Special 그린뉴딜/탄소중립 실현을 위한 세라믹소재 기술개발 동향(1)

고체산화물 연료전지 기술 동향

윤경중_한국과학기술연구원 에너지소재연구단 책임연구원

1. 서론

연료전지는 전기화학반응을 통하여 연료가 지니는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 고효율 친환경 발전 장치이다. 화력발전과 비교하면 에너지 효율이 높고 유해물질을 거의 배출하지 않으며, 태양광, 풍력 등 다른 신재생에너지에 비해서는 안정적인 전력 생산이 가능하고 설치면적당 발전량도 많다. 최근 수소경제 확산에 발맞춰 발전공기업과 민간의 연료전지 발전설비가 급격히 늘어나며 연료전지 설비용량과 전력거래량이 빠르게 증가하고 있다.
  연료전지는 전기화학 장치이기 때문에 전해질과 양극, 음극으로 구성되며 전해질로 사용되는 소재에 따라 다양한 종류로 구분된다. 지금까지 연료전지 시장에는 고분자전해질 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell: PEMFC), 인산형 연료전지 (phosphoric acid fuel cell: PAFC), 용융탄산염 연료전지 (molten carbonate fuel cell: MCFC)가 주로 보급되어 왔다.
  최근에는 3세대 연료전지라 불리는 고체산화물 연료전지 (solid oxide fuel cell: SOFC)의 상용화가 본격적으로 진행되며 시장 점유율을 급속히 높여가고 있다. 그림 1은 2016년 이후 세계 연료전지 시장에서 SOFC의 보급 대수가 크게 증가하고 있는 것을 보여준다. SOFC는 이온전도성 세라믹을 전해질로 사용하며 세라믹 전해질이 이온 전도성을 갖는 600°C 이상의 높은 온도에서 작동한다. 에너지 변환 효율이 60% 정도로 다양한 연료전지 가운데 가장 높고 열병합시스템 구성을 통해서 85% 이상의 시스템 효율을 얻을 수 있다. 또한 고온에서 작동하기 때문에 수소 이외에 천연가스, LPG, 프로판가스 등의 다양한 탄화수소계열 연료와 바이오 연료를 포함한 미래 대체 연료까지도 내부개질을 통하여 폭넓게 활용할 수 있다. 반면 고온 작동으로 인한 높은 소재 비용과 빠른 성능 열화 등이 SOFC의 보급 확대와 경제성 확보에 있어서 큰 장벽이 되고 있다. 따라서 SOFC의 단가를 낮추고 수명을 연장하며 효율을 더욱 높이기 위한 다양한 접근법들이 폭넓게 시도되고 있다.
  본 원고에서는 SOFC의 구성요소 및 작동원리, 종류와 부품소재 및 공정에 관련된 연구 개발 기술 동향을 정리해 보고자 한다.

그림 1. 2014-2018년 연료전지 종류별 보급 대수[1]

2. SOFC의 구성요소 및 작동 원리

SOFC 단전지는 전해질, 양극, 음극으로 구성되며 전해질의 한편에는 음극, 반대편에는 양극이 존재한다. 음극에는 연료, 양극에는 공기가 공급되어 음극에는 환원 분위기, 양극에는 산화 분위기가 조성되며 이 때 발생하는 산소의 캐미컬 포텐셜 차이가 SOFC 작동의 구동력이 된다. 양극과 음극을 외부 회로로 전기적으로 연결하였을 때 양극으로 전자가 공급되어 산소의 환원 반응이 일어나고 산소 이온은 전해질을 통해서 음극으로 이동한다. 음극에서는 연료의 산화 반응이 발생하고 이 때 전자가 산소 이온으로부터 분리되어 외부 회로를 통해 흐르며 전기적 일을 수행하게 된다. 그림 2는 SOFC의 작동 원리를 보여준다.

그림 2. SOFC의 셀 구성 및 작동 원리[2]

  전해질은 산소이온 전도성 세라믹으로 높은 이온전도도와 낮은 전자전도도를 가져야 한다. 가스의 투과를 막기 위해서 치밀한 구조가 요구된다. 전해질음 양극 쪽의 산화 분위기와 음극 쪽의 환원 분위기에 동시에 노출되므로 고온의 산화와 환원 분위기에서 화학적/열기계적으로 안정해야 한다. 양극에는 공기가 공급되어 산소의 환원 반응이 일어나므로 양극은 산소의 환원 반응에 대한 촉매 활성을 지녀야 하고 높은 전자 전도도가 필요하다. 고온의 산화 분위기에서 안정하여야 하고 산소 기체의 원활한 공급을 위해서 다공성 구조를 지녀야 한다. 음극에는 수소가 공급되어 수소의 산화 반응이 일어나고 반응물로 스팀이 생성된다. 따라서 음극은 수소의 산화 반응에 대한 촉매 활성을 지녀야 하고 높은 전자 전도도가 요구된다. 고온의 환원 분위기에서 안정해야 하고 원활한 수소의 공급과 스팀의 제거를 위해서 다공성 구조를 지녀야 한다. 그림 3은 SOFC의 미세구조를 보여준다[3]

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