 그림 5에서와 같이 기존 배터리 및 내연기관을 대체하는 기술로 연료전지이어야만 하는 이유(예를 들어 심각한 환경오염 문제 및 석유 자원의 고갈)가 있거나 혹은 가격 및 내구성이 기존 배터리 및 내연기관에 비하여 월등할 경우 시장진입에 성공할 수 있게 된다. 예를 들어 대형 발전용 연료전지의 가격목표는 $600/kW이며, 수명은 40,000 시간 이상을 목표로 하고 있는데 이와 같은 수치는 기존 터빈 발전기의 가격 및 수명을 근거로 한 것이다. 앞서 언급하였듯이 다양한 연료전지가 적용분야 및 용도에 맞게 개발되고 있으나 결국 중요한 것은 지금 시장을 형성하고 있는 기술을 가격과 내구성 면에서 압도할 수 있는가가 연료전지 상용화의 관건이라 할 수 있겠다. 이런 관점에서 각 응용분야에서 PEMFC와 SOFC의 장단점을 살펴보도록 하겠다.
가. 휴대용
휴대용의 경우 그림 5에서와 같이 경쟁기술이 배터리이며 고출력과 고에너지밀도를 동시에 요구한다. 최근 작고 강력한 센서, actuator 그리고 기능성 소자에 대한 수요가 늘면서 고전력밀도 및 고에너지밀도를 갖는 휴대용 전원에 대한 수요도 함께 증가하고 있는 실정이다. 현재 리튬이온 배터리는 대부분의 소형 IT 기기들이 요구하는 125mW/cm3수준의 전력밀도를 충족시키고 있으나 리튬이온 배터리를 이러한 전력밀도 수준에서 동작시키기 위해서는 매우 제한적인 시간에서만 작동이 가능하다. 예를 들어 리튬이온 배터리가 약 0.16 kWh/kg(0.35 kWh/l)으로 에너지밀도를 갖는 반면 액화탄화수소를 연료로 사용할 경우 10~11 kWh/kg 또는 7~8 kWh/l(그림 6)의 고에너지밀도를 기대할 수 있다. 이점이 바로 연료전지가 배터리와의 경쟁에 있어 보다 우위에 설 수 있는 가장 중요한 열역학적 장점이다. 배터리는 재료 자체가 전기화학반응의 원료가 되기 때문에 태생적으로 소형화할수록 에너지밀도는 감소할 수밖에 없어 장시간 사용에 한계가 있으나 연료전지는 사용할 연료만 계속 공급해주면 전기화학반응에 의한 전기 생산이 가능하고 또한 사용하는 연료 자체의 에너지밀도가 높으면 한 번의 연료공급만으로도 장시간 사용이 가능해진다.
현재, 배터리를 대체할 용도의 휴대용 연료전지의 경우에는 연료에 대한 공급, 보관 및 저장이 간편한 DMFC와 액체 연료인 메탄올을 개질기를 통해 수소로 개질하여 사용하는 마이크로 연료개질기(Fuel Processor)가 부착된 소형 PEMFC가 집중적으로 연구되고 있다. 메탄올이 연료로 선택된 이유는 공급, 보관 및 저장이라는 측면 외에도 그림 6에서와 같이 액화수소를 능가하는 에너지밀도를 갖고 있기 때문이기도 하다. 그러나 DMFC의 경우 PEMFC와 마찬가지로 물로 수화된 후 프로톤 전도성을 띄는 나피온이라는 고분자 막을 전해질로 사용하기 때문에 메탄올 연료가 농도 차에 의해 공기극 쪽으로 넘어가는 cross-over 현상이 발생하여 효율을 낮추며 이를 줄이기 위한 물과의 희석은 에너지밀도를 감소시키는 원인이 된다. PEMFC의 경우에는 마이크로 개질기를 통하여 수소를 생산하고 이를 연료로 사용하는 시스템을 개발하고 있으나 앞에서 언급하였듯이 일산화탄소 제거 문제(10ppm 이하)와 메탄올 개질기를 약 400℃ 이상에서 작동해야함으로써 나타나는 빠른 기동, 잦은 on-off 및 단열과 같은 문제점을 안고 있다. 이에 비하여 SOFC는 그림 4(b)와 같은 시스템을 소형화함으로써 시스템을 간편화할 수 있고 고출력 및 고에너지밀도를 확보할 수 있다. 이 경우 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 휴대용 목적으로는 빠른 기동 및 소형화에 적합한 부분산화(PO) 또는 자열개질(ATR) 반응을 통한 수소 공급을 고려하는 것이 바람직하다. 반면, PEMFC와 마이크로 개질기를 사용할 때와 같은 문제점인 빠른 기동, 잦은 on-off 및 단열과 같은 문제점은 해결해야할 과제이다.

나. 자동차용
연료전지 자동차는 연료전지에서 생산된 전기를 주동력으로 구동되는 자동차를 지칭하며, 그 구조는 연료전지 시스템을 중심으로, 연료전지 스택에 수소를 공급하기 위한 수소저장기 혹은 연료변환기와 스택에서 생산된 전기를 변환하는 전력변환기 그리고 모터를 포함하는 기계적 구동 시스템으로 구성된다. 자동차 동력원용 연료전지의 경우, 빠른 기동, 잦은 on-off 및 고출력에 적합한 PEMFC를 중심으로 개발이 진행되고 있다. 따라서 특성상 주동력원을 SOFC로 대체하기는 어려울 것으로 판단되며 화석연료를 연료로 하는 내연기관 자동차의 보조전원용 고효율 발전장치로서 SOFC 시스템이 연구되고 있다. PEMFC를 주 발전장치로 사용하는 경우 화석연료로부터 수소를 얻기 위해 개질기를 차량에 탑재하는 것은 공간적으로나 안정성 면에서 비효율적(그림 4(a))이기 때문에 순수 수소를 사용하는 것이 바람직하나 수소저장 재료가 효율적인 것이 없어 현재 압축 수소 쪽으로 연구가 진행되고 있다. 한 번 수소 충전으로 장거리를 운전하기 위하여 액화수소를 고려할 수도 있겠으나 수소를 액화시키는 공정이 비쌀 뿐만 아니라 현 기술로는 수소가 갖고 있는 에너지의 약 30% 이상(열역학적으로는 12%)을 소모해야하기 때문에 액화수소를 자동차용 연료로 사용하는 것은 바람직하지 않다.

다. 가정용/상업용
1kW급부터 50kW급 이하 정치형 연료전지 시스템으로 개인가정이나 여러 형태의 상가 등에 사용될 수 있는 연료전지를 말한다. 가정용으로 한국, 일본, 독일 등은 1kW~2kW의 시스템을 주로 개발하고 있고 미국의 경우 5kW급을 개발하고 있으며 전기와 열을 동시에 생산하는 열병합 발전시스템이 주를 이루고 있다. 상업용의 경우에는 5kW급부터 50kW급 이하를 목표로 하고 있는데 과거에 PAFC를 많이 개발하였으나 시장형성을 위한 가격저감에 실패하여 상업화는 되지 못하였고 지금은 PEMFC 및 SOFC를 중심으로 개발이 진행되고 있다. 이러한 연료전지를 이용한 청정 분산발전은 고품질 전력을 필요로 하는 도심등과 같은 수요처에 직접 발전소를 건설함으로써 부수적인 송배전 시설을 간소화할 수 있다는 장점이 있다.
가정용 및 상업용은 휴대용 또는 자동차용 보다 시스템 부피에 덜 민감하기 때문에 수증기개질 반응에 의한 수소생산이 일반적이며, 상압 열병합(Combined Heat and Power, CHP) 시스템의 경우, SOFC로 시스템을 구성하면 전기효율 45~50% 그리고 전체효율(열 및 전기) 85~90%를 얻을 수 있는 반면, PEMFC 시스템은 전기효율 약 35% 그리고 전체효율 약 80% 정도를 얻을 수 있다. 두 시스템 간 전기효율 및 전체효율의 차이는 앞서 언급하였듯이 작동온도, 직접개질 여부, 일산화탄소 제거 여부 등에 의해 비롯된 것이다. 그러나 PAFC, PEMFC, 그리고 SOFC 중 승자는 결국 시장 진입에 성공하기 위한 가격 경쟁력($1500/kW) 및 안정성(약 40,000 시간)을 확보한 시스템이 될 것이다.

라. 대형 발전용
정치(定置)형으로서 수백 kW 이상의 전력을 생산함으로써 기존의 발전설비를 대체할 수 있는 기능을 갖는 연료전지 시스템으로, 여러 연료전지들 중에서 PAFC, MCFC, SOFC 등이 발전용 연료전지로 적합하다. 특히, MCFC 또는 SOFC와 같은 고온 작동형 연료전지의 경우, 고온 작동으로 인해 비싼 귀금속 촉매가 필요 없다는 점, 다양한 연료(천연가스, 석탄, 석유, 매립지 가스, 수소 등)를 사용할 수 있다는 점, 열병합 발전이 유리하다는 점 등 때문에 분산전원(수 MW급) 또는 중앙 집중형 대형 발전(수백 MW급) 시스템에 적합하다. 이와 같은 대형 발전용의 경우에는 저온형인 PEMFC와 비교하여 고온형 MCFC 및 SOFC가 효율 및 가격 경쟁력 면에서 절대적으로 우위에 있다. 특히, MCFC 및 SOFC는 가스터빈 또는 연료로 석탄을 사용하는 석탄가스화 시스템과의 연계가 가능하므로 훨씬 효율적이고 가격 경쟁력 있는 시스템을 확보할 수 있다. SOFC의 경우 대형 발전용 분야에서는 PEMFC와 경쟁은 하지 않고 있으나 MCFC 시스템과 경쟁을 하고 있다. 따라서 이 분야에서 MCFC를 극복하기 위한 가장 중요한 SOFC 기술은 값싼 대면적화 기술 및 기체밀봉 기술이다.  

5. 결론
SOFC는 앞서 언급한대로 화석연료의 전력변환에 있어 기존의 발전 방식 또는 타 연료전지 발전 방식, 특히 저온 연료전지인 PEMFC에 비하여 여러 장점이 있다. 따라서 SOFC가 갖고 있는 장점을 최대한 살리는 시스템을 개발하는 것이 바람직하며, 무엇보다 에너지밀도가 높은 화석연료 또는 다른 가능한 연료를 선택하고 그 선택한 연료로부터 수소를 효율적으로 생산할 수 있는 적정온도에서 작동할 SOFC 시스템을 개발하는 것이 중요하고 할 수 있겠다. 고온 작동이 많은 단점을 갖고 있다고 해서 상온과 같은 저온에서 작동하는 SOFC 시스템을 개발하려는 노력은 SOFC 자체가 갖고 있는 장점을 모두 포기하는 결과를 가져올 수 있을 것이다. 따라서 향후 SOFC 연구 방향은 작동온도는 선택한 연료의 개질온도 부근까지로 설정하고 설령 고온이더라도 이 작동온도에서 안정하게 작동되는 고효율 시스템을 개발하는 쪽이 PEMFC와 경쟁할 수 있는 새로운 재료를 개발하는 것보다 더 바람직하다고 생각된다.

참고문헌
1. G. Sandstede, E. J. Cairns, V. S. Bagotsky and K. Wiesener, Handbook of Fuel Cell, v.1, p. 144, W. Vielstich, A. Lamm, H. A. Gasteiger (eds.), John Wiley & Sons, LTD, Chichester, 2003.
2. H. Yokokawa and N. Sakai, Handbook of Fuel Cell, v.1, p. 219, W. Vielstich, A. Lamm, H. A. Gasteiger (eds.), John Wiley & Sons, LTD, Chichester, 2003.
3. N.Q. Minh and T. Takahashi, Science and Technology of Ceramic Fuel Cells, p. 15, Elsevier, Amsterdam, 1995.
4. D. Gielen and G. Simbolotti, Prospects for Hydrogen and Fuel Cells, p. 61, Report of International Energy Agency, 2005.
5. B. C. H. Steele and A. Heinzel, Nature, 414, 345 (2001).
6. J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, p. 71, John Wiley & Sons, LTD, Chichester, 2000.
7. R. O’Hayre, S.-W. Cha, W. Colella and F. B. Prinz, Fuel Cell Fundamentals, p. 292, John Wiley & Sons, INC, New York, 2006.
8. S. C. Singal and K. Kendall, High Temperature Solid Oxide Fuel Cells, p. 341, Elsevier INC, New York 2003.

표 1. 연료전지 종류 및 특징

        
그림 1. 수소생산 가격 예측 [4]
CCS: CO2 capture and storage
S/I cycle: Sulphur-iodine thermo-chemical H2 production cycle

그림 2. 연료전지 종류에 따른 연료개질 방법 비교[5]

그림 3. 전해질 종류에 따른 연료전지 작동 원리 및 특징 비교

표 2. 다양한 연료개질 반응의 장단점 비교

(a) PEMFC 시스템
(b) SOFC 시스템
그림 4. 화석연료를 사용할 경우의 고온 대 저온 연료전지 시스템 비교 :
(a) PEMFC 시스템과 (b) SOFC 시스템
그림 5. 응용분야별 연료전지의 경쟁기술들
그림 6. 다양한 연료들에 대한 에너지밀도 비교

필자약력
연세대학교 세라믹공학과 학사
연세대학교 세라믹공학과 석사
연세대학교 세라믹공학과 박사
Pennsylvania State University, Post-Doc.
KIST 연료전지연구센터 책임연구원

우리나라 SOFC 연료전지 연구개발 동향과 전망

마이크로 연료전지 기술과 세라믹스

윤영수 공학박사 건국대학교 신기술융합학과 교수

1. 서론
최근 반도체 산업이 고도화됨에 따라 이를 기본으로 미세 소자의 제작을 위한 마이크로 공정 기술 및 재료 개발이 세계적으로 급격하게 진행되고 있다. 마이크로 공정 기술과 재료 기술의 발전으로 인해 미세 소자의 소형와 및 정밀화가 크게 요구되고 있다. 이러한 소자의 가장 두드러진 특징은 전체적인 에너지의 소모가 상대적으로 과거의 소자보다는 작지만 아주 독특한 형태의 전원 특성을 갖는다는 것이다. 예를 들어 IT 등에 활용되는 전원의 경우는 에너지의 총 저장량 이상으로 짧은 시간에 원하는 수준의 에너지를 방출하는 동력 특성이 매우 중요하다. 다행이 마이크로 공정의 발전에 따라 휴대용 정보 소자 등에 사용되는 이차 전지를 소형화하여 마이크로 전원화하는 것에 대한 가능성이 점점 더 높아가고 있다. 그럼에도 불구하고 이차 전지가 가지는 재료적인 문제점(고출력하에서 바람직한 에너지 특성을 보이지 못하여 총 에너지를 전부 방출하지 못함)은 반드시 해결해야 할 문제점으로 인식되고 있다. 리튬계 이차 전지보다도 오래전에 그 원리나 상용화의 가능성이 제시되었음에도 불구하고 아직도 상용화 관점에서는 리튬계 이차 전지에 미치지 못하고 있는 연료전지는 위에서 언급한 소형 이차 전지가 보이는 문제점을 해결할 수 있는 아주 유망한 에너지원이다. 단순히 연료전지라는 관점에서 접근할 경우 (1)이차 전지보다 높은 에너지 밀도 (2)높은 에너지 변환 효율 (3)충전이 필요없는 Always-on형 전원 (4)무공해라는 특성을 보이지만 마이로로 공정(예를 들어 Microelectrome
chnical system : MEMS 기술) 기술을 적용하여 마이크로 연료전지화 하였을 경우 위의 장점 이외에 (5)이동성이 뛰어나며 (6)고출력 상황에서도 에너지 밀도 관점에서 손실이 발생하지 않는 장점이 추가되어진다. 이러한 특성을 갖는 연료전지를 마이크로 연료전지라 하며 통상 마이크로 연료전지는 그 용량이 100W이하이고, 미세 가공기술을 이용해 초소형으로 제조되어 휴대가 가능한 연료전지를 말한다. 이러한 마이크로 연료전지는 휴대폰, PDA, 노트북PC, 캠코더 등의 휴대용 전자기기 등의 전원으로 사용될 수 있다. 즉, 리튬계 이차 전지를 기본으로 한 마이크로 이차 전지가 소자와 On-chip화되는 개념의 전원인데 반하여 마이크로 연료전지는 휴대용화 하기 위해 마이크로 공정이 적용된 연료전지를 의미한다. 이 때문에 마이크로 연료전지의 상용화가 이루어질 경우 단순히 소형 이차 전지 시장의 대체라는 소극적 파급 효과가 아니라 소형 이차 전지와는 다른 새로운 거대 시장의 창출이 가능해질 것으로 판단된다.
그림 1은 Darnell group의 2003년도 1월 ‘Fuel Cells for Portable Power’ 보고서에 제시된 마이크로 연료전지의 시장 규모를 보이고 있다. 그러나 예측된 시장의 출발 시점 (예측 단계에서는 2003-2004년을 시장 출발 시점으로 보았으나 2006년 기준으로 볼 때 2008년 이후가 출발 시점으로 더 정확함)과 2006년 현재의 세계 시장 규모(6,500억원)은 훨씬 더디게 진행되고 있음을 알 수 있다.
이와 같이 2003년에 예측한 마이크로 연료 전지의 시장 예측이 잘 맞지 않는 이유로는 (1)아직까지는 이차 전지를 대신하여 사용하기에는 안정성 및 휴대성이 용이하지 않을 뿐 더러 (2)가격 경쟁력에서 이차 전지에 미치지 못하고 있기 때문이다. 이상의 두 가지 이유를 가지고 오는 이유는 (1)마이크로 연료전지의 제작을 위한 공정의 개발이 완전히 확립이 되지 않았을 뿐 아니라 가장 본질적인 원인으로는 (2)마이크로 연료전지에 적합한 소재가 등장하지 않았기 때문이다.  그럼에도 불구하고 최근에 많은 노력들은 마이크로 연료전지의 사용화가 노트북에서 실현되는 수준에 이르렀으며 조만간 PDA, 디지털 카메라, 캠코더와 시장 뿐 아니라 가장 큰 시장을 형성하는  휴대폰에서 한판 승부를 대기하고 있는 실정이다.

2. 본론
가. 마이크로 연료전지의 종류
실질적으로 기존 제시되고 있는 대부분의 연료전지들은 마이크로 공정을 이용하여 마이크로 연료전지화 될 수 있다. 그러나 아직까지는 전해질로 액체를 사용하고 있는 유형의 연료전지의 경우 마이크로 공정의 적용이 어렵기 때문에 다음의 세 가지가 가장 유력한 후보에 해당한다. 직접 메탄올 연료전지 (Direct Methanol Fuel Cell : DMFC)의 경우 현재 이루어지고 있는 마이크로 연료전지 연구의 주류를 이루고 있으며 특히 가장 먼저 상용화가 될 것이 확실하다. 표 1은 2003년 기준으로 예측된 마이크로 연료 전지 탑재 휴대 기기이며 출시 회사나 용도에 관계없이 모두 메탄올을 연료로 활용하는 DMFC에 해당한다.
다음이 고분자 연료전지( Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC)연료로서 수소를 사용하는 것 이외에는 DMFC와 거의 동일하다. 이 때문에 마이크로 연료전지를 위한 DMFC와 PEMFC는 서로 혼용되어 사용되는 경우도 있다. 끝으로 고체 산화물연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)로서 전극과 전해질이 모두 산화물 또는 산화물-금속 복합체로 이루어져 있다. 마이크로 공정이라는 관점에서 보면 SOFC형의 연료 저지가 가장 유리하며 실제로 SOFC를 구성하는 모든 재료는 마이크로 공정(박막, 후막, 패터닝, 식각)에 매우 우수한 Compatibility를 갖는다. 그러나 DMFC나 PEMFC에 비해서 높은 작동 온도는 마이크로 연료 전지화에 있어서 최대 걸림돌로 작용하며 이 때문에 아직까지는 마이크로 연료 전지로서는 SOFC의 상용화는 더욱 어려운 실정이다. 수소를 연료로 사용하는 PEMFC의 경우 벌크형 연료전지의 가시적인 상용화를 주도하고 있으나 소형화 되었을 때 수소 저장 문제 및 불특정 다수의 많은 사람의 소비에 따른 안정성 확보 문제 등을 가지고 있다. 이상의 경우를 보면 현 단계에서 마이크로 연료 전지로서 가장 적합한 연료전지의 형은 DMFC임을 알 수 있다. DMFC에 기반을 둔 마이크로 연료전지가 기존의 소형 이차 전지와 같이 상업화에 성공하기 위해서는 사회적인 요인 및 기술적으로 가격 저하, 소형화 및 내구성 증대와 같은 문제를 해결하여야 한다. 그림 2에 DMFC 기반 마이크로연료전지의 상용화를 위한 선결 과제를 나타내었다. (KISTI 자료 인용)

나. 시스템 기술로서 MEMS 기술의 적용
MEMS 기술은 연료전지 자체의 제작 뿐 아니라 시스템 구성 부품의 제작을 위해 전반적으로 활용되어진다. 효과적인 MEMS 기술의 구현을 위하여 기본적으로 전극이나 전해질을 제외한 재료로는 실리콘이나 유리를 활용하여야 한다. 특히 실리콘에 대해서는 MEMS와 관련된 많은 기반 기술 등이 완성 단계에 있기 때문에 통상의 마이크로 연료전지라 함은 실리콘 상에 구현된 DMFC를 의미하게 된다.  기존의 Bulk 공정과는 다르게 MEMS 공정은 연료 전지에 필요한 전해질, 양극 및 음극의 정확한 기하학적 설계 및 연료 전지 성능의 재현성을 극대화할 수 있는 장점을 갖는다. 특히 MEMS 공정의 하나인 봉지 기술 또는 접합 기술 등은 제작된 연료 전지에 최적의 패키징 기술을 적용할 수 있는 가능성을 극대화시킨다. 즉, 연료 전지의 주요 구성요소 및 연료 저장 용기를 포함한 패키징이 가능하여 연료 전지의 화학적 기계적 안정성을 증가시킬 수 있다. 또한 패키징된 연료 전지의 모듈화로 장수명의 고에너지 밀도를 가지는 스택 시스템화된 연료전지의 구현이 가능하다. 예를 들어 종래의 DMFC의 경우 연료 및 산소의 수송이 효율적이지 못한 단점이 있다. MEMS 기술을 이용하면 연료 및 산소의 수송과 밀접한 관련이 있는 확산 경로를 미세한 channel을 물리적으로 제조(bulk flow)하여 크게 줄일 수 있으므로 결과적으로 셀 스택의 성능을 향상 시킬 수 있게 된다. 미국의 모토롤라에서는 별도의 펌프가 장착된 직접 메탄올 방식의 소형 연료전지를 선보였으며, 스탠포드와 CWRU(Case Western Reserve University) 대학에서는 마이크로머시닝 기술을 이용한 15 mW의 급의 초소형 연료전지를 발표하였다. 최근에는 Bell lab의 Meyers는 다공성 Si 에칭, electropolishing 된 channel, Nafion막, Pt/C 촉매를 이용하여 60 mW/cm2의 측정값을 얻었다. 한편 미네소타 대학의 Kelley는 Si wafer, Nafion 막, Pt와 Pt-Ru 촉매막을 이용하여 130mW/cm2을 달성하였다.

다. 마이크로 연료전지 구성 소재
비록 MEMS와 같은 아주 유용한 기술의 적용에 의해 마이크로 연료전지의 상용화의 가능성이 매우 높아지고 있는 것은 사실이나 DMFC 기반 마이크로 연료전지의 경우 소재와 관련된 결정적 문제가 존재한다. 이러한 이유에서 마이크로 연료 전지의 상용화의 결정적 실마리는 소재에 있다고 할 수 있다. 우선 가격 경쟁력을 갖는 마이크로 연료전지의 제작을 위해서는 저가의 촉매 소재 개발이 필수적이다.  현재 사용되고 있는 메탄올 전극 촉매로는 백금-루테늄 복합체를 사용하고 있으며 출력 밀도를 높이기 위하여 수소를 사용하는 PEMFC의 경우보다 백금 담지량을 10배 이상의 수준(5mgPt/cm2)으로 하고 있다. 따라서 현재 사용하고 있는 백금계 촉매를 이용하여 상용화를 성공한다고 가정하더라도 시장 규모로 환산한 총 소재 소모량을 고려할 경우 실제로 활용 가능한 백금의 양이 부족할 수 있다. 이 때문에 탄소에 담지된 금속 촉매 소재의 개발도 보고되고 있으나 이는 현재까지는 벌크형 연료전지에서는 적용 가능성이 매우 높으나 박막 공정 등에 의하여 제작되어야 하는 경우에 적용을 하기 위해서는 박막형 탄소재에 나노 수준의 금속 촉매 담지체를 제작하는 기술이 확보되어야 한다.
   DMFC 기반 마이크로 연료전지를 구성하는 소재에서 해결해야할 가장 시급하고 중대한 문제는 고분자 전해질막인 나피온막 자체가 전해질로 작동하기 위하여 수분을 함유하여야하고 수분을 함유할 경우 약 30% 정도 팽윤(bloating)이 발생한다는 것이다. MEMS 공정은 기본적으로 건식의 공정이며 따라서 마이크로 연료전지의 제작시 나피온은 건조된 상태이며 이후 작동을 위해서 수분을 함유하도록 한다. 이 때 발생하는 팽윤은 단위셀 내에 매우 큰 스트레스를 유발하여 나피온 전해질과 접촉하고 있는 촉매 금속 등에서 균열이 발생하거나 심할 경우 박리를 발생시키게 된다. 이는 고전압을 위해 단위 면적당 작은 크기의 단위셀의 숫적 밀도를 높일 때, 즉 단위셀의 크기를 더 작게 할 때 더 심각한 문제를 발생시킨다. 나피온은 이외에도 분해되지 않은 메탄올이 공기극으로 넘어가는 Cross-over 현상을 보이고 있어 실제로 계산되는 개회로 전압(Open Circuit Voltage : OCV)을 얻을 수 없게 하여 에너지 밀도를 떨어뜨리게 된다. 이러한 이유에서 나피온을 대체하고자 하는 연구가 많이 시도되고 있으나 아직 고분자로는 나피온을 대체할 수 있는 소재가 개발되고 있지는 않다. 만일 세라믹 전해질이 개발된다면 나피온 전해질이 갖는 모든 문제점이 해결되어 마이크로 연료 전지의 상용화에 결정적 역할을 할 것이 틀림없다.

라. 최근 연구 내용 및 사례
DMFC 기반 마이크로 연료 전지의 핵심은 앞에서 언급한 바처럼 프로톤(H+) 전도도가 매우 높은 이온 교환막(혹은 층)을 개발하는 것이다. 또한 크기를 비약적으로 줄이기 위해서는 박막공정과 마이크로머시닝을 근간으로 하는 ULSI 공정으로 단위셀을 제작하는 것이다. 나피온을 포함하는 폴리머 전해질이 갖는 기술적 장해요인을 보완하기 위해서 매우 두꺼운 막으로 제작되는 실정이며 셀 자체의 크기를 증가시킨다. 또한 폴리머의 경우 일반적인 ULSI 공정과 compatible 하지 못하므로 완전한 monolithic 구조의 마이크로 연료전지의 제작은 매우 어려운 실정이다. 이러한 배경하에 산화물 등에 미리 프로톤을 함침시키는 방식으로 세라믹 전해질의 개발에 대한 연구가 일부 진행되고 있다. 또한 폴리머 전해질막을 이용하는 마이크로 연료전지의 경우 기본적인 셀 구조는 종래의 샌드위치형 구조(MEA)를 이용하고 단위셀의 크기를 줄이기 위해 bulk 혹은 surface micromachining을 이용한 trench 구조 혹은 microchannel 구조를 형성시켜 성능을 향상시키는 방법이 제시되고 있다. 효율적인 전극-전해질 계면의 반응을 위해 전극은 촉매와 복합체로 형성시키고 효율적인 프로톤의 이동을 위해 다공성 Si 멤브레인을 이용하려는 시도도 보고되고 있다.
일반적으로 MEMS 소자의 모든 구성요소들은 equivalent analog circuit으로 표시가 가능하여 SPICE와 같은 robust simulator로 전 시스템을 시뮬레이션 할 수 있다. 그러나, 특히 미세유로 device의 경우 이러한 equivalent analog로 표시가 불가능하므로 개개의 구성요소의 full simulation이 필요할 수 있다.
이 때문에 최근 microfluidic 시뮬레이터로 많이 연구되고 있는 SPICE-NεκTαr simulator의 사용에 의한 연료의 흐름, 공급 등에 대한 모사를 이용하는 보고가 있다. 종래의 DMFC의 경우 연료 및 산소의 수송이 효율적이지 못하다. 따라서 MEMS 기술을 이용하여 연료 및 산소의 수송과 밀접한 관련이 있는 확산 경로인 미세한 channel을 물리적으로 제조(bulk flow)하여 결과적으로 셀 스택의 성능을 향상시키려는 연구가 시도되고 있다.
크기가 큰 벌크형의 연료전지들의 공통점은 전극 사이에 전해질막이 샌드위치된 구조를 가지고 있는 반면 마이크로 연료전지의 구현을 위해서는 단순히 크기의 감소(scaling down) 만으로 최적의 구조를 이룰 수 없으며 구조의 재설계가 요구된다. 따라서 이를 위해서는 근간의 마이크로일렉트로닉스 기술을 이용하여야 하며 실리콘 기판에 on-chip형태로 집적된 Si-based 마이크로 연료전지는 적절한 대안이 될 수 있다.
1) 고분자막/전극 접합체 제조기술
고분자막/전극 접합체(MEA)는 메탄올과 공기의 전기화학 촉매 반응이 일어나는 전극과 수소이온의 전달이 일어나는 고분자막의 접합체로 정의된다.

- 국내의 경우
국내에서는 한국에너지기술연구원, KIST 및 삼성종합기술원 등에서 이동 전원용 연료전지를 개발중에 있는데, 특히 고효율 MEA 구조 및 제조 공정 분야에서는 선진기술에 근접한 수준이며, 300mW/cm2 (PEMFC, Non humidified H2/Air, 80℃, 상압) 및 50~100mW/cm2 (DMFC, MeOH/Air, 상온)의 출력밀도를 확보하고 있다. 그러나 군수 등에서 요구되고 있는 1cm2의 면적에 100mW의 전력밀도를 나타내는 수준의 전지의 경우 국내 연구가 전무하다.

- 외국의 경우
외국의 경우 LANL (미)과 JPL (미)이 관련 기술을 선도하고 있으며, 촉매와 관련한 기초기술 연구가 IIT(미), TUM(독), U. of Illinois(미) 등에서 활발히 진행중이다. 또한 저가의 고분자막/전극 접합체를 제조하기 위하여 DLR(ITT, 독일 항공우주연구소)에서는 건식 제조공정을 개발되었다.

2) 고분자 전해질막 제조 기술
- 수소이온전도성 고분자 전해질막은 고분자 연료전지의 가장 핵심적인 부분으로서, 고분자 전해질막의 특성에 의해 연료전지의 성능이 좌우된다. 수소이온 전도성 고분자막으로는 DuPont이 개발한 퍼플루오로설포닉산(perfluorosulfonic acid) 계통의 물질인 Nafion 이 가장 널리 사용되고 있으며, 이외에도 Asahi Glass나 Asahi Chemical에서도 전해질막을 개발하여 시판하고 있다.

- 국내에서는 (주)한화에서 나피온(Nafion)과 유사한 고분자막을 개발하였고, 삼성종합기술원에서는 나피온 대체 고분자막을 개발하여 0.1S/cm의 이온 전도도와 나피온 대비 메탄올 투과도(crossover) 40% 감소의 성능을 나타 내었다. 그 외에 한국에너지기술연구원, KIST, 등에서도 나피온계의 복합 고분자막과 새로운 고분자막 재료에 대한 연구를 진행하고 있다.

-  해외에서는 DuPont, Asahi, Gore 사 등이 본 기술을 선도하고 있으며, 남가주대(USC) 등의 연구기관에서도 메탄올 투과 억제 기능을 부여한 고분자막을 개발하고 있다. 캐나다의 Ballard 는 기존의 나피온(Nafion)막과 유사한 구조를 가진 BAM(Ballard Advanced Materials)이라는 전해질막을 개발하여 독자적으로 사용하고 있으며, 미국의 Gore는 비전도성의 다공성 막에 이온전도성 전해질을 함침시켜서 매우 얇은 막을 제조하였다. 현재 Gore의 PrimeaTM membrane은 두께가 30㎛에 불과하고 기계적 강도가 우수하여 가장 좋은 특성을 갖는 전해질막으로 알려져 있다. Asahi Glass는 Gore와는 달리 전해질 물질에 비전도성의 미세 섬유를 강화제로 첨가하여 막을 제조함으로써 막의 강도를 높이고, 두께를 얇게 하여 이온전도성을 향상시킬 수 있는 막을 개발하였다고 발표한 바 있다.

3) 스택 및 주변 시스템 제조 기술
- 스택이란 MEA, 바이폴라프레이트로 구성된 단위전지를 수직 수평으로 연결 하여 원하는 전압을 형성하도록 적층하는 기술이며(적층 없이 회로만으로 연결할 경우 쎌팩으로 정의됨), 주변 시스템은 제조된 스택의 최적 운전을 위한 시스템 설계, 제조, 운전 및 발생되는 전기의 변환기술 등을 포함하는 기술로 정의한다.

- 스택 제작에 사용되는 경량 고성능 바이폴라 판(bipolar plate)의 개발은 현재 미국, 일본 독일 등에서 활발히 이루어지고 있으며, 국내에서도 금속재료의 적용이 연구되고 있고, 복합재료를 사용하여 200um 두께의 Flexible Bipolar Plate가 개발되었다. MEMS 기술을 이용하는 연료전지의 경우 바이폴라 판을 사용하지 않는 새로운 구조이므로 이 분야의 보고는 극히 제한된 실정이다.

- 국내에서는 한국에너지기술연구원, KIST 및 삼성종합기술원 등에서 1W~180W의 DMFC 쎌팩 혹은 스택의 기술을 확보하였다. 특히 이동형 연료전지의 경우 공기호흡형으로 제조함이 중요한데, 고분자막/전극 접합체, 유로, 집전체(current collector) 및 연료 저장 용기를 포함한 패키징으로 제조하고, 스택으로 제작할 때는 연료전지 스택의 운전장치와 전력 변환 장치를 포함하는 시스템으로 제조해야한다.

- 해외에서는 DMFC의 경우 JPL(Jet Propulsion Lab.), MSI 및 LANL-Motorola 등에서 기술을 선도하고 있으며, 최근에는 미국의 관련기술 분야 최고 권위자들(Gottesfeld 박사, Narayanan 박사, Smotkin 교수 등)이 최근 이동전원용 연료전지를 위한 회사에 영입되거나 대규모의 자금지원을 받아 응용 연구에 착수하고 있는 추세이다.

- 국내에서 시도되고 있는 마이크로 연료전지의 경우 현재 시작단계에 있으며 KIST에서는 다공성 실리콘을 사용한 MEMS-based SOFC 연료전지의 경우 50mW/cm2의 실험치를 얻고 있음이 보고되고 있다. MEMS-based 마이크로 연료전지의 경우 국내의 기술수준은 선진국 대비 약 50% 정도라 판단되며 국내외에서 수행된 연료 전지 연구동향과 마이크로 연료 전지의 성능을 표 2와 표 3에 그림 3에 국외에서 발표된 다양한 구조의 Si MEMS based 마이크로 연료 전지의 구조를 각각 나타내었다.

윗 그림에서와 같이 국외 선진국에서는 몇몇의 연구그룹이 선도적으로 Si MEMS-based 마이크로 연료전지를 개발하고 있으며 미네소타대학의 Kelley는 Si wafer, Nafion Membrane 및 custom Pt, Pt-Ru catalysts coatings을 이용하여 130mW/cm2을 보고하였다. 이들의 목표는 이동형 기기에 응용할 수 있는 소형의 연료전지이며 이들의 개념을 이용하면 초소형 마이크로 연료 전지의 상용화 수준의 개발이 가능하리라 판단된다. 이들 선진국의 개념은 역시 DMFC의 본질적인 문제 즉 전해질로 사용되는 나피온 필름의 bloating 현상, 효율적인 microfluidics에 의한 최적의 연료 및 반응물질의 공급 및 배출의 문제를 완벽히 해결했다고는 생각되지 않으며 현재 시제품 실현의 단계에 있는 것으로 판단된다.

3. 결론
DMFC 기반 마이크로 연료 전지의 상용화에 따른 경제적 산업적 파급 효과는 의심의 여지가 없이 엄청난 것이다. 이는 리튬 이차 전지로 인해 휴대용 전자 기기가 급격히 발전할 수 있었던 것과 견줄 수 있는 수준의 것으로 예상된다. 현재까지 완전한 상용화를 위하여 극복해야할 많은 과제들이 남아 있지만 그 중에서도 저가의 촉매 소재의 개발 그리고 나피온을 대체할 수 있는 적절한 프로톤 전도체 (고분자 또는 세라믹 소재)의 개발이다. 이미 MEMS 등과 관련된 주변 요소 기술은 상용화를 가능하게 할 수준으로 발전되어 있다. 따라서 마이크로 연료전지의 개발은 누가 먼저 그 구성 소재를 개발하느냐가 핵심 관건이며 이러한 소재를 먼저 개발한다면 마이크로 연료 전지 뿐 아니라 나가서 벌크형 연료 전지 기술 분야에서도 세계적인 우위를 점유할 것이 틀림없을 것으로 판단된다.

그림 1. 마이크로 연료전지 시장 예측 규모

표 1. 2004년 출시 예상된 연료전지 탑재 휴대용 기기

 업  체              용 도        출 력        연료 형태     구동 시간
 NEC               노트북 14W(최대 24 W) 메탄올         5 시간
 도시바            노트북, PDA 12W(최대 20 W) 메탄올 5 시간
 Micro Fuel Cell 노트북 20W(최대 50 W) 메탄올        7 시간
 MTI Micro FC 휴대폰 0.5W(최대 3 W)   메탄올 -

그림 2. 마이크로 연료전지 상용화를 위한 선결 과제

표 2. 국내외 연구개발 현황

표 3. 선진국의 마이크로 연료 전지 연구 결과

그림 3. (a) Lawrence Livermore, (b) Minnesota 대학, (c) Bell lab (d) Sandia Lab에서
연구 중인 micro FC의 단위 cell 구조

필자약력
연세대 세라믹공학과 학사
KAIST 재료공학과 석사, 박사
경원대 전자공학과 겸임교수
KIST 책임연구원
건국대 신기술융합학과 조교수

< 본 사이트에는 표가 일부 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>