첨단세라믹스 전지 

연료전지 - 상업화의 길

편집부(외신)

고체-산화물 연료 전지(SOFC)는 전력 발전과 같은 정지형 발전 용도에 최적화된 것으로 여겨지고 있으며, Freedonia Group Inc.에서 최근 발표한 시장 분석에서도 2009년까지 시스템 및 재료 수요의 두드러진 요소가 된다고 하였다. Freedonia의 보고서, ‘전지 및 연료 전지 재료’에 따르면, SOFC의 생산 시 사용되는 재료의 소비량이 전반적인 연료 전지 재료 시장을 앞질러 2009년까지 5500만 달러로 9배 성장할 것으로 전망되고 있다.
그러나 경쟁적 구조에 의한 생산량 증대는 2009년까지의 고체-산화물 연료 전지 재료 수요의 빠른 성장세를 가로막을 것이다.
보고서는 주요 자동차 제조업체들에게 자동차 제조에 적용 가능한 이 기술에 투자를 하도록 촉구하는 고전력과 (가솔린과 디젤을 포함한) 다양한 종류의 연료 사용이 가능한 SOFC의 장점들을 언급하고 있다. 많은 진보가 이 분야에서 계속되어 왔으나, 높은 동작온도가 SOFC의 주요 단점으로 지적되어 왔다. - 열에 견디게 하기 위해 고가의 합금이나 기타 다른 재료들의 사용이 필요하고 이는 공정단가를 높이게 된다.
SOFC가 효과적으로 낮은 온도에서 동작하도록 하고, 스테인리스 스틸같이 낮은 단가의 재료를 사용할 수 있도록 하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다. 예를 들어, 2005년 1월, Allegheny Ludlum Steel과 Pittsburgh 대학, DOE(Department of Energy) 사이에 SOFC에 사용되는 상호연결 전도판을 개발하기 위한 계약협정이 이루어졌다.

재료 관련 이슈
Denmark Roskilde의 Risoe 국립연구소 재료연구분과의 M. Mogensen은 SOFC 기술은 광범위한 상업화를 위해서는 여전히 큰 비용이 든다고 하였다.
Morgensen은 ‘SOFC의 성능과 내구성을 제한하는 요인’에 대해, 2006년 1월, Florida의 Cocoa Beach에서 개최되는 30th International Conference & Exposition on Advanced Ceramics & Composites 기간에 개최되는 The Third International Symposi
um on Solid Oxide Fuel Cells : Materials and Technology의 Plenary Session에서 논의할 예정이다.
보통 Cocoa Beach Meeting이라 불리는 이 회의에서, 국립연구소, 학계, 민간 기업들의 과학자들과 엔지니어들이 연료 전지의 재료에 관련하여 아이디어와 정보의 교환을 위해 최근의 기술적 진행사항들에 대하여 발표할 것이다.
다른 전원 발생 기술과 경쟁할 수 있는 SOFC 제품을 만들기 위해서는 재료 단가뿐만 아니라 전기화학적 특성과 내구성에서의 몇 가지 개선점들이 필요하다고 Morgensen는 말한다.
그는 몇 가지 극복해야 할 기술적 장애를 얘기하며 다음과 같은 몇 가지 주요 논점을 언급하였다:
.높은 전력 밀도
.저렴한 재료
.긴 내구성
.향상된 기계적 강도
.연료에 대한 내성
.산화 환원 반응에 대한 안정성       
그는 전극반응, 전극 열화 및 산화환원 시의 니켈-도성합금 간의 팽창과 같은 SOFC의 결점들을 야기하는 기구에 대해서 발표할 예정이다. 또한 Morgen
sen은 많은 다른 개발자들이 어떠한 방법으로 문제에 접근을 해 나가는지에 대한 몇 가지 예도 제시할 것으로 보인다.

현 상태, 장래에 나아갈 방향
미국의 GE(General Electric) 에너지 하이브리드 발전 시스템의 Nguyen Minh은 Plenary Session에서 ‘고체 산화물 연료 전지 기술 : 현 상태와 장래 나아갈 방향’에 대해서 논하였다.
Minh은 ‘SOFC의 매력’으로 다양한 연료에 의해 깨끗하고 효율적인 전원 발생에 대해 언급하였다. SOFC 시스템은 작은 사이즈(Watt)의 휴대용 기기서부터 전력 발전소와 같은 큰(MW) 영역까지 관심의 대상이 되고 있다. 이러한 종류의 연료전지의 주안점은 연료전지의 전고상 구조(주로 세라믹)와 고온작동(600~1000℃)이다. 지난 10년간, 기술은 많은 주목을 받아왔고 현저한 진척을 보여주었다.

SECA 총람
Solid-State Energy Conversion Alliance(SECA)는 SOFC의 발전을 가속하고, 에너지 발생에 있어 적절한 선택권을 가질 수 있도록 시장에 최대한 빨리 투입될 수 있도록 하기 위해 만들어졌다.
이 연합은 산업 팀, 핵심기술 프로그램 팀, 연방 전부 전문가들의 세 팀으로 이루어졌다. 산업 팀은 연료 전지를 디자인하고, 많은 기계설비들과 시장진출에 대한 쟁점을 다룬다. 핵심기술 프로그램 팀은 대학들과 국립 연구소 및 회사들로 이루어져 있으며, 산업 팀에 영향을 미치는 문제들에 대해 연구한다. 핵심 기술 프로그램 연구는 모든 산업 팀이 참여할 수 있게 하여, 발전을 가속시키도록 한다.
연방정부는 산업 팀과 핵심기술 프로그램 팀의 상호작용을 촉진시키고, SECA 프로그램을 운영하며, 가장 중요하게는 기업의 특별한 관심 아래, 장차 널리 국가 장래를 장려하여 SOFC 기술발전을 꾀한다.
SOFC의 발전을 가속하기 위하여, SECA는 4가지의 기본전략이 채택되었다.
- 시장진출 딜레마를 해결하기 위한 접근으로 ‘대량 주문생산’ 도입
- 단가를 낮추기 위해서 대규모 제조가 필요함과 동시에 초기 단가가 대량의 물품을 팔기에는 너무 비싸다.
- 정부와 산업, 과학자원들의 통합으로 그들의 각 기술들을 적절한 역할로 배속하여 차입자본을 투자할 수 있도록 한다. 
- 불필요한 중복을 막기 위해 공통의 연구개발 프로그램을 모든 산업팀이 참여하도록 하는 것의 실용화
- 모든 산업계 참여자들이 과학계 참여자들에 의한 약진으로부터 이득을 얻고, 그로 인해 기술 전달을 향상하기 위한 지적 재산권에 관한 조항
이 네 개의 전략은 SECA 프로그램이 시장에서 2010년까지 SOFC의 프로그램 당초 가격보다 대략 1010배 정도 낮은 kW당 400달러 정도가 될 수 있게 해 줄 것이다. 이러한 연료 전지는 크기 당 3~10 kW 정도로 여러 가지 다양한 응용에 채택될 것이다.
SECA의 목표는 크게 두 가지이다. 첫 번째로 보조 전력 설비, 군사 전력 발전, 원격 전력 발전 등의 분산 전원 발생 설비의 응용을 위해 SOFC를 개발하는 독보적인 프로그램이다.
두 번째로는 SECA는 FutureGen 프로그램의 큰 주요 역할을 담당한다. SE
CA 연료 전지는 무공해 석탄 전력 기획의 궁극적 목표인 오염물질 방출이 없는 FutureGen 전력 설비의 블록들을 구성하고 있다.
SECA의 근간인 SOFC는 석탄에서 나오는 합성 가스를 포함한 다수의 연료에서 동작이 가능하다. SECA의 ‘대량 주문생산’의 접근은 모듈의 연료 전지 설비를 서로 연결시켜 발전소에서 충분한 용량의 에너지를 얻을 수 있게 해 준다. 또한, SOFC의 고효율(다양한 형태의 연료 전지의 최상의 효율)과 초고효율 하이브리드를 만들기 위한 터빈과의 결합능력들은 오염물질 방출이 없는 고효율 발전소를 위한 FutureGen 계획과도 직접적으로 부합된다. SECA는 분산 전원 발전과 DOE의 FutureGen 프로그램의 초석이다.
SECA의 팀들, 프로그램과 워크숍에 대한 더 자세한 부가정보는 www.seca.doe.gov로 방문하길 바란다.

안정성, 신뢰성
또한 첫 번째 세션에서 AIST의 일본 에너지 기술 연구소의 H.Yokokawa는 SOFC 재료에 대해 장기 안정성을 강조하고 열화의 요인이 될 수 있는 원인을 발표한다.
그는 1세대와 2세대의 SOFC에서 사용된 재료들을 비교한다. Yokokawa에 따르면, 2세대 연료 전지는 널리 연구되어 왔고, 1세대 전지와 비교했을 때 성능 면에서 많은 개선을 보였다고 한다.
이에 부합하여 “재료의 많은 향상 때문에 2세대 SOFC의 동작 온도가 급격히 낮아졌다”고 그는 말했다.

DOE 기획
West Virginia의 Morgantown에 위치한 미국 DOE의 국립에너지기술연구소(NETL)의 기술 매니저인 Mark C. Williams는 DOE 기획안의 개관을 ‘고체 산화물 기술 : 기술적 상태’ 세션에서 발표할 것이다.
NETL은 민간 기업들과 공동으로, 고급전력과 높은 신뢰성에 중점을 둔 단기간의 분산 전원 시장을 위한 고효율의 SOFC와 연료 전지 터빈 하이브리드 전력 발전 시스템의 개발 및 시연을 주도하고 있다. 이 기술은 많은 중요한 공공의 이점을 가진다.
NETL은 퍼시픽 노스웨스트 국립 연구원(PNNL)과 협력하여 낮은 단가의 연료의 유동성을 가지는 3~10kW 급 SOFC 시스템 모듈의 개발과 상업화를 위해 SECA 주도계획 아래 연구의 새로운 방향을 모색하고 있다.
신재료와 공정, 시스템 통합 연구 개발을 통한 SECA의 주도계획으로 연료 전지 비용을 정지형 및 보조전원 시장에서 kW 당 400달러로 감소시킬 것이다. SOFC 이외에도 고체 산화물 기술은 센서와 멤브레인, 산소발생기, 수소 저장소 등의 많은 응용분야를 포함하고 있다.

국제 기획
Rio de Janeiro에 있는 Coppe-Federal 대학 금속 및 재료 공학부의 Paulo Emilio Miranda는 SOFC 전극의 개발에 대한 중요한 안건으로 제조와 산업화의 용이성에 대해 이야기했다.
그의 발표 ‘전극에서의 나노구조의 세라믹 현탁물과 브라질의 SOFC 네트워크인 Rede PaCOS’, 만약 전기촉매 특성을 개선하기 위한 하나의 방법으로 전극을 가공할 때에 사용되는 세라믹 현탁물을 나노구조화하는데 초점이 맞추어지면, 스크린 프린팅이 음극과 양극을 제조하는데 그 필요조건을 만족할 수도 있다고 말했다.
Miranda는 ‘기공 제어 및 조성 제어된 다층의 음극과 양극을 제조하기 위해 소성하고 소결시킨 전해질 지지층의 green electrode를 얻는데 사용되어진’, 새로이 개발한 세라믹 현탁물과 스크린 프린팅 기술에 대해 설명할 것이다.
또한 그는 2004년에 설립되어 최근 주립 및 민영 기업은 물론 12개 이상의 대학으로부터 파견된 연구 그룹들을 포함한 브라질의 SOFC 네트워크인 Rede PaCOS에 대해서도 언급할 것이다. 그는 현재 개발 중인 SOFC의 로드맵에 대해서도 논할 것으로 기대된다.
독일의 Forschungszentrum Juelich (FZJ), PBZ의 Robert Steinberger-Wilckens는 FZJ의 SOFC 그룹이 지난 12년간 100W~15kW 급의 220개 이상의 SOFC 스택들을 조립하고 시험을 거쳤다고 보고했다.
그의 발표 ‘FZJ의 고체 산화물 연료 전지의 개발에 대한 총람’에서 그는 핀란드와 한국에서 2002년부터 성공적으로 전달되어 작동하고 있는 큰 스택(5 kW 이상 급)에 대하여 논할 것이다.
그는 동시에 경량의 스택이 SOFC-APU의 카세트 디자인 라인이라 불리는 곳에서 개발 중이라고 말했다. 일부는 발전소 균형의 모든 hot part와 자체적인 단일 모듈 스택을 결합하는 통합 스택 개념으로, 몇몇의 1~20kW급 SOFC 실험 시스템이 준비 중이라 말했다.
Steinberg-Wilckens에 따르면 “연구의 중요한 목적 중 하나는 전지 성분과 상당히 낮은 작동전압에서의 전체 전력 밀도를 유지토록 할 수 있는 미세구조의 최적화”라고 말했다.            (Ceramic Bulletin)

SOFC의 이점
고체 산화물 연료 전지는 현재까지 개발된 가장 깨끗하고, 가장 효과적인 전력 발생 기술 중 하나이다. 이 전력 자원은 다음의 이점을 가진다.
.높은 효율을 가지는 전력을 제공하며 본질적으로 오염배출물이 없다.
.엔진 혹은 분산 전력 발생을 위한 전원 그리드와 개별적으로 작동한다.
.엔진 오염 방출을 줄이기 위해서 내부 연소 엔진과 통합할 수 있다.
.높은 효율을 위해 열과 전력이 합쳐진 시스템(CHP system)으로 이용할 수 있다.
.간단한 개질과정에 의한 종래의 화석 연료와의 높은 호환성을 가진다.
.최소의 이동 부분을 가지는 고상기기
.소형의 패키지에서의 고효율 전력발생이 가능하다.
.석탄, 천연가스, 가솔린, 디젤 연료, 알콜 연료로부터의 가스 합성 및 바이오매스(자원으로 이용되는 식물체 및 동물 폐기물)로부터의 가스 합성과 산업폐기물 등으로 동작이 가능하여 연료 선택의 다양성을 제공한다.
.소형 모듈 구조, 탁월한 친환경성, 연료의 다양성과 저소음 동작에 의한 (발전소) 부지선택의 탄력성을 제공한다.
.저가의 국내 에너지 자원 사용, 부지 선택 탄력성, 효율 증대를 위한 연료의 프리미엄 요구의 감소에 따른 에너지의 안정성을 강화한다.
.거주와 사업에 대한 전원의 더 많은 선택권을 제공한다.
.미국산업을 급속히 성장하는 에너지 시장에서 높은 가격 경쟁력을 분산 전력 상품을 수출하도록 해 준다.
자료 : SECA