수송용 보조전원(APU)용
고체산화물연료전지 기술 동향

이승복·송락현·임탁형·신동열·박석주  한국에너지기술연구원 연료전지연구단

1. 서론
고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cell: SOFC)는 연료기체가 소유하고 있는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 에너지 변환 장치이다. 고체산화물 연료전지의 특성은 인산형 및 용융탄산염형 연료전지 등 다른 연료전지에 비해 효율이 높고 공해가 적으며, 연료 개질기가 필요없고 연료전지-가스터빈-증기터빈과 연계한 복합발전이 가능하다는 것이다. 고체산화물 연료전지는 기하학적인 모양에 따라 원통형, 평판형, 일체형 등으로 나누어진다. 이 가운데 원통형 연료전지의 기술이 가장 많이 개발되어져 있으며, 그 뒤를 이어 평판형이 빠른 속도로 연구개발이 진행되고 있는 실정이다. 현재 기술개발을 보면, 구조별로 적용분야가 달라지고 있으며, 소형 시스템에서부터 대형시스템까지 여러 분야에서 기술 개발이 진행되고 있는 상황이다.
고체산화물 연료전지는 수용액을 전해질로 사용하는 저온형 연료전지인 인산형, 용융탄산염에 존재하는 부식문제, 고가 촉매, 전해질 제어, 개질기 도입 등의 단점은 없으나, 고체산화물 연료전지를 이루는 구성요소의 대부분이 세라믹으로 이루어져 있고 섭씨 700-1000도의 고온에서 작동되기 때문에 재료간의 반응문제 및 신소재 개발, 전극특성 향상, 스택 제조, 운전시험 평가 등이 주요한 연구과제들로 대두되고 있다. 대부분의 문제들은 재료와 관련되어 있으며, 특히 고체산화물 연료전지를 실용화하기 위해서는 수명이 길고 성능이 우수한 대면적의 전해질 및 전극의 제조, 단전지 제조 기술 개발, 스택 제조 및 발전시스템 기술 등이 개발되어야 한다. 고체산화물 연료전지 발전시스템 기술은 분산전원으로서 대형발전시스템용, 주거용, 이동용, 보조전원용등의 형태로 기술이 개발되어지고 있으며, 기술의 급속한 발전으로 인해 수년 내에 상용화가 확실시 되고 있다.
최근에는 SOFC 기술을 자동차의 전원에 응용하려는 연구개발이 활발히 이루어지고 있으며, 현재의 기술적인 측면을 고려하여 우선 보조전원 (Auxiliary Power Unit, APU)용으로 고려되고 있다.

2. 수송용 보조전원(APU)용 SOFC 발전기술 개요
세계적으로 연료전지를 이용한 다양한 응용분야 중에서 APU용 발전시스템 개발은 고 효율화와 함께 추진력을 얻기 위한 양자교환막 (PEM) 연료전지 방식이 선호되었으며, 이를 목적으로 주변 BOP 장치의 기술개발이 이루어져 왔다. 이러한 PEM 연료전지 설비를 중심으로 구성된 APU 발전시스템은 효율적 시스템 관리라는 측면에서는 큰 장점을 가지고 있으나, 근래에 들어서는 몇 가지 결정적인 문제점들로 인해 더 이상의 규모확대에 대한 당위성에 의문이 던져지고 있다. 대표적인 문제점으로는 APU 용 PEM 연료전지 발전시스템의 경우 PEM 개질기 및 스택 자체가 매우 상이한 온도에서 조업되며, 복잡한 다중 단계의 개질 시스템에 대해 각 단계마다 열적인 정상상태를 필수적으로 유지시켜줘야 한다는 것 등이다.
이에 따라 앞에 언급된 문제점을 극복하고자 보조전원 (APU) 발전시스템은 PEM 연료전지 발전시스템으로부터 SOFC 발전시스템으로 변화되고 있다. 이러한 차세대 동력원의 요구 조건으로는 기존의 동력원에 비하여 전력 효율성이 높아 경제성이 우수하여야 하며, 현재 인류가 당면하고 있는 최대 현안인 환경문제에 적합한 환경 친화적이어야 한다는 것이다. 공해 배출물이 적어야 한다는 것은 이미 대규모 발전설비를 비롯한 모든 산업 현장에서 지켜져야 할 필수 사항이지만, 특별히 전력의 수요처에 가깝거나 바로 수요처에 위치하여야 하는 소형 시스템에서는 그 요구조건이 더욱 강화될 것은 자명하다.
APU 용 SOFC 발전시스템은 고체산화물 연료전지에 바탕을 둔 발전기 역할을 함으로서 개질 연료 (가솔린, 디젤, 천연가스로부터의 수소와 CO)와 이온전도성 세라믹 막을 가로지르는 산소를 전기화학적으로 조합함으로서 얻어지는 전력의 효율적인 비용, 고효율 운전 특성들을 갖고 있다. 특히, APU 용 SOFC 발전시스템은 운송설비 엔진에 대한 독립적인 조업이 가능하며, 엔진 시동 및 정지 시 고효율의 전력을 제공한다. 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 운송장비 유니트는 다른 상업용 (지게차, 특장차, 냉동차 등) 및 여가용 운송설비 (캠핑 자동차)로서 사용될 수 있다.
다른 APU 용 연료전지 발전시스템과 APU 용 SOFC 시스템을 구분 짖게 하는 가장 큰 특징은 엔진운전과 독립적으로 전력을 청정하게, 고효율로 공급해 준다는 것이다. 또한, 운송설비 배터리로부터 전력을 끌어오거나 엔진에 영향을 주지 않고 전력공급을 정상상태로 안정하게 제공해줄 수 있다. APU 용 SOFC 발전시스템은 전통적인 엔진을 이용할 경우 2배 이상에 해당하는 전력 효율성을 나타내면서 운전될 수 있다. 더불어, APU 용 SOFC 발전 시스템은 개질연료를 사용해 오염물질을 적게 방출하고, 냉각 급속시동 및 일시운전을 필히 수반하가 때문에 기동성이 용이하다. 이밖에 고려될 수 있는 APU 용 SOFC 발전시스템의 특징으로는 전력 효율성이 높고, 다양한 탄화수소 연료 (가솔린, 천연가스, 디젤)를 이용할 수 있다는 것이다. 다른 일반적인 연료전지에 비해서 황 같은 불순물에 대한 내구성이 비교적 우수하며, 귀금속 촉매들이 필요하지 않고, 건조한 전해질을 사용한다. 세라믹 상태의 전해질에 대해 단위운전이 비교적 간단히 이뤄지고, 자동차 엔진 및 전기적 시스템과는 독립적으로 운전이 가능하다. 이러한 측면에서 APU 용 SOFC 발전시스템은 여타의 다른 발전 시스템에 비하여 여러 가지 장점 (고효율, 고성능, 폐열 사용 가능, 연료의 다양성, 수분 첨가/처리 시스템의 불필요, 신속한 기동시간, 최소한의 조업 유동성, 적당한 환수시간, 낮은 황 배출, 저부피의 효율적인 시스템, 열 사이클에 대한 저항 우수성)을 구비하고 있으나, 실용화에는 상당히 후미에 있는 느낌을 지니고 있다. 이는 구성소재가 모두 세라믹을 근거로 하기 때문이며, 소재의 제조공정 및 부품양산, 기술 확립 등이 필수적으로 이루어져야 한다.
이와 같은 다양한 필요성을 갖으면서 개발되고 있는 APU 용 SOFC 발전시스템의 핵심 기술이자 3세대 연료전지인 SOFC는 ①종래의 다른 연료전지에 비해 복잡한 외부 개질 시스템이 필요 없으며, ②백금 등의 귀금속 전극촉매를 사용하지 않고 ③액상전해질에 의한 부식문제가 발생하지 않는 등 저온형 연료전지에서 발생되는 여러 가지 운전상의 문제점을 최소화시킬 수 있으며 전기발전온도는 500℃이상에서 이루어지고 적절한 단열을 통해 운전온도 유지가 가능할 뿐 아니라 다양한 연료를 사용할 수 있으며 운전온도 범위가 넓다는 장점을 갖고 있다.
이러한 다양한 장점을 갖고 있는 반면에 대부분의 구성요소들이 세라믹과 고온 금속소재로 구성되어 있고, 고온에서 운전되는 전기 화학적인 신 발전 기술이기 때문에 전극, 전해질, 연결재 등의 구성요소 및 전지의 설계요소와 관련되어 여러 가지 기술적인 문제점을 갖고 있다. 또한 선진국에서 실증중인 APU 용 SOFC 발전시스템의 경우 전극, 전해질, 연결재의 제조가 EVD, 플라즈마분사법 등 고가의 건식공정으로 이루어져 있어 실용화시 경제성 확보에 어려움을 겪을 것으로 판단되며, 실용화를 앞당기기 위해서는 저가의 제조공정 기술이 개발되어야 할 것으로 판단된다.

3. APU용 SOFC 발전시스템 구성
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 이것이 APU 용 SOFC 발전 시스템의 핵심기술에 해당된다. 연료전지 발전시스템의 심장부인 발전기에 해당되는 연료전지 스택은 가격측면에서도 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.
4. APU용 SOFC 발전기술의 국내외 현황
고체산화물 연료전지의 장점은 개질기를 필요로 하지 않는다는 것이다. 현재 자동차용으로 주로 개발되고 있는 저온형 연료전지는 CO의 엄격한 제어를 필요로 하기 때문에 개질기술의 개발이 필수적이다. 이러한 문제로 인해 개질기가 필요하지 않는 고체산화물 연료전지의 개발이 APU 등의 목적으로 표1에 나타낸 바와 같이 여러 회사들에 의해 기술이 개발되고 있다. 고체산화물 연료전지의 경우 개질기는 단지 pre-reformer를 통과 시켜 주는 정도로 약 70 %정도의 연료만 개질시켜 주는 구조이며, 이것은 단지 연료극의 과다한 개질 반응을 해소시켜 주기 위한 차원에서 수행되는 것이다. 그래서 CO등의 제어는 불필요하며, CO는 오히려 고체산화물 연료전지의 연료로 사용된다. 그래서 특별히 개질장치를 만들 필요가 없기 때문에 발전시스템이 간단해진다. 또한 고체산화물 연료전지는 다른 종류의 연료전지에서 사용하기 곤란한 연료를 사용할 수 있으며, 천연가스, 석탄가스, 가솔린 디젤, 부탄가스 등 다양한 연료를 사용할 수 있기 때문에 자동차용, 이동용 전원으로 매우 적합하다. 현재 이러한 목적으로 개발되어 있는 연료전지 발전시스템은 최고 25kW급인 것으로 알려져 있으며, 그림 3은 SOFCo 사가 개발 중인 25kW급 자동차용 전원을 나타내고 있으며, 그림4는 Delphi에서 개발한 APU용 SOPC 시스템의 실제 사진을 나타내고 있다. 국내의 경우 한국에너지기술연구원에서 원통형 SOFC 셀을 이용하여 2007년 1kW급 APU용 SOFC 시스템을 개발하였다. 아래 그림 5에는 한국에너지기술연구원에서 개발된 원통형 SOFC스택사진을 보여준다. 최근에 차량용으로 개발되고 있는 저온형 연료전지의 문제점으로 인해 많은 회사들이 고체산화물 연료전지 개발에 매진하고 있는 상황이다. NASA는 비행기용 전원으로 고체고분자 연료전지와 고체산화물 연료전지의 두 종류를 후보로 개발을 추진하고 있으며, 고체산화물 연료전지 기술을 이동용 전원으로도 개발을 추진하고 있다.

5. 결론
SOFC를 이용한 APU 발전시스템은 자동차용 전원으로 아주 중요한 위치를 차지하게 될것으로 예상된다. 이 시스템은 기존의 내연기관에 사용하는 연료를 개질하여 사용함으로써 공해물질 방출이 아주 적고 고효율의 발전이 가능하다. 이러한 기술은 차후 환경친화적이고 더욱 안락하고 안전한 자동차용 전원을 요구하는 소비자들의 요구를 충족시킬수 있을 것이다.

그림 1. 일반적인 APU 용 SOFC 개략도
그림 2. 자동차 통합 SOFC APU 설계도 (Delphi, 미국)

표 1. SOFC APU 개발 현황
 

그림 3. SOFCo 사가 개발 중인 25kW급 자동차용 전원
그림 4.  Delphi 사에서 개발한 APU용 SOFC 발전 시스템
그림 5. 한국에너지기술연구원에서 개발된 1kW급 APU용 SOFC 스택

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

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

임탁형
KAIST 생명화학공학과 학사, 석사, 박사
현재 한국에너지기술연구원 신연료전지연구센터 선임연구원

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

박석주
부산대학교 기계공학과 학사
KAIST 기계공학과 석사, 박사
미국 미네소타 주립대 기계공학과 Post-Doc.
현재 한국에너지기술연구원 연료전지연구단 책임연구원

<본 사이트에는 일부자료가 생략되었습니다. 자세한 내용은 월간세라믹스를 참조바랍니다.>