심 준 형 (고려대학교 기계공학과 교수, shimm@korea.ac.kr) 제1절 나노융합 연료전지 22
1 기술 개요
1.1. 기술 정의
● 산화물을 전해질로 활용하여 고온에서 운전하는 연료전지 기술 - 연료전지는 전기･화학반응을 통해 화학에너지를 직접
전기에너지로 변환시키는 시스템
- 수소를 주 연료로 사용하여 물 이외에 다른 반응물이 생성 되지 않는 차세대 신재생에너지 시스템이며 탄화수소 연료 또한 직접 사용이 가능하고 그 효율 또한 기존의 열기관 보다높은 효율성이 특징
- 고온에서의 작동을 통해 산소 이온 전도성과 전자의 이동을 용이하게 하는 장점을 보유
- 소재의 나노 구조화 및 나노화로 나타날 수 있는 특이물성을 활용함으로써 반응을 획기적으로 향상시켜 고성능, 고신뢰 성의 연료전지 개발 가능
- 소재의 나노 구조화를 통한 고효율화 및 이의 지속적인 성능 발현을 위한 원천기술 확보가 매우 중요한 영역
1) FC EXPO, Bloom Energy
그림 1 고체산화물 연료전지 구조 및 사진1)
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 전해질 이온전도도 향상 기술
- 나노소재 개발 및 구조 변화를 통해서 연료전지의 성능에 결정적인 영향을 주는 전해질의 이온전도도를 향상시키면서 옴저항(Ohmic Resistance) 감소가 가능
- 국내에서는 나노스케일 산화물 전해질 관련 소재 및 공정 기술은 핵심원천기술 확보에 주력하는 중
● 단전지 고집적화 공정 기술
- 연료전지 스택 공정 연구 및 개발을 통해 기존의 발전 시스템 대비 고성능, 고효율의 시스템을 구축하는 기술
● 양극 분극저항 감소 기술
- 연료전지의 공정과정 연구, 박막처리, 양극 나노소재 개발을 통해 구동 과정에서 발생할 수 있는 분극저항 (Polarization Resistance)을 줄여 연료전지의 고성능, 고안정성을 유지시키는 기술
● 탄화수소용 고내구성 전극 및 촉매 기술
- 산･학･연 협동으로 나노촉매소재 기술개발에 집중하고 있으며, 전극소재의 물리적 특성을 변화시키거나 보조재를 추가하고 나노전극소재 개발을 통해 외부 환경으로 인한 피독 현상을 극복함으로써 연료전지의 신뢰성과 수명 향상이 가능
- 핵심나노기술의 국내･외 원천특허 확보 및 대면적 연료전지 전극 적용 및 활성/안정성 확보 기술 개발 필요
● 저온작동 및 프로톤 전도성 전해질 제조 기술
- 고체산화물 전극 소재 개발을 통해 구동 온도를 낮춤으로써 상용화가 더 용이한 저온작동 환경을 연구 및 개발하거나, 프로톤 전도성을 가지는 전해질 및 양극 나노소재 연구 및 개발을 통해 기존의 고체산화물 연료전지의 고체산화물을 대체하고 고온에서 저온으로 작동온도를 낮추는 기술
- 최근에는 600℃ 이하에서 작동하는 프로톤 세라믹 연료전지(PCFC)의 연구가 활발하게 진행 중
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 분산 발전소용 연료전지
- 고체산화물 연료전지는 높은 안정성과 출력으로 인해 대형 발전에 적합하고, 발전용으로써 용융탄산염 연료전지(MCFC)가 주를 이루고 있지만, SOFC는 차세대 발전용 연료전지로 주목
- 특히 대기오염물질을 배출하지 않아 친환경발전으로 평가받고 있으며 현재 전 세계 발전용 연료전지는 2013년 215MW, 2015년 299MW, 2017년 670MW로 연평균 22% 이상의 높은 증가율을 보이고 있는 추세
- 글로벌 수소위원회는 2030년 전 세계 발전용 연료전지 시장규모를 12.7~25.4GW까지 확대될 것으로 전망
- 국내에서도 SK건설, 두산, 포스코에너지 등의 대기업들이 연료전지 발전에 앞장서고 있는 실정 - 국내기업은 1, 2세대 기술에 머물러 있지만, 일본의 미쓰비시 히타치 파워 시스템즈(MHPS)와 같은 외국계
기업은 분산 발전용으로 효율이 훨씬 높은 3세대 SOFC 상용화 기술을 확보2)
● 가정용/건물용 연료전지3)
- 수소생산단가는 약 2,000~5,000원/kg으로 상당히 높고 저장 및 충전을 위한 새로운 설비구축에 상당한 비용이 필요하지만, 고체산화물 연료전지는 고분자 전해질막 연료전지와 달리 도시가스(메탄)를 연료로 사용 가능
- 이미 구축되어 있는 도시가스 시스템을 이용하여 친환경적인 연료전지 발전이 가능하고, 연료로써 도시 가스를 직접 주입함에 따라서 발전과 보일러의 기능을 동시에 수행 가능
- 국내 연료전지의 LNG 사용량은 2015년 13만 2,000톤, 2017년엔 17만 3,000톤, 2018년엔 20만 톤 이상으로 증가하고 있고, 2022년에는 40만 톤 이상으로 전망되며, 산업통상자원부는 연료전지용 LNG에 대한 제세부담금을 조정하여 도시가스를 사용한 연료전지 사용을 장려
- 미국 Bloom Energy는 건물용 연료전지로써 100kW급 시스템 개발기술을 보유하고 있으며, 향후 1kW 수준의 가정용 SOFC를 상용화 및 공급 예정
- 일본의 EneosCellTech도 도시가스를 연료로 사용하는 가정용/건물용 연료전지로써 CHP 하이브리드 시스템 개발에 박차를 가하고 있으며, 양산 설비 구축 완료
1.4. 해결해야 할 기술 이슈
● 핵심 부품/소재 개발
- 소재 개발 및 원천기술의 supply chain이 미흡하기에 높은 해외 의존성이 문제이므로, 국내 독자적인 소재 개발로 소재 해외 의존도를 낮추고, 자체 공급망 확충이 필요
- 고체산화물 연료전지용 핵심 원료분말 및 2차 소재 제조 기술 국산화를 위한 연구가 진행 중
● 발전단가
- 국내 에너지 가격의 비합리성으로 인한 발전단가 왜곡 현상이 심화되고 있으며, 설치 단가를 보면 2018년 기준 발전단가는 250원/kW 수준
- 정부의 ‘수소경제 활성화 로드맵’에서는 2025년까지 중소형 가스터빈 발전단가(190~200원/kW) 수준에 도달할 것을 목표로 하고 있는 상황4)
2) 월간수소경제 (2019.04.01.) 3) 산업통상자원부
4) 월간수소경제 (2019.04.01.)
표 1 주요 기술 및 이슈
구 분 세 부 내 용
전극 및 전해질 저항 감소 기술
나노소재 개발 박막 처리 기술 결정구조 최적화 기술
단전지 고집적화 공정 기술
스택화 기술
열유동 예측 및 제어 기술 시스템화 기술
탄화수소용 고내구성 전극 및 촉매 기술
나노 촉매 기술 탄화수소 개질 기술 발전효율 증대 기술 내구성 향상 기술
연료전지 열 복합 발전 기술
복합발전 사이클 기술 발전효율 증대 기술 스택화 기술 시스템화 기술
저온작동 및 프로톤 전도성 전해질 제조 기술
고전도성 소재 개발 중저온 영역대 성능 향상 기술 대면적화 기술
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 한국과학기술연구원
- 600℃의 작동온도에서 팔라듐(Pd)을 촉매로 이용하여 탄화수소 연료의 개질 연구가 진행되었으며, 이로써 탄화수소 개질 촉매의 Anode 상에 각기 다른 위치에 따라서 성능 및 내구성 비교가 가능
- Anode Functional Layer뿐만 아니라, Support Layer에서의 촉매의 분포는 전기화학적, 열화학적 반응이 기존의 촉매가 없는 Reference cell과 비교했을 때 약 3배가 향상되는 결과를 도출
- 향후 LNG 연료를 사용하는 데 있어서 주목할 만한 결과를 도출5)
● 울산과학기술원
- 층상 Perovskite 구조에서 전이금속의 exsolution에 대한 연구가 진행되었는데, PrBaMn2O5+δ
perovskite 산화물에 전이금속(Mn, Co, Ni, Fe)을 exsolution함으로써, 환원성에 따른 금속 양이온들의 반응을 도출하였고, B-site dopant와 산소의 vacancy가 반응에서 지배적인 부분임을 확인하였으며, 이는향후 연료 개질 및 전기 산화를 위한 고성능 perovskite 산화물을 설계하는 데 있어서 시사점을 제공6)
● STX중공업
-STX중공업은 자체 기술로 개발한 1kW급 SOFC 시스템(encube)에 대해 한국가스안전공사의 가스기기 인증을 국내 최초로 획득해 상용화를 위한 발판을 마련
- 국내 최초로 SOFC 시스템 설계 제작 및 운전 제어 기술에 대해 녹색기술인증까지 획득하였으며, 향후 자체 고유기술을 기반으로 중대형, 선박용 SOFC까지 영역을 확대해나갈 계획
2.2. 해외 동향
● Georgia Institute of Technology, Kansas State Univ, 미국 / Queen’s Univ, 영국
- 영국과 미국 대학의 공동연구팀에서는 최근 Ru, Ni 금속 이온을 담지한 나노촉매층을 SOFC에 도입하여 넓은 작동온도 영역에서 메탄 연료 직접 이용률 향상에 대한 연구를 보고하였는데, 500℃ 기준에서 기존 메탄 연료에서의 전지 성능이 약 2.5배 향상되었으며, 코킹 현상 또한 관찰되지 않음을 확인7)
● Julich 연구소, 독일
-Atmospheric Plasma Spray(APS) 기법을 통한 MCF 코팅으로 SOFC 스택에서 크롬 관련 열화를 줄임 으로써 전지의 안정성을 확보할 수 있는 고밀도 보호층 연구가 진행
- 기존 전지는 양이온의 결핍으로 인해, Co가 많은 표면층을 초래하여 전지의 안정성에 악영향을 끼쳤으나, 본 연구에서는 MCF 고밀도 보호층 코팅으로 700℃에서 최대 10,000h까지 장기안정성을 확보8)
● ENEFARM, 일본
- 일본은 가정용 연료전지 분야에서 글로벌 선두권으로, 정부 주도하에 연료전지 제조업체들과 석유 및 가스 기업들이 제휴하여 ‘에너팜(ENEFARM)’이라는 공동 브랜드 설립
- 일본에서의 가정용 연료전지 보급은 23만 기에 달하며, 2030년까지 530만 대 보급이 목표
- 수소 사용처가 늘어날수록 기업에서는 대규모로 수소를 생산하며, 수소 생산량이 늘어날수록 가격이 내려감으로써 수소 활용 수요의 극대화를 목표로 하는 상황
6) Nature communications, 8:15967 (2017.06) 7) Nature Energy, 1042-1050 (2018.12)
8) Journal of European Ceramic Society, 449-460 (2019.03)
3 시사점(기술수준)
● 고체산화물 연료전지의 국내 기술수준은 약 85% 수준으로 평가
● 평판형 SOFC 관련
- 미국의 Bloom Energy에서는 전해질 지지형 100kW급 시스템을 개발 완료하고, 향후 1kW 수준의 가정용 SOFC를 상용화할 계획으로, 전 세계에서 가장 큰 SOFC 상용화 실적을 보유
- 유럽의 Sunfire에서는 150kW SOFC를 실증 완료하였으며, 25kW급 시스템의 납품이 진행 중 - 국내 기술 수준은 10kW급 건물용 발전 시스템과 1kW급 가정용 시스템이 기술 개발 완성단계에 있지만,
시스템 기술과 핵심 소재 부품 기술에 있어 상대적으로 저조
● 원통형 SOFC 관련
- 미쓰비시 히타치 파워 시스템즈(MHPS)는 250kW급 SOFC Gas-turbine system의 실증을 마치고, 2020년 제품 설치 예정
- 국내에서는 150kW급 이상의 분산발전용으로 확장이 가능한 고효율 모듈형 SOFC 시스템 개발 과제를 수행중
- 한국에너지기술연구원(KIER)에서는 원통형 SOFC 스택으로 수송기기/산업용 보조 전원장치 및 Gas- turbine 하이브리드 대형복합발전 시스템 개발에 주력
- 5kW급 SOFC 스택 본체는 독일 율리히 연구소에서 도입하였으며, 상압에서 연료로서 수소를 주입하여 약 8.1kW의 출력을 발생시키는 SOFC 발전시스템을 개발
- 발전효율 관련, 일본 Kyo-cera의 3kW 건물용 SOFC 시스템의 발전효율(52%)과 비교하였을 때, 국내의
㈜MiCo에서는 2kW SOFC ‘TUCY’를 통해 정격출력에서 51.3%에 달해 국내 공식 최고 효율을 기록
그림 2 주요 국가의 연료전지 기술수준 비교(최고 기술보유국을 100%로 봤을 때의 상대적 기술 수준을 의미)9)
주요 국가의 연료전지 기술수준 비교
(단위 : %)
구분 최고기술보유국 한국 미국 일본 중국 EU
’15 ’18 ’15 ’18 ’15 ’18 ’15 ’18 ’15 ’18 ’15 ’18
MCFC 미국 미국 81.3 92.5 100 100 85.0 90.0 57.5 69.5 80.0 86.3
SOFC 미국 미국 73.4 83.8 100 100 97.5 96.8 60.8 75.0 91.1 95.0
PEMFC 일본 일본 83.8 90.0 92.5 95.0 100 100 68.8 81.3 90.0 95.0
DMFC 미국 미국 81.3 90.0 100 100 92.5 95.0 70.0 80.0 91.3 93.8
PAFC 미국 미국 80.0 87.5 100 100 95.0 95.0 70.0 80.0 88.8 90.0
평균 미국 미국 81.2 89.6 100 100 95.4 96.3 66.4 77.9 89.6 92.9