Special 핵심전략소재 자립을 위한 소재산업 생태계 조성 및 기술 개발 동향(2)

고체 산화물 연료전지 소재 현황 분석

송락현_한국에너지기술연구원 연료전지연구실 책임연구원
조동우_한국에너지기술연구원 선임기술원
김태훈_UST-한국에너지기술연구원 박사과정
권범수_UST-한국에너지기술연구원 박사과정
Hafiz Ahmad Ishfaq_UST-한국에너지기술연구원 박사과정

1. 서론

우리나라를 포함한 전 세계는 기후변화에 대응하기 위한 에너지 환경 문제 해결책으로 청정에너지인 신재생에너지 보급을 위해 적극 노력하고 있다. IEA 보고에 따르면, 신재생에너지 보급이 전력생산에 차지하는 비중이 점차 증가하여 2040년에는 주력 전력원으로 자리 매김할 것으로 전망하고 있다. 우리나라도 신재생에너지 보급에 속도를 내고 있으며, 이러한 에너지 전환 추세는 전 세계가 동일하다. 신재생에너지가운데, 연료전지는 주요 기술 가운데 하나이며, 수소 경제의 중심축을 차지하고 있다. 연료전지는 발전용과 차량용으로 나누어 보급이 진행되고 있으며, 발전용으로는 전략생산 효율이 가장 높고 환경 특성이 우수한 고체 산화물 연료전지(SOFC: Solid oxide fuel cell)가 가장 많이 보급되고 있는 상황이다. 고체 산화물 연료전지는 주요 소재가 세라믹으로 이루어져 있어 고온 작동이 가능하여, 발전효율이 70%에 근접하는 기술로 지금까지 개발된 발전시스템 가운데 가장 효율이 높은 기술이다. 또한 경제성 확보를 통해 보급 속도가 빨라지고 있으며, 점차 전력 시장에 큰 비중을 차지할 것으로 기대된다.
  본고에서는 고체 산화물 연료전지 기술의 핵심 기술인 소재 기술을 집중 조명하고자 하였다. 구성요소의 소재 기술 현황과 이슈를 분석하여 소재 관련 기업 및 과학기술자들이 고체 산화물 연료전지 기술에 쉽게 접근하고, 기술 개발 및 고체 산화물 연료전지 소재의 산업화를 촉진하는데 도움을 주고자 하였다.

2. 고체 산화물 연료전지 기술 및 구성 요소

고체 산화물 연료전지는 전해질로 고체상의 산소 이온 전도성 세라믹을 사용하는 연료전지이며, 고온에서 작동하는 특징을 갖는다. 작동온도가 고온이기 때문에 추가적인 가스 개질이 불필요하여 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있으며, 에너지 변환 효율이 높은 장점이 있다. 고체 산화물 연료전지 단일 셀은 그림 1 (a)에 표기된 것과 같이 연료극 지지체/연료극/전해질/공기극/전류집전체로 구성되며, 스택은 셀과 셀 사이에 금속 분리판을 위치시켜 셀을 전기적으로 연결한다. 이때, 셀과 금속 분리판 사이에 가스 밀봉재(실링제)를 사용하여 셀과 금속 분리판을 부착시킨다. 이렇게 구성된 단일 셀 또는 스택에 연료와 공기를 주입하여 전기를 생산하는데, 그림 1 (b)에 고체 산화물 연료전지의 작동원리에 대한 모식도를 나타내었다. 공기극에 산소(O2)를 공급하면 산소 환원 반응(ORR, Oxygen Reduction Reaction)을 통해 산소 이온(O2-)이 형성되며, 환원된 산소 이온이 산소 이온 전도성 세라믹인 전해질을 거쳐 연료극으로 이동한다. 산소이온은 연료극에 공급된 연료(H2)와 반응하여 물을 생산하게 되며, 전자는 외부 도선을 통해 흐르며 전류가 생성된다. 결과적으로 총 반응식은 아래 식과 같다.

그림 . (a) 고체 산화물 연료전지 셀 및 스택 구성 모식도, (b) 고체 산화물 연료전지 작동 원리 모식도

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