이 재 영 (광주과학기술원 신소재공학부 교수, jaeyoung@gist.ac.kr) 주 형 국 (호주연방과학기술산업연구원(CSIRO)박사, hyungkuk.ju@csiro.au)
제1절 나노융합 연료전지 23
1 기술 개요
1.1. 기술 정의
● 직접탄소 연료전지는 고효율･고용량 발전을 위해서 고안된 혁신적인 고온연료 전지기술로 고체탄소연료를 직접전기 화학적 산화반응을 통해서 화학적 에너지를 전기로 전환하는 기술
- 이론적으로 70% 이상의 전력효율이 가능하며, 열병합(CHP) 발전 시 90%에 가까운 효율을 도출 가능 - 고온(600~1,000℃)에서 작동하기 때문에 다양한 고체연료(석탄, 코크스, 폐활성탄)뿐만 아니라 바이오
매스와 같은 탄화수소기체까지도 연료로 포함하는 광범위한 고온연료전지 - 석탄 화력발전소 보다 약 2배의 높은 전력
효율을 가지는 시스템 구상이 가능하며, 따라서 이산화탄소 발생량도 MW당 반으로 축소 가능
- 다양한 나노구조의 연료극전기화학적 산화 촉매개발과 연료극･전해질 개발에 대한 기술이 활발하게 진행 중
1) S.P.S. Badwal,H. Ju, S. Giddey, A. Kulkarni, Direct Carbon Fuel Cells. In: Abraham, M.A. (Ed.), Encyclopedia of Sustainable Technologies.
Elsevier, 317-329 (2017)
그림 1 다양한전력생산기술에대한효율및발전가능량1)
1.2. 핵심 요소 기술 및 내용
● 기본반응 메커니즘
- 일반적으로 고체산화물전해질(Solid Oxide Electrolyte)기반의 직접탄소 연료전지의 기본 구동은 환원극(산소극)에서는 공기가 주입되면 산소환원 반응이 일어나고, 생성된 산소이온이 전해질을 통해 산화극(연료극)으로 전달되어, 탄소기반의 연료가 직･간접적인 전기화학반응에 의해서 전류(전력)와 이산화탄소를 생성시키는 간단한 전체반응발생(C + O2→CO2,E0=1.02V)
- 하지만 연료극 촉매의 구성과 전해질의 선택 그리고 추가적인 연료매개체(캐리어)에 따라서 여러 가지 복잡한 반응이 수반
그림 2 고체석탄을 연료로 활용 가능한 직접탄소 연료전지의 전체반응식 및 고체산화물 전해질 기반에서 반응메커니즘 모식도2)
● 멤브레인(전해질)에 따른 기술 분류
- 직접탄소 연료전지 기술은 전해질의 사용에 따라서 크게 세 가지 분류로 나눌 수 있으며, 이는 전해질에 따라서 각기 이온매개체가 상이 : 1) 고체산화물전해질(O2-), 2) 용융탄산염전해질(CO32-), 3) 용융 수산화물전해질(OH-)
- 주로 고온형 연료전지인 고체산화물연료전지(SOFC)와 용융탄산염연료전지(MCFC)로부터 파생된 형태가 대다수
- 안정적인 구동과 지속적인 연료주입을 위해서는 고체형 연료나 내부개질을 통한 구동은 고체산화물 전해질을 기반으로, 바이오매스나 합성가스의 이용에는 용융탄산염전해질 기반의 직접탄소 연료전지 개발이 진행 중
2) H. Ju et al., Dissertation for Degree of PhD, Gwangju Institute of Science and Technology (2013); S. Hasegawa, et al., J. Electrochem. Soc.,
그림 3 고체전해질에 따른 직접탄소 연료전지의 기술 분류 및 주요반응 메커니즘3)
● 연료극 촉매 및 나노 구조전극
- 이용되는 멤브레인(전해질)과 타켓 연료에 따라서 전이금속(Ni, Cu, Co, Fe)부터 액체금속(Sn, Sb, Bi, Ag) 그리고 고체산화물･용융탄산염 연료전지전극 계면이나 연료에 직접금속첨가물(Li, Mg, Ca)을 혼합 하는 등 다양한 시도를 진행 중
- 하지만 장기성능을 위해서는 안정적인 나노 구조체를 가지는 고체산화물 연료전지 기반의 직접탄소 연료 전지와 액체금속 매개체를 이용하는 형태를 최근에 주목
그림 4 연료극 촉매로 사용가능한 원소군과 고체산화물 전해질 기반에서 연료극 전극 준비합성 방법에 따른 반응계면의 변화 및 반응 메커니즘4)
3) S. Giddet et al., Progress in Energy and Combustion Science 38, 360-399 (2012)
4) H. Ju et al., Dissertation for Degree of PhD, Gwangju Institute of Science and Technology (2013); T. Cao et al., Energy Environ. Sci., 10, 460-490 (2017)
1.3. 잠재 수요 분야 및 기대효과
● 직접탄소 연료전지는 최종에너지 변환효율이 50~58% 정도로 기존 석탄 화력발전(30~35%)보다 매우 높게예상되기 때문에 기후변화 대응과 신에너지 기술정책에 따라서 낮아지고 있는 석탄 활용에 대한 새로운돌파구 마련이 가능
● 석탄가스화 복합 화력발전(IGCC)과 연계하여 이용되지 못하는 미분탄이나 합성가스를 연료로 이용하는 석탄가스화 연료전지 복합발전(IGFC)으로의 발전 이용이 가능할 것으로 전망
1.4. 해결해야 할 기술이슈
● 장기 성능 안정성
- 연속 고체연료 주입기술, 석탄 활용 시에 연료에 포함되어 있는 회분 및 황 불순물에 대한 제거 및 피독성 문제를 해결하여 장기신뢰성 확보에 대한 연구가 지속적으로 추진될 필요
● 고출력 파워
- 나노 구조체 연료극 및 촉매의 장기성능에 따른 안정성과 용융탄산염 혹은 액체금속매개체 기반의 직접탄소 연료전지의 경우 전류집 전체의 개발이 필요
- 또한 고체산화물 전해질 기반의 경우 탄소침착 문제가 심각한 니켈(Ni-YSZ) 기반 촉매를 대체할 수 있는 새로운 촉매나 이온･전자 전도성 혼합전도체(MIEC) 혹은 공기극과 같은 라탄(La)계열의 페로브스카이트로 산화물로만 구성된 연료극 촉매･계면구성에 대한 연구가 필요
2 기술 동향
2.1. 국내 동향
● 2011년부터 2015년까지 한국에너지기술평가원의 신재생에너지 핵심기술 개발 사업으로 한국에너지기술 연구원을 주관기관으로 하고 한국생산기술원, 광주과학기술원, 서울대학교, 수원대학교, 한국전력공사가 참여기관으로 하는 직접탄소 연료전지 기술 개발이 매우 활발하게 진행
- 다양한 전해질 및 연료극 촉매에 대한 핵심원천기술개발이 이루어졌으며, 석탄 등의 고체연료를활용한 기술에 대한 시스템 평가가 진행
- 단전지의 성능의 경우 최종 250mW/cm2의 출력밀도와 100cm2의 대형화 셀 기술, 2,000시간 이상의 연속 운전 및 30회 이상의 열 사이클이 확보되었음이 보고5)
● 한국에너지기술연구원
-2015년 탄소연료의 외부 개질을 통해서 30여 개의 튜브형 셀이 결합된 100W급 스택을 개발하고 시운전에 성공하였음을 보고
● 광주과학기술원
- 주석을 매개체로 하는 액체주석 직접탄소연료전지의 개발을 꾸준히 진행하였고, 석탄을 직접 주입하여 약 180mW/cm2의 성능을 보유하고 있으며, 커피찌꺼기(탄소 50% 이상 함유)를 활용한 친환경연료 활용도 연구 중
2.2 국외 동향
● LLNL연구소, 미국
- 용융탄산염기반의 직접탄소 연료전지 스택과 연속연료 주입연구를 수행하였고, 약 100mW/cm2의 출력을 800℃에서 확보하였으며, 스케일업 연구를 통해서 60cm2의 전극을 개발
● Stanford University, 미국
-Stanford University의 Gür교수 연구팀은 수증기-탄소연료전지 혹은 수증기-탄소-공기연료전지라는 유동층 기반의 반응기 개념을 구상하여 한 쪽 반응기에서는 수소가 생산되고, 다른 쪽 반응기에서는 탄소 산화에 의해서 전력(전류)을 생산하는 시스템을 개발
- 시스템 모델링을 통해서 약 76% 이상의 높은 에너지효율을 달성할 수 있고, 1.22 kg/m2의 수소를 매일 생산이 가능하며, 약 45mW/cm2의 파워를 동시에 생산할 수 있다고 보고
● CSIRO, 호주
- 장기성능 안정성을 위해서 두꺼운 전해질을 가지는 튜브셀을 이용하여 약 30 mW/cm2의 출력과 100시간 이상의 운전성능을 보고
● Saint Andrew University, 영국
-T. S. Irvine교수팀은 하이브리드 카보네이트/고체산화물 전해질구조체를 개발하였고, 다양한 섬유판 (MDF)을 직접탄소 연료전지 내에서 열분해하여 연료로 사용하는 연구를 수행하였으며, 비교적 저온인 750℃에서 약 900mW/cm2의 매우 높은 출력을 보고
● 톈진대학교, 중국
- 톈진대학팀은 안티몬(Sb)을 액체산화･환원 희생 연료극 매개체로 사용하여 600~700℃ 부근에서 작동이 가능한 직접탄소 연료전지를 개발하여 약 200시간 이상의 운전기록을 확보
표 1 주요 국외 직접탄소 연료전지 연구 현황6)
6) C. Jiang et al., Chem. Soc. Rev., 46, 2889-2912 (2017)