Special 미래 첨단산업 핵심소재 및 선도기술 개발 동향(1)

고성능 양성자 전도성 세라믹 연료전지 기술 개발

배중면_한국과학기술원 교수

1. 서론

2020년 세계 경제 포럼이 발표한 ‘세계 위험 보고서’에서는 환경 문제가 1위부터 5위까지를 모두 차지했다.i 독일 MCC 연구소에 따르면 기온 변화를 1.5°C 이내로 유지하기 위해 허용된 탄소의 배출량은 약 3200억톤이 남았으며, 현재의 탄소 배출량을 기준으로 7년 내에 이 한계에 도달하게 될 것이라고 한다.ii 이러한 이유로 세계 각국에서는 앞다투어 탄소 중립을 선언하고 있다. 탄소 중립이란, 대기 중 온실가스 농도가 더 이상 증가되지 않도록 활동에 의한 온실가스 배출을 최대한 줄이고, 남은 온실가스는 흡수, 제거해서 실질적인 배출량을 0으로 만든다는 개념이다.
 탄소 중립 실현을 위해 탄소 배출없이 전력을 생산하는 신·재생에너지 관련 기술이 최근 크게 주목받고 있다. 그러나 태양광, 풍력과 같은 재생에너지는 간헐성(intermittency), 즉 날씨 및 절기 등에 따른 발전량의 변동폭이 크다는 특성이 있어 실 전력 수요와의 차이로 인한 손실이 발생한다는 어려움이 존재한다. 실제 제주도에 설치된 재생에너지 설비는 2020년 한 해에만 77회의 출력제어(Curtailment: 출력이 전력 수요보다 많아 강제로 출력을 줄이는 행위)가 발생하였다.iii 이를 해결하기 위해, 초과 전력 생산분을 수소로 변환 및 저장하였다가 가스 또는 전력으로 이용할 수 있도록 하는 수소 기반의 부하 관리 시스템 개발에 많은 관심이 쏠리고 있다. 특히 수소는 특히 재생전력의 미이용분을 대용량(MW~TW) 및 장주기(월 또는 계절 단위)로 저장할 수 있다는 점에서 배터리를 이용한 에너지 저장 기술과는 차별점을 지닌다.
 이를 실현하기 위한 많은 수소 관련 기술 중 가장 대표적인 기술이 수소를 연료로 하여 전기를 생산하는 연료전지(fuel cell) 기술이다. 연료전지는 수소와 공기를 반응시켜 전기를 생산하는 기술로, 물 이외의 배기물을 전혀 배출하지 않는 청정 에너지 변환장치이다. 이제는 흔하게 볼 수 있는 수소차에도 이러한 연료전지 기술이 사용되고 있다. 연료전지는 차량 등의 소형 용도 뿐만이 아닌 대규모 발전에도 이용될 수 있으며, 국내에도 이러한 연료전지 기반 발전소가 빠르게 확대되고 있다. 블룸SK퓨얼셀, 두산퓨얼셀 등의 관련 국내기업이 연료전지 보급에 앞장서고 있으며, 한국에너지공단 신·재생에너지 보급통계에 따르면 2019년까지 국내에 약 469MW의 연료전지 발전 시설이 공급되었다.iv
 본문에서는 이러한 발전용 연료전지 기술로 가장 효율이 높은 고체산화물 연료전지, 그 중에서도 최근 주목받고 있는 양성자세라믹 연료전지 기술에 대해 소개하고자 한다. 연료전지의 기본 원리부터 기술적 특성, 기술 개발 동향 등을 살펴보며, 수소 경제를 실현하기 위해 어떠한 노력들이 이뤄지고 있는지 알아보고자 한다.

그림 1. 재생에너지의 공급-수요 불균형(위), 국내에 있는 세계 최대 부생수소 연료전지발전소(아래)

2. 세라믹 기반 연료전지

2.1 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)
연료전지는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 에너지변환장치이다. 연료전지는 크게 연료극, 전해질, 공기극의 3개 층으로 되어있는데, 연료극과 공기극에는 각각 연료와 공기에 반응하는 촉매가 도포되어 있으며, 그 사이의 전해질은 가스는 투과하지 못하고 촉매 반응에 의해 생긴 이온만 투과시키는 물질로 이루어져 있다. 일반적으로 연료전지의 종류는 이 전해질 물질의 특성에 따라 분류하는데, 고체산화물 연료전지는 이온을 전도시킬 수 있도록 제조된 특수한 세라믹 소재를 전해질로 한다.
　

그림 2. 고체산화물 연료전지의 구조

　고체산화물 연료전지의 반응을 살펴보면, 먼저 공기극에 공급된 산소 분자가 전극 표면의 촉매의 도움을 받아 산소 이온으로 변한다. 이렇게 만들어진 산소 이온은 전해질을 투과하여 연료극에 도달하게 되고, 연료극에서는 연료(대개의 경우 수소) 분자가 산소 이온이 만나 물을 생성한다. 이 과정에서 산소 이온은 전자를 방출하게 되며, 방출된 전자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동하여 다시 반응에 참여한다. 이 과정에서 발생하는 전자의 흐름이 바로 ‘전류’이며, 이 일련의 과정을 통해 연료의 화학에너지는 전기에너지로 변환된다.
　한 장의 연료전지로는 수요에 맞는 충분한 전력을 공급할 수 없기 때문에 제품화된 연료전지의 경우 여러 장의 연료전지를 마치 탑처럼 쌓아 올려 하나의 시스템으로 만드는데, 이렇게 쌓아올린 한 장 한 장을 ‘셀’, 쌓은 연료전지 탑을 ‘스택’이라고 한다. 아래의 스택 구성도를 보면 알 수 있듯, 가스가 누출되지 않도록 밀봉이 되면서도 충분한 내구성을 가지고, 특정 위치에서는 전기가 전도되며 그렇지 않은 부분은 절연될 수 있도록 복잡하고도 다양한 구성 요소들을 갖추고 있다. 현재 전 세계적으로 고체산화물 연료전지를 상용화한 사례는 미국의 블룸에너지, 이탈리아의 솔리드파워, 일본의 아이신 정도가 있으며, 국내 미코, 케이세라셀 등의 기업도 국내 연구기관과의 공동 연구를 통해 고체산화물 연료전지 시스템 상용화를 추진 중에 있다.

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