편집부(외신) 향후 10년 내에 완전히 상업화하기 위해서 고상산화물 연료전지는 반드시 가격, 신뢰성, 성능문제를 개선해야만 한다. 수소가 주전원인 미래에는, 연료전지가 없으면 어떠한 일도 할 수 없게 될 것이다. 휴대전화, 랩톱 컴퓨터 그리고 캠코더는 더 이상 배터리가 아닌 수소 카트리지를 필요로 하게 될 것이다. 수소로 움직이는 자동차는 대기오염 없이 도로를 미끄러지듯 달려가고, 자동차 난방과 에어컨 또한 수소로 움직이게 된다. 고효율의 연료전지 열 시스템이 전기와 열을 동시에 만들어 내기 때문이다. 오늘날, 이러한 것들은 꿈같은 이야기로 보일 뿐이다. 수소 ‘주유소’라는 것이 거의 없을 뿐더러, 집에서 만들어 먹는 탄산음료를 위한 CO2 카트리지는 많아도 수소 카트리지는 판매하지 않으니까 말이다. 비록 미래의 연료 공급을 위한 인프라는 초보단계이기는 하지만, 수소를 사용한 ‘전력 발생’은 곧 현실화 될 것이다. 현재 고상 산화물 연료 전지(SOFCs)는 PEM(pro ton exchange membrane)기반 연료전지에 이어 두 번째로 많이 개발된 연료전지 기술이다. SOFC는 전극을 분리하는 이온 전도 전해질이 고체(전형적으로 세라믹)이기 때문에 고온 작동이 가능하다. 응용제품 SOFCs는 산업화 전단계에 이르고 있으며 거주지역용 전력 유닛(약 1kW급)이 유럽에서 테스트 중이며, 250kW급의 큰 유닛은 전 세계적으로 평가되고 있다. 거주지역-작은 파워 시스템: 거주지역 전력 공급용 연료전지는 급격하게 상업화 단계로 발전하고 있다. 이들 연료전지는 현재 기술을 대체할 기술로 만드는 몇가지 장점이 있다. 이러한 장점 중 하나는 높은 신뢰도와 먼거리에서 리모콘 조절이 가능하다는 것이다. 게다가 상호 제조 가능성이 보다 높은 효율을 가져온다. 열 모델링과 시스템 가격 분석을 통해 평판 고온 연료전지 기술은 열과 전력을 결합한 제품으로 사용될 잠재력이 충분함을 인정받았다. 몇몇 회사들은 거주자(단일 가정), 회사, 산업체에 사용할 수 있는 요구사항을 만족하는 SOFCs에 기반을 둔 연료전지 시스템 개발에 성공하였다. 연료전지의 고효율성과 함께 환경 오염을 일으키지 않는 이산화탄소를 배출하기 때문에, 환경 요구 사항에도 적합하고 미래에도 지속적인 발전이 가능할 것으로 생각된다. 대부분의 SOFC시스템은 천연 가스를 사용하도록 디자인되어있다. SOFC는 이러한 시스템을 적층하여 1kW의 전력을 생산한다. 전기가 발생할 때 동시에 발생하는 열을 모아 고온 물 저장탱크로 보내 가정 난방이나 온수 공급을 가능하게 한다. 쪾백업 전력 : 지난 해 북미와 유럽의 전력손실의 가장 큰 원인이었던 그리드의 신뢰성 부족으로 백업전력의 필요성이 대두되었다. 이러한 경우, SOFC의 긴 수명은 요구를 잘 만족시킨다고 할 수 있다. 연료전지 백업 용매는 기존 백업 기술을 뛰어넘는 장점들을 제공한다. 즉 가격, 무게, 납 재활용, 전력 발생시 소음 발생 등의 문제를 극복할 수 있다. 쪾원거리 전력 : 약 2억명의 사람들이 그리드 파워를 사용하지 못하고 있다. 이러한 지역에 연료전지 발생기를 사용하여 전력을 공급하면 설치비용이 훨씬 쌀 뿐만 아니라 유지비용(40,000달러/마일)도 절감할 수 있다. 쪾자동차-보조 전력 장치 유닛 : 주 엔진과는 독립적으로 자동차에 SOFC가 보조 전력 발생장치(APU)로 사용될 것이다. APU는 점점 높아지는 자동차의 전력 수요를 만족시켜주게 된다. APU는 엔진이 꺼져 있을 때에도, 고효율로 동작하고 연속적인 전력 공급을 해주게 된다. 세라믹 제조업체들은 자동차 산업 공급자들과 협력하여 기술과 시장 위치를 결합시켜 이후에 나올 제품의 기반을 마련하도록 해야할 것이다. 평판 SOFC 적층 전형적인 SOFC 셀 디자인은 평편한 형태이고 셀 간의 연결은 ‘적층’의 형태를 통하여 연결되게 된다. 적층은 연료, 산화제 저장소, 연료전지 적층 그리고 장치에 연결되는 전기 장치를 포함하는 SOFC 시스템의 일부가 된다. SOFC 적층은 상업화에 요구되는 기술을 가능하게 하고 가장 발전한 회사가 유리한 고지를 차지하게 한다. 회사는 SOFC 부품개발에 오랜 경험을 가지고 있는 연구소와 매우 밀접한 관계를 유지하는데 그 이유는 밀봉과 적층 때문이다. 평판 셀 부품 모든 연료전지는 두 전극이 전해질(SOFC의 경우에는 yttria 안정 지르코니아와 같은 고온 세라믹 사용)로 분리되어 있는 기본 디자인으로 만들어져 있다. 전형적으로, 이러한 구조는 평판 전극을 사용하게 해주어, 샌드위치 같은 구조를 가질 수 있게 해준다. 양극은 보통 Ni-cermet(세라믹과 금속의 혼합물)을, 음극은 란타늄-스트론튬 마그네슘 산화물(LSM)을 사용한다. 특수 그레이드는 뛰어난 전기화학적 성능을 위해 선구적인 파우더 공급업체로부터 얻는다. 세라믹 연료전지 부품은 잘 보이지 않는다. 몇 부품들은 CD처럼 동그랗고 평편한데 가운데에 구멍이 있다. 이 디스크 형태의 부품은 빛나지는 않고 어두운 녹색으로 덮혀 있다. 제품에 따라서 정사각형과 사각형 부품도 있다. 보다 흥미로운 일이 셀의 내부 작업에 있다. 믿을 수 없을 정도로 많은 노하우가 얇은 다층 디스크 속에 들어가 있다. 다른 많은 셀 타입이 개발되었지만 두가지 세라믹 SOFC가 상업적으로 사용되고 있다. 전해질-지지 셀(electrolyte-supported cell, ESC)과 양극-지지 셀(anode-supported cell, ASC)이 그것이다. 시장이 아직 성숙해 있지는 않지만 많은 훌륭한 제품들이 개발 중인 회사의 커튼 뒤에 가려져 있다. 다른 형태(즉, 금속-지지 셀)가 많은 관심을 모으고 있지만 계속 개발중인 상태이다. 제조업체의 장치들은 고객 마다 다른 주문을 모두 다 만족시킬 수 있도록 다른 형태로 셀을 만들 수 있도록 되어있다. 고객의 주문에 따라, 셀 제품은 부품제조자와 시스템 집적자 간의 밀접한 협동 공정을 통해 다듬어지고 최적화된다. 이러한 공정은 SOFC 기술의 완성을 위해 필수적이다. 고순도, 고분산, 균일한 형태를 갖는 파우더, 고른 크기 분포를 갖는 파우더가 연료전지를 만들기 전 필요한 파우더 밀도 조건을 만족시키기 위해서 필요하다. 연구 그룹 간의 밀접한 협동을 통해 특정한 시스템 요구사항을 만족시킬 수 있도록 특정 셀의 특성 향상을 위해 재료분야의 연구가 필요한다. ESC-타입의 부품 특히, ESC 부품은 80~120㎛ 두께의 밀도 있는 전해질이다. 전해질의 양쪽 즉, 음극과 양극 쪽은 다공성 구조로 되어 있다. ESC의 기계적 강도는 산소 전도 막과 지지 역할을 하는 전해질 기판에 따라 달라진다. ESC는 고온( >850℃) 동작에 적합하고 다른 연료, 즉 다습 수소, 메탄, CO/H2 혼합물, 재형성 메탄올, 바이오가스와 암모니아 등과의 동작도 적합하다. 전지는 연료의 80%를 사용하고 전기적 효율은 50%에 이른다. 기존에 상용화된 InDec의 표준 전지는 130㎛두께의 yttria 안정화(3mol%) 지르코니아를 전해질로 사용하였다. 이 전지는 링/링/굽힘 테스트에서 2000MPa 이상의 기계적 강도를 보인다. Cermet Gd 첨가 세리아/NiO 재료가 양극으로 사용되어 훌륭한 산화/환원 주기 특성을 보인다. SOFC-그레이드 LSM 파우더가 음극 물질로 사용된다. 전형적인 동작 온도(920℃)에서 전체 전지의 면비저항(A SR)은 0.5Ωcm2 이하가 되어야 전극/전해질 계면 특성이 좋다고 할 수 있다. 대부분의 ASR은 전해질의 옴(ohm) 손실에 의해서 발생한다. 그렇기 때문에 전지의 성능을 향상시키기 위해서 전해질의 두께를 줄이거나 도핑을 최적화하여 전해질의 옴 저항을 낮추는 방향으로 초점을 맞추고 있다. 상응하는 고성능 ESC타입의 전지가 InDec에서 개발 중이다. 그러나 기존의 InDec 전지는 전형적인 동작 조건(인가 전압 750mV, T=920℃, 350mLmin-1 H2, 2000mLmin-1 공기, 100cm2 전지 활성 영역에서 3kW/m2의 훌륭한 전기화학적 성능을 보인다. 이러한 조건하에서 안정한 동작이 열화현상 없이 수 천 시간동안 유지된다. ASC-타입 부품 ESC와 ASC 부품의 대부분의 물리적 차이는 전해질의 두께에서부터 기인한다. InDec의 상용화 된 ASC는 5㎛이하의 두께를 갖는 밀도 있는 전해질과 다공성 음극과 두꺼운 다공성 양극으로 구성되어 있다. 이 지지 양극 구조는 ASC의 기계적인 특성에 직접적인 영향을 준다. 전해질의 두께가 얇기 때문에 이 전지는 중간 온도(650~850℃)에서 높은 전기화학적인 특성을 보인다. InDec은 두가지 형태의 ASC를 제공하는데 ASC1은 LSM 기반의 음극 물질을 사용하여 750~ 850℃의 온도 범위에서 작동하기 적합하고, LSCF 기반의 ASC2 타입은 650~800℃의 범위에서 작동하기 적합하다. 두 타입 모두 다 8YSZ(8mol% Y첨가 지르코니아)와 8YSZ/NiO cermet을 각각 전해질과 양극으로 사용하였다. 저온 작동에서(700℃ 정도), ASC1 전지는 2.6kW/m-2의 성능을, ASC2는 보다 높은 성능(3.8 kW/m-2)을 보인다. 그렇기 때문에 ASC2가 저온에서는 선호되는 타입이다. ASC는 습도 수소, 메탄, CO/H2 혼합물, 재형성 메탄올, 바이오가스, 암모니아의 연료를 사용하여 작동할 수 있다. 예측 SOFC 기술은 다루기 힘든 기술이 아니다. 하지만 향후 10년 내에 완전히 상업화하기 위해서 고상산화물 연료전지는 반드시 가격, 신뢰성, 성능문제를 개선해야만 한다. 연료전기 기술이 나아가야 할 가장 중요한 방향은 실제적인 경험을 쌓아 다른 기술들과의 경쟁력을 갖도록 해야만 한다. 최근 성취한 기술과 전 세계적으로 진행되고 있는 연구는 가까운 미래에 이 새로운 전력 공급 기술을 현실화 하는데 성공할 수 있을 것이라는 믿음을 준다. (Ceramic Bulletin) 전지 부품 생산 세라믹 연료전지와 금속 연결층의 SOFC 적층 평판 세라믹 전지(전해질/전극 결합) 완료된 세라믹 전지의 품질 검사 양극-지지 전지(ASC)의 미세구조 (SEM 사진) 전류-전압 그래프 LSM 타입과 LSCF 타입 전지의 전기화학적 성능 비교 연료전지 기술의 확장 InDec은 1999년 네덜란드의 에너지 리서치 센터(ECN)에 의해 설립되었다. ECN의 자회사로, InDec은 SOFC 부품 생산을 위한 기초 장비를 운영하였다. ECN은 독립적이고 연구, 개발, 컨설팅 그리고 기술 이전에 대해 시장 지향적이었다. ECN은 지속가능한 에너지 개발에 국제적인 역할을 한다. 약속 가능한 개발의 상업화를 위해, ECN은 시장에서 성공적인 위치 확보와 새로운 기술 개발을 위해 시장과 세일즈 인프라를 갖추고 있는 파트너를 찾았다. 2002년 11월, 독일의 H.C. STarck GmbH, ECN, Planet Capital은 HCST가 InDec의 주도권을 갖는다는 의향서에 서명을 한다. 계약은 2003년 2월에 결론이 난다. 연료전지 시스템에 다른 형태들이 있지만 H.C. Starck와 InDec은 SOFC의 평판 세라믹 부품의 생산에 초점을 맞추게 된다. H.S.Stark/InDec은 연료전지 시스템 개발자에게 새로운 전지를 공급해 실제 연료전지의 모델에 대한 테스트를 시작했다. InDec의 초기 생산과 스태프는 Petten에 남게 되고 실제적인 연료전지 부품의 생산은 후에 독일 쉘브르의 H.C. Starck 공장에서 이뤄지게 된다. 이 프로젝트는 추가적인 투자를 필요로하고 새로운 일자리를 만들어 낼 것으로 보인다.