분산발전용 고체산화물 연료전지(SOFC)의 개발 동향 및 전망

장재혁 삼성전기 중앙연구소 수석연구원

I. 서론
고체산화물연료전지는 고체상의 세라믹을 전해질로 사용하여 600℃~1000℃의 고온에서 연료(H2, CO)와 산소(공기)의 전기화학반응에 의해 전기를 생산하므로 연료전지 중 가장 발전효율이 높고, 고온의 배기가스를 이용하여 열병합 발전이 용이하다.
SOFC의 가장 큰 장점은 열병합 발전, 고효율 발전이 가능하다는 점인데 이는 고온에서 운전함으로써 자체적인 발전 효율이 높고, 가압 조건에서도 운전이 가능하여 연료전지의 성능이 증가할 뿐만 아니라 고온, 고압의 배기가스를 이용하는 가스터빈을 연계하여 발전하면 전체 발전 시스템의 효율을 70% 이상 증가시킬 수 있기 때문이다.
또 하나의 장점은 사용연료의 다양성에 있다. 고온 작동이므로 값비싼 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 반응을 가속화시킬 수 있으며, 연료극 측에서의 내부 개질 반응이 가능하여 개질기를 간략화 할 수 있을 뿐만 아니라, 수소 이외에 천연가스 및 석탄가스 등의 다양한 연료를 사용할 수 있다. [그림 1]에 분산발전원의 발전 효율을 비교하였다.
SOFC는 가스엔진 등과 비교하면, 기동할 때 시간과 에너지를 필요로 하며, 기동정지를 반복하면 내구성이 저하되는 약점이 있으므로, 연속운전으로 베이스 전력 및 열을 공급할 수 있는 곳에 응용되는 것이 적합하다. 그러므로 연속운전이 기본인 SOFC는 일반적으로 호텔, 슈퍼마켓, 병원 등 야간전력 부하가 비교적 크고, 열 부하가 큰 건물용과 같은 분산발전에 적합한 방식이라 할 수 있다. 분산발전은 기존의 대규모 중앙 집중형 발전소와는 달리 전력수요지 근처에 배치된 발전소를 의미하는 것으로, SOFC 발전의 경우 대규모 발전소 건설에 필요한 대형 부지 불필요, 장거리 송전 손실의 저감, 고 효율발전, 저 공해, 저 CO2 발전, 저 소음 등 많은 장점이 있다. 수요지 또는 도심지에서 전력이 필요한 곳에 빠른 시간 내에 발전소를 건설할 수 가 있어서 분산발전으로 최적 기술이다.
전 세계 에너지 소비량 중 전력부문의 비중이 계속 증가하고 있으며, 세계 총 에너지 소비 가운데 전력부문은 2000년 38% 정도를 점하고 있으나, 향후 2020년에는 50%로 늘어나고 2050년에는 70% 수준에 도달할 것으로 예상되어 이에 따른 신규 대형발전소 건설의 어려움으로 분산전원에 대한 요구는 계속 증대되고 있다. [그림 2]에 SOFC의 분산형 전원 응용 예를 나타내었다.

II. 시장 
분산발전용 연료전지의 경우, moderate 시나리오에 따라 ‘10년까지 20GW, ‘20년까지 96GW로 성장이 예측된다.
연료전지 기술은 새로운 시장을 형성하는 신기술(예를 들어 IT분야)이 아니라 기존기술의 시장을 대체하는 것이기 때문에 가격 및 내구성이 가스터빈 및 내연기관에 비하여 월등할 경우 시장진입에 성공하게 될 것이라 추측된다.
따라서 시장진입에 성공하기 위해 가격 경쟁력($1,500/kW) 및 안정성(약 40,000 시간)을 확보한 시스템 구축이 필요하다.
전체 전력 용량 대비 분산 발전형 용량 전망을 예상해보면 2010년에는 4,135GWe의 발전량 중 414GWe 발전량이 분산발전으로 얻어지며, 시장 점유율은 10%에 이를 것이다. 또한 2020년의 경우 총 5,241GWe의 발전량 중 681GWe 발전량이 분산발전으로 얻어지며 시장 점유율은 13% 정도를 차지할 것으로 예상된다.
위와 같은 정보를 바탕으로 2030년까지의 SOFC 발전시스템을 이용한 총 발전용량과 SOFC 발전단가, 시장규모를 예측하면 다음과 같다. 상용화가 시작되는 2015년의 경우 SOFC 발전용량은 2.75GWe이며 발전단가는 300만원/kW으로 예상할 수 있으며, 2030년의 경우 총 발전용량은 240GWe, 발전단가는 90만원/kW이다. 
III. 주요기업 동향
① 미국
Siemens Power Generation (구Siemens Westinghouse)사는 길이 1m 이상의 원통 튜브형 셀(AES셀) 외부에 음극재료, 전해질 및 양극재료로 구성된 원통형 단전지를 연결해 100㎾급 SOFC 스택 개발해 11,000시간 이상 운전. 단전지로 6만9천 시간(>7년) 이상 연속 운전해 성능감소율 1%/1,000시간 이하이고, 114회의 thermal cycles 실험 수행하였다. 그러나 고가 제조공정(Electro Vapor Deposition법, 단전지당 2회 이상 공정소요)에 따른 생산원가 상승과 구조적 요인에 따른 발전효율 저하, 대량생산의 어려움 및 엄청난 생산설비 투자 등이 단점으로 지적되었다. 이후 250㎾급 SOFC 발전시스템까지 지속적으로 개발을 발표하였으나 향후 사업방향은 아직 불투명하다.
미국은 2000년 DOE 주관 SECA(Solid state Energy Conversion Alliance) 프로그램 통해 SOFC 상용화 목적으로 사업을 시작하였다. SECA에서는 GE, Delphi 등 산업체와 PNNL, ANL, ORNL 등 국립연구소들이 컨소시엄 구성하여 연구진행 하였다. 이들은 단전지 대면적화, 구성요소 박막화를 통한 소재비 절감과 부품 양산공정 통한 시스템 경제성 확보에 집중하고 있고, SOFC 성능향상 기술개발은 Georgia Tech, Florida, Utah 대학 등 연구소 및 대학팀들 위주 진행되고 있다.
② 일본
1974년 Sunshine 계획에 따라 MITI(통상산업성)에서 원통형 쪽에 연구개발 자금 지원 이후 ETL(전기기술연구소), MHI(미쓰비시 중공업), Fujikura, NKK, JFCC(일본 파인세라믹) 참여하였다. NEDO와 AIST(Agency of Industrial Science and Technology)가 New sunshine 계획을 지원하였다. 여기에는 NIMC, ETL, NIRE 참여 하며 NEDO의 지원 개발로는 원통형 SOFC로 TOTO사, Kyushu 전력, Nippon Steel이 참여하였다. 평판형 SOFC는 Chubu 전력, 도쿄가스, SOFC 구성재료 개발에는 CRIEPI와 JFCC, 각 대학들이 참여하였다. NEDO 연구개발 계획 따라 Westinghouse사 원통형 25㎾급 실증실험 (3,000시간 운전). MHI(미쓰비시 중공업) 밴드형 셀 개발하여 150㎾급 스택 가압 하에 7,000시간 운전하였다. MHI는 또한 중부전력과 공동으로 5㎾급 SOFC module(ceramic interconnector 사용)을 개발해 운전하였고, 2001년 25㎾급 SOFC 시스템 개발해 3,000시간 운전하였다. 최근에는 NEDO 과제로 200kW급 SOFC-MGT(Micro Gas Turbine) combined cycle system(SOFC: 200kW-DC, MGT: 41KW-AC)을 개발하고 있다. 이외에도 AIST, 도호쿠 대학, 요코하마 대학 등에서 SOFC 요소기술 연구 진행중에 있다.
③ 유럽
1974년 1차 오일쇼크 이후에 SOFC 연구개발 시작. 평판형과 800℃ 부근에서 운전되는 중온형 연구개발 중점을 두고 있다. 기초연구, 스택개발, scale-up 및 시스템 개발은 Brite/Joule Program DG XII, 신 에너지 기술 및 경제성 평가는 Thermie Program DG VII, Energie Program, IEA의 SOFC개발 사업 진행은(독일, 프랑스, 영국, 이탈리아, 네덜란드, 덴마크, 스위스, 노르웨이 및 일본) (Forschungszentrum) Juelich 연구소(독일)에서 주관하고 있고, Siemens, Dornier, Rolls Royce 등의 기업이 참여하고 있다.
네덜란드 ECN사는 Cell 제조사 InDEC를 지원, 스위스의 Sulzer사에 cell을 공급하고, 상용화용 40㎾급 SOFC-GT 개발 중에 있다.
스위스 Sulzer-Hexis社는 ceramic/metal Hybrid design 개발 중으로, 1993년 40개의 단전지를 적층한 1㎾급 스택을 개발하였다, 세라믹/금속접합과 열 시스템을 개발하여, 현재 평판 원반형 SOFC를 기본 구조로 하는 3㎾급 스택으로 난방과 발전을 겸하는 소형 주거용(RPG, Residenrial Power Generation) SOFC 시스템 개발 중에 있다. (Ceramatec社에서 세라믹 구성요소 제작)
주요 국가의 개발현황을 종합해보면 평판형 SOFC는 전력밀도 및 생산성이 높고 전해질 박막화가 가능하다는 가장 큰 장점이 있다. 반면에 평판형의 단점은 별도의 밀봉재를 이용한 기체밀봉이 요구된다는 점과 고온에서 금속연결재의 사용에 다른 크롬 휘발로 인한 전극효율의 저하문제가 매우 크며, 열싸이클에 대한 저항성이 낮아 이러한 문제점을 해결하는 것이 가장 시급한 문제이다. 대면적 셀의 제조가 어렵고, 실링이 어려워 대용량 보다 중 소형 스택의 제작이 주로 진행되어 왔다. 현재 셀은 30cm×30cm 정도 크기, 스택은 10~20kW급의 스택이 개발되었다.
원통형 SOFC의 경우는 기체 밀봉이 필요 없고 기계적 강도가 우수할 뿐 아니라 많은 시험 항목에서 신뢰성이 검증되었기 때문에, 분산발전용의 상용화에 가장 근접한 SOFC 디자인으로 평가 받고 있다. 그러나 전류의 이동 경로가 길기 때문에 내부저항이 높고 면적당, 부피당 출력밀도가 낮은 단점이 극복되어야 하겠다.
현 기술 동향은 20kW급 이상의 분산발전용 SOFC 시스템은 Siemens나 Rolls-Royce처럼 대부분 원통형 또는 개량 원통형 셀을 사용한 스택을 채택하고 있다. 10kW급 이하의 가정/상업용의 경우 미국의 Versa power와 대부분의 유럽업체들 처럼 평판형 셀을 채택하고 있는 경우와 미국의 Acumentrics 와 일본의 TOTO, Kyocera와 같이 원통형(개량원통형) 셀을 채택하고 있는 업체들로 나뉘어져 있다.

IV. 상용화를 위해 극복해야 할 과제
대부분이 세라믹 소재인 SOFC의 단전지 및 스택 내부에 응력(열응력 포함)이 발생하면 공정결함의 크기가 임계 응력을 결정짓는 주요요소로 작용하게 된다. 구성소재 및 부품 제조공정중의 공정결함을 최소한으로 줄이는 것이 제조공정 수율의 확보는 물론 작동 과정 중 구성소재 및 부품의 장기안정성을 확립함으로써 스택의 경제성을 확보하는데 가장 선결조건이 된다.
단전지의 대형화는 SOFC의 경제성 확보를 위하여 매우 중요한 이슈중의 하나로 단전지의 반응 면적을 100cm2에서 400cm2로 대형화 할 경우 스택에 사용되는 재료비는 거의 4분의 1 수준으로 저감되는 것으로 추정된다.
단전지의 경제성 확보에 가장 큰 장애요인으로는 높은 원료단가, 공정 재현성 부족, 형상 및 크기의 자유도 부족, 긴 부품개발기간 등을 들 수 있으며 특히 치수공차를 만족하기 위한 과도한 가공비가 걸림돌이 되고 있다. 특히 전통적인 분말공정을 거치는 단전지 제조공정은 성형단계가 대부분 습식공정이기 때문에 전해질을 제외한 대부분의 구성 소재가 복합재료인 전극과 밀봉재 등의 균일성을 저해하는 요인으로 작용해 공정 재현성 확보에도 많은 어려움이 있다. 대량생산공정 단계에서도 소재 및 부품의 균일성을 보장할 수 있도록 원료분말 단계에서의 리엔지니어링, 가공비 저감을 위한 실형상 제조 그리고 공정 결함이 최소화되는 공정기술의 개발 등을 통해 제조공정의 경제성을 확보하는 것이 필요하다.

그림 1. 분산발전원의 발전 효율 비교
그림 2. SOFC의 분산형 전원으로의 응용 예
그림 3. 전 세계 총 발전량 대비 분산 발전 용량의 비교 및 전망

표 1. 발전용 연료전지 시장 규모 및 기관별 발전용 연료전지 시장 규모

표 2. SOFC 발전시스템 개발 업체 및 특성

장재혁
연세대학교 세라믹공학과 공학박사
Researching Staff, NYSCC at Alfred university
현재 삼성전기 중앙연구소 수석연구원

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