차세대 태양전지  개발을 위한 세라믹스 역할
신동열 한국에너지기술연구원 신재생에너지연구본부 신연료전지연구센터 책임연구원
송락현 한국에너지기술연구원 신재생에너지연구본부 신연료전지연구센터 책임연구원
임탁형 한국에너지기술연구원 신재생에너지연구본부 신연료전지연구센터 선임연구원
이승복 한국에너지기술연구원 신재생에너지연구본부 신연료전지연구센터 선임연구원

서론
세라믹 연료전지는 세라믹 구성요소의 대부분이 금속산화물로 되어 있어 고체산화물 연료전지(SOFC: solid oxide fuel cell)라고도 부른다. SOFC의 핵심 기술이 세라믹 기술에 있기 때문에 세라미스트의 역할이 어떤 다른 기술들보다 더 중요한 분야이다. 미래 발전 기술은친환경 고효율 발전으로 전환될 것으로 예측되기 때문에 SOFC산업의 번창과 더불어 세라믹 또한 제2의 번성기를 맞을 것으로 예상된다. 국가 에너지 전문 기관인 한국에너지기술연구원에서는 1994년 이후로 다양한 세라믹 연료전지 분야를 연구개발하고 있는데, 대표적으로 가스터빈/연료전지 하이브리드 SOFC 발전시스템 개발, 보조전원(APU)용 SOFC 발전시스템 개발, 평관형 SOFC 요소 및 스택 모듈 원천기술개발 연구를 수행하고 있다.
 가스터빈/연료전지 하이브리드 SOFC 발전시스템 개발의 경우, 5kW 급 SOFC 스택 본체는 독일 율리히 연구소에서 도입하여 상압에서 연료로 수소를 주입해 약 8.1kW의 출력을 생산하는 상압형 SOFC 발전시스템을 개발했다. 또한, SOFC 발전시스템과 상압 및 가압 개질기 연계운전을 수행해 각각 4.7 및 5.3 kW의 출력을 생산해 냈으며, 최종적으로 가스터빈과 하이브리드 연계 운전을 실시해 가스터빈-연료전지 하이브리드 발전시스템 운전 절차를 확립했고, 5.1kW의 출력을 생산해 냈다. 
보조전원(APU) SOFC 발전시스템 개발의 경우, 연료극 지지체식 튜브 셀 및 이를 이용한 급속 기동형 SOFC 스택을 개발했으며, APU SOFC 발전시스템용 디젤 개질기, APU SOFC 발전시스템용 BOP 시작품 등 보조전원용 compact SOFC 시스템 기술 개발을 완료하였다. 
평관형 SOFC 요소 및 스택 모듈 원천기술 개발의 경우 한국에너지기술연구원에서 보유한 평관형 SOFC 셀과 스택 제조 특허 기술을 바탕으로 적용 분야별 평관형 SOFC 스택 모듈 기술 개발뿐만 아니라 스택 구성 부품들의 핵심소재 요소기술을 개발하고 있다. 특히 전해질 박막화 공정, 전극 전류집전, 금속 및 세라믹 접합을 최적화시킨 브레이징 공정 등의 핵심소재 기술을 중점적으로 개발하고 있다.
본 원고에서는 이러한 SOFC 연구개발 내용을 바탕으로 한국에너지기술연구원에서 수행하는 SOFC 연구개발 현황을 소개하고 그러한 기술 동향을 분석해봄으로써 향후 세라믹 기술의 역할과 세라믹 산업의 나아가야할 방향을 설정하는데 도움이 되고자 한다. 

본론
1. 세라믹 연료전지의 최종 목적지인 가스터빈 /
   연료전지 하이브리드 SOFC 발전시스템 개발
세라믹 연료전지인 SOFC의 최대 목표는 가스터빈/연료전지 하이브리드 발전시스템이다. 이 하이브리드 발전 시스템은 이론적으로 지금까지 발전 시스템 가운데 최대 효율을 나타내고 있다. 이 꿈의 발전 시스템의 실현은 모든 세라미스트의 목표이기도 하다. 실험적으로도 이 기술은 일부 증명되어지고 있다. SOFC/가스터빈 하이브리드 발전 시스템은 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 하이브리드 발전시스템은 다른 열기관의 효율과 비교할 경우, 1MW 미만의 규모에서도 기존의 대형 발전용 시스템과 유사한 효율을 보이며, 그보다 용량이 커질 경우 그 효율은 여타 다른 기관들에 비하여 월등히 높을 것으로 예상된다. 이러한 장점을 갖는 가스터빈/연료전지 하이브리드 시스템에서 연료전지로서는 SOFC가 상당히 선호되고 있으며, 이러한 가스터빈/SOFC 복합발전 시스템이 연구자들의 주된 관심사가 되고 있다. 따라서 한국에너지기술연구소에서는 이러한 연구개발 배경을 바탕으로 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템용 SOFC 발전시스템을 개발했는데, 다음과 같은 운전특징(표 1)을 갖고 있으며, 수행된 연구개발 내용(표 2)은 다음과 같다.
연구개발 결과로 가스터빈/연료전지 하이브리드 발전시스템용 가압형 5kW급 SOFC 발전시스템 (그림 1 및 그림 2)과 5kW급 고연료전환율 수증기 개질기를 개발했다. 최종적으로 연료는 LNG를 주입해 단독으로 상압/가압 개질기-SOFC 연계운전을 성공(5.3kW)해서 안정적인 상압/가압 SOFC 발전시스템 운전절차를 확립했고, 이를 바탕으로 LNG 주입 가압 연료전지-가스터빈 하이브리드 시스템 운전을 성공(5.1kW)하여 운전기술에 대한 특허를 출원 중에 있다.
  이 하이브리드의 핵심은 고강도, 내압 특성을 갖는 세라믹 기술의 개발에 달려 있다. 이 기술의 개발을 통해 고온 고압에 강한 SOFC 기술을 개발하여야 한다. 특히 세라믹 밀봉재 개발, 고이온 전도성 전해질, 고강도 세라믹 셀, 고온 내구성을 갖는 세라믹 전극은 핵심 가운데 핵심 기술에 해당된다. 향후 세라믹 산업은 이러한 SOFC의 핵심 부품 소재를 개발하는 방향으로 진행될 것으로 예측되고 있다.

2. 보조전원(APU) SOFC 발전시스템 개발
과거 세라믹 엔진의 개발이 주요 이슈가 된 적이 있다. 모든 차량엔진을 세라믹 엔진으로 대체하기 위한 것이다. 현재는 SOFC 발전기를 차량에 탑재하고자 한다. 기존의 기계엔진은 너무 효율이 낮기 때문이다. 지금 개발중인 차량용 SOFC 발전기는 주로 보조전원(APU)으로 사용되고 있다. 제3세대 연료전지로 일컬어지는 고체산화물 연료전지를 이용한 보조전원  용 발전시스템은 우리의 미래 에너지의 경제와 모든 응용분야의 에너지원으로 사용될 주 분야로 기대되고 있다. 다음 세대에는 연료전지 등 수소를 기반으로 하는 재생에너지가 석유, 석탄 등의 화석연료와 함께 에너지, 환경 분야에서 주요한 시장을 차지하게 될 것으로 예견된다. 원유도입단가가 지속적으로 증가세를 보이고 있고 중동지역의 불안정한 정세로 인해 근본적인 에너지 자원 확충을 통한 안정적인 대체 에너지의 공급이 필요한 시점에서 선진국 형 대체에너지 기술인 고효율 저공해 APU 용 SOFC 발전시스템이 성공리에 운전될 경우, 에너지의 자립화가 가능할 뿐 아니라 타 분야에서의 파급효과도 커서 경제성이 우수할 것으로 추정된다.
 APU 용 고체산화물 연료전지 (SOFC) 발전시스템은 규모와 관계없이 연료 전처리부, 공기 예열부, 연료전지 본체, 전력변환 및 시스템 제어부, 열 회수부로 구성되며 발전시스템의 출력은 연료전지 스택의 특성에 크게 의존하여 연료전지 스택이 APU 용 SOFC 발전 시스템의 핵심기술에 해당된다. 연료전지 발전시스템의 심장부인 발전기에 해당되는 연료전지 스택은 가격측면에서 시스템에 차지하는 비중에 약 30% 이상으로 평가되고 있으므로 APU 용 SOFC 발전시스템의 실용화를 위해서는 스택의 핵심기술, 시스템의 핵심 요소기술이 반드시 개발되어야 한다. 선진국의 경우 국가적 차원에서 전략적으로 기술을 보호하고 있기 때문에 가능한 저가의 제조공정과 저렴한 소재를 채택하여 우리의 고유한 스택 기술을 확보하는 것이 중요할 것으로 판단된다. 따라서 이러한 연구개발 배경을 바탕으로 한국에너지기술연구원에서 개발되는 보조전원 (APU)용 SOFC 발전시스템의 특징 및 연구개발 내용은 표 3에 잘 나타나 있다.
연구개발 결과로는 1kW급 연료극 지지체 튜브형 SOFC 스택을 제조하여 작동 온도 750℃에서 최고출력 1.1kW를 갖는 튜브형 SOFC 스택 (그림 3)을 국내 최초로 개발하였다. 또한 스택을 구성하는 단위 번들의 경우 1000 시간 연속 운전을 하여 성능저하가 없었으며, 단위 번들을 구성하는 SOFC 단전지의 경우 30회의 열 사이클 후에 성능감소가 5% 미만이었다. 또한, APU SOFC 시스템용 hot box 및 요소장치와 SOFC 시스템 intergation 기술 및 자동운전 기술 개발을 완료했으며, 전환율 99%를 갖는 고성능 디젤 연료개질용 코크 방지 부분산화 촉매와 3분 이내의 급속 기동 특성을 갖는 APU 용 디젤 연료개질기(그림 4)를 개발하였다.  

3. 평관형 SOFC 요소 및
    스택 모듈 원천기술개발
세라믹은 다양한 형태로 제조가 가능하다. 형상에 따라 동일한 재질도 물리적 특성이 달라지게 되는 것이 세라믹이다. 이 가운데 튜브형과 판상형을 조합한 평관형 세라믹 기술이 우수성을 나타내고 있다.
평관형 (Flat tube) SOFC는 원통형 SOFC 및 평판형 SOFC가 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 요소 및 스택 모듈 원천기술개발에 대한 연구개발내용은 표 4에 잘 나타나 있다.
연구개발 결과로는 2007년도에 개발된 평관형 1kW 급 SOFC 스택 (그림 5 및 그림 6)을 콤팩트하게 제작하고자 스택 적층에 사용되는 단위번들의 성능 개선을 목적으로 연구가 이뤄지고 있으며, 평관형 SOFC 스택모듈에 사용되는 단위 전지들의 성능 개선과 전해질 박막화 공정, 전극 전류집전, 금속 및 세라믹 접합을 최적화시킨 브레이징 공정 등의 핵심소재 기술을 중점적으로 개발하여 구성 핵심 소재의 신뢰성과 내구성 향상을 이루고자 하고 있다. 

결론
앞서 간략히 살펴본 고체 산화물 연료전지(SOFC) 기술을 바탕으로 청정 고효율 발전기술인 SOFC에 세라믹 기술이 얼마나 중요한 역할을 하고 있는지 짐작할 수 있을 것으로 생각된다.
소재의 한 분야인 세라믹 기술은 종종 주력 산업에서 소외되어 발전되어온 면이 없지 않다. 고유가 기후 협약 대응기술 개발 등 지금 우리나라가 처한 에너지 환경 산업을 극복하기 위해서는 SOFC 기술의 개발은 무엇보다 중요하다. 선진국들은 향후 미래의 주력 발전 기술로 연료전지 기술을 꼽고 있다. 연료전지 가운데서도 발전용의 대부분을 SOFC 산업이 차지할 것으로 전망하고 있다. SOFC 기술의 발전을 위해서는 핵심 기술인 세라미스트의 역할은 어느 때 보다 중요하다. 이러한 배경을 바탕으로 한국에너지기술연구원에서는 SOFC 발전시스템의 전반적인 성능 향상과 실용보급 조기 정착을 위한 시장 진입 모듈형 SOFC 개발로 실용화 기반을 확보하고자 노력하고 있으며, 향후 SOFC 산업의 활성화에 대비하기 위한 세라믹 인력 양성도 추진하고 있다. SOFC 기술은 발전용, 가정용 전원, 차량용 보조전원, 비행기 보조전원, 휴대용 전원 등 여러 분야에 기술 개발이 진행되고 있다. 그야 말로 기술 전쟁 하에 놓여 있는 샘이다.
한국에너지기술연구원에서는 주력 분야 가운데 한 분야인 중대형 발전시스템 기술 개발에 앞서 중간단계로서 소형 발전 시스템의  독립전원, 가정용 발전 시스템, 자동차 보조동력원 (예 : 1㎾급, 2㎾급)등으로 제품화 전략을 마련하고 있다. 이를 위해서 가스터빈/연료전지 하이브리드 시스템용 SOFC 발전시스템 개발, 보조전원(APU) SOFC 발전시스템 개발, 평관형 SOFC 요소 및 스택 모듈 원천기술개발을 진행하고 있으며, 더 나아가 SOFC 시스템의 경제성 확보를 위하여 구성요소 대형화와 고성능화 기술 개발을 병행하고 있다. 이러한 연구개발을 통하여 차세대 에너지 변환장치로 각광받고 있는 SOFC 발전시스템 관련 소재 및 부품에 대한 세라믹 요소 기술을 확보하고 관련 세라믹 업체의 참여를 유도하여 해당 업체 간의 안정적인 네트워크 형성을 이루고 궁극적으로 SOFC 발전 시스템의 상용화시기를 앞당기는데 기여하고자 한다. 

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] S.C. Singhal In: S.C. Singhal and M. Dokiya, Editors, SOFC VI, The Electrochemical Society, Pennington, NJ (1999), p. 39.
[4] M. Prisca, T. Alston and K. Kendall In: U. Stimming, S.C. Singhal, H. Tagawa and W. Lehnert, Editors, SOFC V, The Electrochemical Society, Pennington, NJ (1997), p. 619.
[5] Y. Akiyama, T. Yasuo, N. Ishida, S. Taniguchi and T. Saito In: S.C. Singhal and H. Iwahara, Editors, SOFC III, The Electrochemical Society, Pennington, NJ (1993), p. 724.
[6] T. Ishihara, K. Sato and Y. Takita, J. Am. Ceram. Soc. 79 (1996), p. 913.
[7] T. H. Lim, R. H. Song, D. R. Shin, J. I. Yang, H. Jung, I. C. Vinke and S. S. Yang, In. J. of Hydrogen Energy 33 (2008), p. 1076.
[8] S. B. Lee, T. H. Lim, R. H. Song, D. R. Shin and S. K. Dong, In. J. of Hydrogen Energy 33 (2008), p. 2330.
[9]송락현 외 13명, 가스터빈/연료전지 혼합발전용 고체산화물 연료전지 개발 최종보고서, 2005, 산업자원부
[10] 신동열 외 36명, 보조전원(APU)용 고체산화물 연료전지 (SOFC) 발전시스템 개발 최종보고서, 2007, 지식경제부
[11] 동열 외 15명, 고체산화물 연료전지 요소 및 스택 모듈 기술 개발 2차년도 보고서, 2007, 공공기술연구회

표 1. 가스터빈-연료전지 하이브리드 시스템용 SOFC 발전시스템의 특성
표 2. GT-FC 혼합발전용 SOFC 발전시스템 연구개발 내용
그림 1. 연료전지-가스터빈 하이브리드용 SOFC 발전장치 (가압용기, 가열로, SOFC 스택)
그림 2. 연료전지-가스터빈 하이브리드 시스템의 개략도
그림 3. APU 용 관형 SOFC 스택
그림 4. APU 용 디젤 개질기
그림 5. 1kW급 평관형 SOFC 스택
그림 6. 평관형 SOFC 스택의 성능 곡선

표 3. 보조전원용 SOFC 발전시스템 개발 연구내용
표 4. 평관형 SOFC 스택 및 스택 모듈 원천기술개발 연구내용
 

신동열
고려대학교 전기공학과 석박사
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 책임연구원

송락현
부산대학교 금속재료공학과 학사
KAIST 재료공학과 석박사
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 책임연구원

임탁형
KAIST 생명화학공학과 박사
현 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 선임연구원

이승복
고려대학교 재료공학 학사
KAIST 재료공학 석박사
(주)삼성전기 전자소자사업부 책임연구원
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 선임연구원

< 본 사이트에는 표가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조 바랍니다.>