창간 36주년 기념 Special 세라믹스 현황과 미래 전망(2)

국내외 SOFC/SOEC 최신 기술 동향

　김태훈_한국에너지기술연구원 학생연구원 

　권범수_한국에너지기술연구원 학생연구원

　Amjad Hussain_한국에너지기술연구원 박사후연구원

　조동우_한국에너지기술연구원 선임기술원

　송락현_한국에너지기술연구원 책임연구원

1. 서론

온실 가스로 인한 기후 변화로 세계적으로 재생에너지(renewable energy) 보급이 전력생산에 차지하는 비중이 점차 증가하여 2040년에는 주력 전력원으로 자리 매김할 것으로 전망되고 있으며, 재생에너지 등의 에너지 캐리어로써 수소에 대한 수요는 해마다 증가할 것으로 예상된다. 국제 에너지 기구(International Energy Agency, IEA)에 따르면 재생에너지에 대한 투자 비용이 2050년까지 지속적으로 증가할 것으로 예상하고 있고, 그 중 수소 수요는 연간 5억톤으로 현재 수요보다 5배 이상 급증할 것으로 예측하고 있다. 다양한 수소에너지 기술가운데 연료전지는 수소활용의 주요 기술 중 하나이며, 수소 경제의 중심축을 차지하고 있다. 연료전지는 발전용, 가정용, 차량용 등으로 나누어 보급이 진행되고 있으며, 발전용 연료전지는 전력 생산 효율이 가장 높고 환경 특성이 우수한 고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)가 가장 많이 보급되고 있다. 또한 수소 경제의 가장 핵심적인 산업인 그린 수소 생산을 위한 수전해 산업이 크게 부상하고 있으며, 고체 산화물 수전해(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC) 기술이 차세대 기술로 각광을 받고 있다. SOFC와 SOEC 기술은 서로 가역 작동(reversible operation)이 가능할 정도로 거의 동일한 기술로, 이를 통칭하여 고체 산화물 전지 (Solid Oxide Cell, SOC)라고 부른다. 현재 SOFC는 많이 보급되고 있으나, SOEC는 실증 단계이며 일부 시장 진입을 추진하고 있다. 그러나 SOC는 높은 작동 온도로 인해 스택 교체시기가 빨라, 소재 부품의 내구성 및 작동 온도 저감에 따른 효율 향상, 시스템 경제성 및 신뢰성 향상을 위한 다양한 연구가 여전히 필요하다. 본 기고문에서는 SOC 기술을 소개하고 국내외 최신 기술 개발 동향을 소개하고자 한다

2. 본론

① SOC 작동 원리

고체산화물전지(SOC: Solid Oxide Cell)는 전해질로 고체 상의 산소 이온 전도성 세라믹을 사용하는 전지이며, 고온에서 작동하는 특징을 갖는다. SOFC는 높은 운전 온도로 별도의 외부 개질 장치없이 다양한 종류의 연료를 사용할 수 있으며, 에너지 변환 효율이 높은 장점이 있다. 그림 1에 SOFC작동 원리 및 활용 분야를 간단하게 나타내었다. SOFC에서는 공기극에 공급된 산소가 산소 환원 반응(ORR: Oxygen Reduction Reaction)을 통해 산소 이온이 형성되고, 환원된 산소 이온이 산소 이온 전도성 세라믹인 전해질을 거쳐 연료극에 공급된 수소, 암모니아, 탄화수소 등과 같은 연료와 반응하여 물과 전기를 생성한다. SOEC에서는 SOFC의 작동 원리와는 반대로 물과 전기를 공급함으로 수소를 생산하는 기술로 최근 세계 각국은 에너지 수요 증가 및 수소에너지 정책 등을 수립하여 향후 수소 수요 증대와 수소 시장 성장에 대응하기 위한 연구 개발에 집중하고 있다.

그림 1. SOC의 작동 원리 및 적용 분야

② SOC 국내외 동향 

* ㈜미코 파워

㈜미코파워 사는 2008년부터 지속적으로 SOC를 연구 개발하고 있는 국내 기업으로서, 연료극지지체 셀 개발부터 스택 제조, 시스템 기술까지 확보하였다. 국내에서는 최초로 45 % 이상의 발전효율을 가진 2 kW급 SOFC 시스템을 2018년에 개발하여 보급하고 있으며, 현재 KGS인증 된 61.7%의 발전효율을 가진 8 kW급 SOFC 시스템을 개발하여 제품을 판매하고 있다. 최근에는 그린 수소 생산을 위한 SOEC 글로벌 비즈니스를 구축 중에 있으며, 약 5MW의 생산 설비를 확충중에 있다.

 그림 2. 미코 파워 사의 TUCY 제품 (좌) 2kW (우) 8kW  *이미지 출처: https://micopower.com/

* Bloom energy 사

미국의 SOC 시스템 제조 기업으로, 전해질 지지형 셀 기반의 SOC 스택을 개발하여 상용 보급 중에 있으며, 전해질 자립막식 셀을 사용하기 때문에 작동온도가 800 ℃ 이상으로 높고 Cr합금등 고가의 부품을 사용하는 이슈가 있어, 여전히 내구성 확보를 위한 노력을 진행 중이다. 1GW이상의 SOFC 생산하였으며, 최근에는 평균적으로 5년 이상의 스택 수명을 보장하는 SOEC 개발을 추진중이며, 연간 2GW 규모의 SOEC 제조가 가능하다. 또한,  Shell사와 대규모 SOEC프로젝트를 추진중에 있고, 세계에서 가장 큰 규모인 4MW 급 SOEC 설치 운영하고 있으며, LSB 산업과 함께 10MW급 SOEC 프로젝트를 계획하고 있다[1]. 미네소타 내 Xcel Energy’s Prairie Island 원자력 발전소에 240kW급 SOEC 설치 및 운영 예정이다[2].

그림 3. Bloom energy 사의 900kW SOFC 시스템 (좌), 360kW SOEC 시스템 (우) *이미지 출처: https://www.bloomenergy.com/

본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2024년 7월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.