Special 탄소중립을 위한 연료전지 미래기술 개발 동향
SOFC 최신 기술 및 산업 동향

김태우_한국에너지기술연구원 학생연구원
권범수_한국에너지기술연구원 학생연구원
조동우_한국에너지기술연구원 선임기술원
이승복_한국에너지기술연구원 책임연구원
임탁형_한국에너지기술연구원 책임연구원
송락현_한국에너지기술연구원 책임연구원

1. 서론

온실가스로 인한 기후 변화로 세계적으로 신재생에너지 보급이 전력생산에 차지하는 비중이 점차 증가하여 2040년에는 주력 전력원으로 자리매김할 것으로 전망되고 있다. 국제 에너지 기구(International Energy Agency, IEA)에 따르면 재생에너지에 대한 투자 비용이 2050년까지 지속적으로 증가할 것으로 예상하고 있다. 다양한 신재생에너지 가운데 연료전지는 주요기술 중 하나이며, 수소 경제의 중심축을 차지하고 있다. 연료전지는 발전용, 가정용, 차량용 등으로 나누어 보급이 진행되고 있으며, 발전용 연료전지는 전력생산 효율이 가장 높고 환경 특성이 우수한 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)가 가장 많이 보급되고 있다. 국내 대기업(포스코 에너지, ㈜두산 퓨얼셀, STX 에너지솔루션, 현대 엔지니어링)은 수소를 이용한 발전 및 에너지 저장을 미래 사업으로 선정하고, 활발한 연구 개발을 진행하고 있다. 또한, 그린 수소 생산 기술의 경제성을 개선할 수 있는 고체산화물 수전해(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) 기술 개발도 진행하고 있다. SOFC와 SOEC 모드 간 전환 운전이 가능한 가역 고체산화물 연료전지는 한국에너지기술연구원(Korea Institute of Energy Research, KIER)에서 개발 중이며, 2022년에 1kW급 연료전지 스택을 가역 운전하여 215W 출력의 전기와 160L/h 수소를 생산하였다. 그러나 여전히 SOFC/SOEC의 효율 향상, 소재와 부품의 내구성, 시스템 경제성 및 신뢰성 향상을 위한 다양한 연구가 필요하다. 본 기고문에서는 SOFC 기술을 소개하고 국내외 최신 기술 개발 동향을 소개하고자 한다.

그림 1. Net zero 재생에너지 예상 투자[1]

2. SOFC 연구 동향

가. 고체산화물 연료전지 개요

SOFC는 전해질로 고체상의 산소 이온 전도성 세라믹을 사용하며, 고온에서 작동하는 특징을 가지고 있다. 높은 작동 온도로 인하여 추가적인 가스 개질 필요 없이 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있으며, 에너지 변환 효율이 높다는 장점을 가지고 있다. SOFC 셀은 크게 연료극(Anode), 공기극(Cathode), 전해질(Electrolyte)으로 이뤄져 있다. 연료극은 수소 등의 연료가스가 공급되면 Ni과 같은 전자전도체와 Yttria Stabilized Zirconia(YSZ) 혹은 Scandia Stabilized Zirconia(ScSZ)와 같은 이온전도체로 이뤄진 복합체를 가장 널리 쓰인다. 공기극은 전자전도체인 Pervskite 구조의 Lathanum Strontium Manganite(LSM), Lathanum Strontium Cobalt Ferrite(LSCF), Lathanum Strontium Cobaltite(LSC) 등을 사용한다. 전해질은 연료극과 공기극 사이에 위치하고 수소 등 연료 가스와 산소와 같은 가스가 혼합되지 않도록 치밀해야하며, 이온전도성을 가지고 있는 YSZ 혹은 ScSZ 등의 재료를 주로 사용한다. SOFC의 작동 원리는 아래 그림 2에 간략하게 나타내었다.

그림 2. SOFC 작동 원리[2]

-----이하 생략

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