국내외 SOFC 개발 동향

집중기획 국내외 SOFC 개발 동향

김 현 정 포스코에너지(주) 연료전지연구소 [email protected] 손 현 민 [email protected] 박 상 현 [email protected]

고체 산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)

고체 산화물 연료전지는 이온전도성 세라믹을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 고체 전해질인 지르코니아를 통하여 산소 이온(O₂⁻)이 움직이며, 이 때문에 다른 연료전지보다 고온(600~1000℃)에서 작동 된다. 이러한 산소이온의 움직임은 공기극과 연료극의 산소 분압차에 의하여 발생한다. 이때 화학반응의 전기적 균형을 맞추기 위해 외부 회 로를 통해 연료극의 전자가 공기극으로 이동하게 되고 외부 부하를 조 절하여 원하는 전류를 얻을 수 있게 된다. SOFC는 연료전지 중 가장 발전효율이 높고, 고온의 배기가스를 이용하여 열병합 발전이 용이한 장점이 있다(그림 1, 표 1 참조).

고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell : SOFC)의 최근 개발동향에 대해 소개한다.

<표 1> 발전용 연료전지의 기술 진화

SOFC의 특징

고효율 시스템 구현 가능

고온에서 작동하기 때문에 다른 연료전지에 비하여 발전 효율이 높다. 이는 온도 상승에 따라 이론 효율(등온 변화로 화학에너지에서 전기에 너지로 변환할 수 있는 최대값)은 감소하는 반면, 셀의 분극 저항이 낮아져 전기 저항과 전극 반응 저항은 낮아져 전체적으로 이론 효율의 감소를 상쇄하기 때문이다. 따라서 일반적으로 고온에 서 작동하는 SOFC의 효율이 PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell), MCFC(Molten Carbornate Fuel Cell) 등 중온형 연료전지나 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell), AFC(Alkaline Fuel Cell), DMFC(Direct Methanol Fuel Cell) 등 저온형 연료전지보다 높다.

SOFC의 경우 가압 조건에서도 운전이 가능 하여 연료전지의 성능을 더욱 높일 수 있다. 뿐만 아니라, 고온, 고압의 배가스를 이용하는 가스터 빈을 연계하면 70% 이상의 전기 효율을 내는 발 전 시스템의 구현이 가능하다.

사용 연료의 다양성

SOFC는 고온에서 동작하므로 값비싼 귀금속 촉매를 사용하지 않고도 충분한 전극 반응을 기 대할 수 있다. 연료극 측에서의 내부 개질 반응이 가능하여 개질기를 간략화할 수 있을 뿐만 아니 라, 수소 이외에 천연가스 및 석탄가스 등의 다양 한 연료를 사용할 수 있다.

경제성 우수

SOFC는 높은 온도에서 작동하는 특징으로 인하여 출력 및 효율이 높은 시스템을 구현할 수 있다. 그러므로 같은 출력을 갖은 시스템을 보다 적은 셀을 이용하여 만들 수 있어 원가를 절감하 는 데에 유리하다. 또한, 저온 연료전지에서 필요 한 백금과 같은 귀금속 전극 촉매를 사용하지 않 으며, 내부 개질 반응을 이용하여 별도의 외부 연 료개질기가 필요 없으므로 발전 시스템을 값싸게 제작할 수 있다(그림 2 참조).

친환경 발전

연료전지는 연료가 갖고 있는 화학에너지를 전기화학 반응을 이용하여 전기에너지로 변환하 는 장치이므로 연소 공정이 필요하지 않다. 이로 인해 연료를 태워서 발전하는 석탄 화력발전에 비하여 NOx 배출량이 98% 저감된다. 또한, SOx 배출량 및 소음도 거의 없는 저공해 발전방식이

[그림 1] SOFC의 작동 원리

[그림 2] 분산 발전원의 발전 효율 비교

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다. 더욱이 고효율 발전원의 특성상 기존의 화력 발전소에 비하여 CO₂의 배출량을 40% 정도 줄 일 수 있다.

분산전원

SOFC는 다양한 연료의 적용이 가능한 고효 율 친환경 발전원이다. 특히 높은 셀 성능으로 인 하여 시스템의 소형화가 가능하여 도심지 등 전 력이 필요한 수요지에 설치하는 것이 용이하다.

그러므로 건물용 혹은 분산발전용 연료전지 시장 에 가장 경쟁력이 높은 기술이라 할 수 있겠다(표 2 참조).

SOFC 기술의 종류

SOFC는 셀의 형태에 따라서 그림 3에서 보

듯이 평판형과 원통형으로 구분할 수 있다. 또한, 이 둘의 장점을 조합한 평관형 셀도 있다. 한편, SOFC 셀의 가장 두꺼운 부분이 어느 막인지에 따라서 연료극 지지체형, 공기극 지지체형, 전해 질 지지체형 및 금속 지지체형으로 구분할 수도 있다.

평판형은 단위 면적당 높은 전력밀도와 대량 생산이 용이한 장점이 있으며 전해질의 박막화가 가능하여 높은 효율을 얻을 수 있다. 단점으로는 별도의 밀봉이 요구된다는 점과 고온에서의 금속 분리판 사용에 따른 내구성 문제 등이 있다.

원통형은 밀봉의 용이성 및 타 재료에 의한 효 율 저하 등의 우려가 적은 장점이 있으나, 낮은 전 력밀도 및 저생산성의 단점이 있으며 전해질의 두께 또한 큰 문제로 인식되고 있다. 또한 전류의 이동 경로가 길며 고온에서의 내부 저항이 높아

<표 2> SOFC 시스템의 장점인 저공해 친환경

[그림 3] SOFC 셀의 구조에 따른 분류

져 출력 밀도가 낮은 단점이 극복되어야 한다.

평관형 셀은 원통형 셀과 평판형 셀을 혼합한 것으로 두 셀의 장점을 기대할 수 있다. 즉, 전력 밀도, 집전성 및 밀봉에 있어서 장점이 있어 이에 대한 연구가 지속되고 있다(그림 4 참조).

SOFC의 주요 응용분야

표 3에서 보듯이 현재 SOFC의 주요 응용분야 는 가정용, 건물용 및 분산발전용과 같은 정치형 연료전지와 자동차나 선박 등 수송 장치의 보조 전원 및 군사 목적용 등의 이동형 연료전지로 나

눌 수 있다.

가스엔진 등 기존의 발전원과 비교할 때, SOFC를 비롯한 연료전지는 기동 시 많은 시간 이 소요된다. 이는 초기 환원 및 안정화가 필요하 기 때문이다. 또한, 기동정지를 반복하면 열사이 클로 인해 내구성이 저하되는 약점이 있다. 현재 이러한 문제점을 극복하는 연구가 전 세계적으로 진행 중이며, 그동안은 주로 전력 및 열을 지속적 으로 공급할 수 있는 곳 위주로 초기 연료전지 적 용 시장이 형성될 것으로 보인다. 일반적으로 호 텔, 슈퍼마켓, 병원 등 야간전력 부하가 비교적 크 고, 열 수요 역시 큰 건물이 초기 SOFC의 진입에 적합한 응용처라 하겠다.

분산발전은 기존의 대규모 중앙 집중형 발전 과는 달리 전력수요지 근처에 배치된 발전소를 의미한다. SOFC는 기존의 연료전지가 갖는 고효 율, 친환경 특성에 더하여 시스템의 소형화가 가 능하다는 장점이 있다. 그렇기에 대규모 전력의 수요가 발생하는 도심지 인근 혹은 도심지 내에 설치가 가능하며, 증가 추세인 분산발전 시장에 적합한 해법이 될 수 있을 것이다.

가정용 SOFC는 전기와 온수(열)에 대한 수요 에 모두 대응이 가능하도록 CHP(Combine Heat and Power) 타입으로 개발되고 있다. 전기효율은 40~50% 수준이며, 온수로 회수되는 열량을 고려 하면 종합효율은 80~90% 수준에 이른다. 주로 일 본과 유럽을 중심으로 1~3 kW급 가정용 SOFC의 개발 및 보급 사업이 활발히 진행 중이다.

은행이나 공공기관 등은 안정적인 전력 공급 이 중요한 수요처이다. 더욱이 반도체 공장 등 전 자 산업에서는 전력의 단가보다는 전력의 신뢰 도가 중요한 요소로 작용한다. SOFC 분산발전 은 기계적으로 움직이는 부분이 없고, DC 전력 을 AC 전력으로 변환시켜주는 장치에 의해 전기 의 질이 고급화되어 공급 신뢰성이 향상되므로,

[그림 4] SOFC 셀 개발 동향

<표 3> SOFC 응용분야

정치형(Stationary)

중대형 분산발전 설비 (DG : Distributed Generation,

CPG : Centeralized Power Generation)

가정용 열병합 발전 (RPG : Residential Power Generation)

보조전원

(APU : Auxiliary Power Unit)

자동차/트럭, 선박용, 비행기용 전원

이동형(Portable) 군용전원, 정보기기용 전원

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전력의 품질과 신뢰도에 민감한 산업을 중심으로 채택이 이루어질 것으로 기대된다.

차량 혹은 선박과 같은 운송 수단은 고효율, 친환경, 소형화 등의 특성을 갖고 있는 SOFC의 좋은 적용처가 될 수 있을 것이다. 현재의 기술 수 준을 고려하였을 때 SOFC는 주동력보다 보조 전 원에 적합한 것으로 보인다. 특히 냉장설비를 계 속 가동시켜야 되는 특장차, 군용의 전차 등 전력 이 많이 소요되는 차 또는 디젤연료 사용 트럭 등 에 보조 전원으로 적합하다.

국내외 정책동향

미국에서는 27개 주에서 연료전지를 RPS(Re- newable Portfolio Standard, 신재생 에너지 공급 의무화 제도) 대상으로 포함하고 있으며, 투자 세 액 공제, 설치비 지원 등의 혜택을 주고 있다. 유 럽은 정부-민간 공동 프로젝트로 `13년까지 수소 인프라 구축, 연료전지 보급 및 상용화에 4.5억 유 로를 투자할 계획이다. 한편, IMO(International Maritime Organization, 국제 해사 기구)는 전 세 계 운항 선박을 대상으로 해양오염 배출에 대한 강력한 규제를 발효하였다. 그 결과 NOx 및 SOx 는 `16년까지 현 수준 대비 80%를 감축하여야 하 며, 온실가스는 `15년부터 단계적으로 감축하여 30% 이상을 감축해야 한다.

국내는 `12년부터 RPS 제도를 시행 중이다. 올 해 2%에서 시작하여 `22년 10%까지 의무공급량 을 단계적으로 확대할 예정이다. 연료전지의 경 우 2.0의 가중치를 받았으며, 풍력은 1.0의 가중치 를 받았다. 정부는 한국전력 자회사의 경영진 성 과 평가 시 RPS 이행 여부를 반영하는 등 강력한 추진 의지를 천명하고 있다. 의무사업자들은 태 양광, 풍력, 조력 등의 경우 사업 추진이 어려워 연료전지를 주요한 대안으로 판단하고 있다.

또한, 공공 건물의 신재생에너지 의무 사용 제 도가 발효되어 `11년 1천 m² 이상 공공건물 신증 개축 시 신재생에너지 이용 의무비율을 10%로 확정하였다. 이는 `20년 20%까지 단계적으로 확 대될 계획이다. 서울시에서는 환경 영향 평가 고 시를 강화하여 민간 건축물에까지 총 건축공사비 혹은 에너지사용량의 일정 부분을 신재생 에너지 원으로 사용하도록 하고 있다(일반건축물 총 건 축공사비 1% 혹은 에너지사용량의 1%, 고층건 물은 4%, 초고층건물은 6%).

국내 기술개발 현황

국내 SOFC 기술은 주로 서울대, KAIST 등의 대학과 국책연구소인 KEPRI, KIST, KIER를 중심 으로 SOFC 구성요소의 물성에 대한 기초 연구 가 진행되었다. 또한, 평판형 및 원통형 SOFC 스 택제조를 위한 연료극 지지체 개발에 관한 연구 가 이루어지고 있으며, 대학 및 일부 기업에서 기 초 및 요소기술 개발, 단전지 기술, 스택 기술개발 에 대한 요소기술 연구가 진행되고 있다. 정부는 기술주도형 핵심부품 및 시스템 기술개발과 제 품 완성도 제고를 위한 상용화 기술개발을 병행 한 전주기적 기술개발을 추진하여 국내 산업 육 성 및 선진국 대비 기술 경쟁력 강화를 도모하고 있다. 또한, 연구소 및 대학의 연구결과 논문 발표 수의 증가와 연구인력 양성이 활발히 진행되고 있으며, 정부지원 R&D를 통해 종합적이고 체계 적인 연구개발 사업추진 시 선진국 기술 수준에 빠른 시일 내 도달 가능할 것으로 판단된다(표 4 참조).

한국 에너지 기술 연구원(KIER)

소형 원통형 SOFC 스택으로 수송기기/산업 용 보조 전원장치 및 가스터빈과의 하이브리드

대형복합발전 시스템 개발에 주력하고 있으며, 평관형 SOFC 스택용 원천기술 개발도 추진 중에 있다.

가스터빈/연료전지 복합발전용 SOFC 발전시 스템 개발의 경우, 5 kW급 SOFC 스택 본체는 독 일 율리히(Juelich) 연구소에서 도입했으며, 상압 에서 연료로서 수소를 주입해 약 8.1 kW의 출력 을 발생시키는 SOFC 발전시스템을 개발하였다.

평관형 SOFC 스택 및 스택모듈 원천 기술개 발의 경우, 적용 분야별 평관형 SOFC 스택제작 에 필요한 스택 모듈 기술개발 및 스택 구성 부품 들의 핵심소재 원천기술을 개발 중이다.

한국과학기술원(KIST)

1990년대 초부터 평판형 SOFC 개발연구를 수행해왔으며, 쌍용, 현대자동차, 포스코 등의 산 업체와 연계하여 다층 세라믹 복합체 제조기술 을 응용한 고온(800℃이상)용 전해질 지지체형 SOFC 개발, 중저온(600-800℃)용 음극 지지체 형 SOFC 개발 등의 연구과제를 수행하였다.

평판형 SOFC 스택 구성에 필요한 단전지 및 밀봉재, 접속자, 집전자 등의 각종 요소부품 제조 기술을 확보하고 이를 바탕으로 kW급 스택 제조 기술을 축적하는 등 SOFC 관련 고유 원천기술들 을 폭넓게 보유하고 있다.

현재 저온운전을 통한 시스템의 안정성 및 경

제성 확보와 이를 위한 저온성능 향상연구에 주 력하고 있으며, 열사이클 및 산화/환원 사이클에 서의 안정성 문제를 해결하여 상용화 수준의 내 구성을 확보하기 위한 기술개발에 초점을 맞추고 있다.

전력 연구원(KEPRI)

평판형 SOFC를 사용하여 가정용 kW급 시스 템 개발을 진행 중이며, 고성능이면서 중저온에 서도 장기성능을 신뢰할 수 있는 SOFC 스택 모 듈 본체의 개발과 이의 RPG용으로서의 시스템화 관련 기술을 개발 중이다.

2006년 연료극 지지체형 단전지를 이용한 1 kW급 RPG용 중저온형 SOFC 발전시스템 개발을 완료하였으며, 현재 후속 연구로 5 kW급 열병합 SOFC 발전시스템 개발연구를 수행 중이다. 향후 실증연구를 시작하여 가정용 연료전지 보급사업 에 참여할 계획을 갖고 있다.

삼성전기/삼성SDI

삼성전기는 2006년부터 지식경제부 차세대 개발 사업의 일환으로 원통형 kW급 스택 및 시스 템 개발을 진행하고 있으며, 삼성 SDI는 친환경 발전용 100 kW급 고체 산화물 연료전지 발전 시 스템 개발이라는 과제로 원통형 스택 시스템 개 발을 진행하고 있다.

<표 4> SOFC용도별 개발계획

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용도 단기

(2012~2015)

중기 (2015~2020)

장기 (2020~2030) 건물용 ·주택용 SOFC(수 kW) 실증 ·주택용 SOFC 모니터링 ·주택용 SOFC 양산 보급

·상업용 SOFC(25 kW) 실증 ·상업용 SOFC 실증 ·상업용 SOFC 모니터링/양산 보급 분산발전용 ·100 kW급 SOFC 개발 ·100 kW급 SOFC 실증

·250 kW급 SOFC 개발

·100 ~20 kW급 SOFC 보급

·MW급 SOFC 개발/실증/보급 이동용

(선박,차량, 군수용 등) ·수송용 10 kW급 개발 ·수송용 10 kW급 실증

·수송용 50 kW급 개발

·10~50 kW급 보급

·100~250 kW급 개발/실증/보급 부품소재 ·SOFC 원료분말 소재기술 개발

·SOFC 스택 신뢰성 및 내구성 고도화 기술 개발 ·양산공정 기술개발 및 보급

경동나비엔/코미코

경동나비엔은 ‘그린홈 연계형 건물용 SOFC 시스템 개발 및 실증’ 과제를 통하여 고신뢰성의 건물용 SOFC 열병합(m-CHP)시스템 개발을 진 행 중이다. 경동나비엔을 주관으로 경동네트웍, 코미코, LTC, K-세라셀, H&Power, 한국가스안 전공사, 한국과학기술연구원, 한국세라믹기술원, 카이스트, 국민대, 한양대가 참여한다. 2011년 7 월부터 2016년 6월까지 5년간 진행될 예정이며, 사업 1단계인 2014년까지 상용 700 W급 SOFC 시스템을 개발하고 2016년 2단계 종료 시까지 상 용 시스템의 실증 및 최적화를 수행할 예정이다.

포항 산업과학 연구원(RIST)

1990년대 후반부터 SOFC용 분리판 소재 개 발, 고온형 연료전지 스택 소재 제조기술 개발연 구를 통해 저비용, 고기능 분리판 설계, 스택 구성 요소 제작 및 공정기술 등의 기반기술을 확보하 였으며, 이를 바탕으로 2006년 1 kW급 SOFC 스 택의 제작 및 운전평가 연구를 완료하였다. 고신 뢰성 10 kW급 단위스택 개발 과제를 활용하여 단 위 스택용 구성요소 자체 개발(셀, 밀봉재, 분리 판, 집전체 등), 고온형, 대면적 셀(700~1,000) 적 용 단위 10 kW급 단위스택 개발을 진행 중이다.

포스코에너지

포스코에너지는 ‘고효율 분산발전 SOFC용 고신뢰성 소재/부품의 양산기반 기술개발 및 SOFC 핵심 분말 국산화’ 과제를 활용하여, 원 료 분말 및 이차 소재 합성 기술을 확보하였으며, Compression Molding법을 이용한 400 cm² 셀 개발을 수행 중이다. 또, RIST와 상호 협력을 기반 으로 10 kW급 건물용 SOFC 시스템의 상용화를 위한 개발에 주력하고 있다.

해외 기술개발 현황

미 국

2000년 이후 에너지성(Department of Energy, DOE) 주관으로 석탄 연료를 기반 대 용량(>수백MW) 발전용 SOFC 시스템의 상용 화를 목표로 민·관 협력 파트너십 프로그램인 SECA(Solid state Energy Conversion Alliance) 프로그램을 운영 중이다. SECA에서는 GE, Delphi 등 산업체와 퍼시픽노스웨스트국립연구 소(PNNL), 핵물리학연구소(ANL), 오크리지국 립연구소(ORNL) 등 국립연구소들이 컨소시엄 을 구성하여 연구를 진행하고 있다. 이들은 단 전지 대면적화, 구성요소 박막화를 통한 소재 비 절감과 부품 양산공정 통한 시스템 경제성 확 보에 집중하고 있으며, SOFC 성능향상 기술개 발은 Georgia Tech, Florida, Utah 대학 등 연구 소 및 대학팀들 위주로 진행되고 있다. 참여기 업으로는 Siemens Westinghouse, Honey well, Delphi, McDermott, UTC power, GE, CPG, FCE, Acumentrics 등이 있다(그림 5 참조).

Delphi社는 1999년에 SOFC 시스템의 개발에 착수하여 대형 트럭의 보조 전원 등의 용도로 개 발 중이며, BMW와 공동으로 승용 및 경량 트럭 용, 군용 APU 시스템을 개발 중이다. 5 kW APU 용 가솔린 개질기술 및 3~10 kW APU용 천연가 스 개질을 포함하는 평판형 SOFC 의 경우 모사 연료를 사용하여 750℃에서 0.5 W/cm²(at 0.7V) 의 성능을 나타내었다.

Versa Power System(VPS)社는 구 Global Thermoelectric Inc.의 SOFC 부문을 판매한 Fuel Cell Energy 기술을 기본으로 하여 2001년에 설 립된 Joint Venture 로서 SECA 프로젝트에 참여 하였다. 평판형 셀구조의 16 kW 스택을 활용하 여 60 kW 스택 모듈 개발 중이며 시스템 개발은

FCE에서 진행하고 있다.

Bloom Energy社는 100 kW급 시스템 개발을 완료하여 상용품 “Bloom box”를 출시하였으며, 구글, 이베이, 애플 건물 등에 총 40기(4 MW)를 판매하였다. 실제 가격은 70만~80만 달러이지 만, 20%는 정부 보조금, 30%는 연방정부 세금 혜 택으로 실질 공급가격은 35만~40만 달러 수준이 다. 향후 1 kW 수준의 가정용 SOFC를 상용화하 여 3,000달러에 공급할 예정이며, 건물용 보안전 원시장을 집중할 계획이다.

Siemens Westinghouse(SWPC)社는 길이 1 m 원통 튜브형 셀(AES셀) 외부에 음극재료, 전

해질 및 양극재료로 구성된 원통형 단전지를 연 결해 100 kW급 SOFC 스택(그림 6 참조)개발 해 11,000시간 이상 운전경험을 가지고 있다. 단 전지로는 6만 9천 시간(>7년) 이상 연속 운전 해 성능감소율 1%/1,000시간 이하이고, 114회 의 Thermal cycles 실험을 수행하였다. 그러나 고가 제조공정(Electro Vapor Deposition법, 단 전지당 2회 이상 공정소요)에 따른 생산원가 상 승과 구조적 요인에 따른 발전효율 저하, 대량생 산의 어려움 및 엄청난 생산설비 투자 등이 단 점으로 지적된 바 있다. 이후 마이크로가스터빈 과 하이브리드(hybrid)방식의 220 kW급 SOFC-

[그림 5] SECA프로젝트 연구개발 스케줄

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[그림 6]Bloom box 개념

GT(Micro) 발전시스템 개발을 진행 중이다(그림 7 참조).

일 본

1974년 Sunshine 계획 따라 통상산업성 (MITI)에서 원통형 셀연구에 개발 자금 지원 이후 전기기술연구소(ETL), 미쓰비시 중공업 (MHI), Fujikura, NKK, 일본 파인세라믹(JFCC) 참여하게 되었다. 그리고, 신에너지 산업기술 종 합개발기구(NEDO프로젝트)와 AIST(Agency of Industrial Science and Technology) New

sunshine 계획 지원을 시작으로 원통형 SOFC로 TOTO사, Kyushu 전력, Nippon Steel 등이 참여 하였으며, 평판형 SOFC는 Chubu 전력, 도쿄가 스 등이 참여하였다. 2007년부터 NEDO 지원 하 에 신에너지재단(NEF)에서 주거용 SOFC 시스 템(<1 kW) 개발을 위해 실증 연구를 수행 중이다 (그림 8 참조).

일본은 세계에서 가정용 연료전지 분야는 가 장 앞서 있다. 도시바, 파나소닉, ENEOS셀텍(신 일본석유와 산요전기 합작) 등의 연료전지 제조 업체들(생산 담당)과 신일본석유, 동경가스, 오

[그림 7]지멘스-웨스팅 하우스 사의 100 kW 급 CHP 시스템

[그림 8] NEDO 프로젝트 설명

사카가스, 동방가스 등의 석유 및 가스 기업들 (영업 및 판매 당담)이 제휴하여 ‘에너팜(ENE- FARM)’이라는 공동 브랜드를 만들고 지난해 5 월 이후 본격적인 시판에 돌입한 상태이다. 발전 을 위한 셀은 교세라가 공급하며, 평관형을 채택 하였다. 소매가격은 270만엔, 정부는 2012년 3월 중순까지 설치예정인 가정을 대상으로 최고 85 만엔을 보조할 예정이다.

Kyocera社는 연료극 지지체 평관형 SOFC셀 을 개발하여 세계 최고 레벨의 직류단 발전효율 56.1%(LHV)를 달성하였다. 평관형 SOFC셀은 하 나의 세라믹 기판 상에 다수의 음극 지지형 cell을 제조하여, 각 cell을 기판 상에 직렬로 접속한 구 조로 되어 있으며, 따라서 비교적 적은 수로도 용 이하게 고전압을 얻을 수 있어, 저전류 운전을 실

현할 수 있다. Kyocera의 평관형 셀은 제조시 적 층하는 공정이 간소하고 저렴한 재료 등의 특징 이 있어, 향후 양산에 의한 저 비용화가 기대된다 (그림 9 참조).

신일본석유社(JX Nippon Oil & Energy Corp.)는 2000년부터 주거용 PEFC시스템 실증/

상용화 경험을 바탕으로 SOFC시스템 실증을 시 작, 현재 상용화 단계로 진입하였다. 2007년부터 NEDO Project의 지원하에 실증 48기를 설치하 였으며, 진도 5 이상의 지진발생의 경우에도 Safe stop, emergency stop 정상 작동, 부품 이상 없음 을 확인하였다(그림 10 참조).

미쓰비시 중공업은 SOFC와 마이크로가스터 빈(MGT)을 조합한 200 kW급 combined cycle 시스템 그림 11을 개발하고 제작·운전을 실행했 다. 이 시스템에서 최대출력은 229 kW(AC발전 단), 성능시험에서 발전효율은 52.1%(LHV송전 단)으로 모두 프로젝트 목표를 만족했다. 그 후, combined cycle 시스템에서 3000시간 이상의 실증 운전시험을 실행하였다.

유 럽

유럽에서는 1974년 1차 오일쇼크 이후에 SOFC 연구개발 시작하였으며, 평판형과 800℃

부근에서 운전되는 중온형 연구개발 중점을 두 고 있다. 정부의 지원 프로그램 보다는 기업체 주 도로 시스템 제작 업체와 스택 모듈 제작업체 간 의 활발한 컨소시움 형성을 통해 다양한 규모의 시스템 실증 및 상용화를 추진하는 형태로 SOFC 개발이 진행 중이다.

독일은 Juelich 연구소를 중심으로 연료극 지 지체형 SOFC 단전지 제조와 10 kW급 중저온형 평판스택의 제작에 집중, 각 대학과 연구소에 꾸 준히 SOFC 구성소재 및 반응 메커니즘에 대한 연구를 추진 중이다. Siemens社가 10 ~ 20 kW급

[그림 9] 교세라 평관형 셀

[그림 10] 700 W급 가정용 SOFC

집 중

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SOFC 개발하였으며 Westinghouse社의 원통형 SOFC 개발관련 기업과 기술을 인수, 현재 원통 형에만 집중하고 있다.

Staxera社는 `06년 350 W급 스택 개발을 시 작으로 `08년 1 kW급 스택모듈을 개발하였다.

10x10 cm²급 전해질 지지형 소형셀 기반 기술을 보유하고 있으며, 0.5~5 kW급을 중심으로 스택 design 및 integration등 스택모듈 개발에 집중하 고 있다. 1 kW 스택모듈을 이용, 3 kW 시스템을 상용화하여 연구수요 대상으로 시스템을 판매하 고 있다(그림 12 참조).

덴마크는 Risoe 연구소, 대학 및 기업과 공동 으로 중저온 평판형 SOFC를 개발, 수 kW의 스택 제작 중이다. 이를 바탕으로 촉매 메이커 Haldor Topsoe社의 완전 자회사인 Topsoe Fuel Cell 에서 평판형 1 kW 단위스택을 모듈화하여 5, 20 kW급 스택모듈 구성하였으며, 시스템 업체인 Wartsila, Dantherm Power 등에 스택 공급하고 있다.

영국의 Rolls-Royce社는 SECA프로젝트에 참 여하여 250 kW급 가스터빈/연료전지 발전시스 템의 시제품 개발을 완료하고, 상용화를 목표로 실증테스트 중이다. 원통형셀을 채택하였으며, 분산전원 시장에 주력할 예정이다.

스위스의 Sulzer-Hexis社는 1993년 40개의 단전지를 적층한 1 kW급 스택 개발, 세라믹/금속 접합과 열 시스템 개발, 현재 평판 원반형 SOFC 를 기본 구조로 하는 3 kW급 스택으로 난방과 발전을 겸하는 소형 주거용(RPG, Residenrial Power Generation) SOFC 시스템 개발하여 실증 중이다.

핀란드의 Wärtsilä社는 선박 회사로서 분산전 원용 및 선박용 시장 우선 진입에 주력하고 있다.

선박 보조전원용 50 kW급 SOFC 시스템을 개발 하여 6,000hr 연속 가동 실증테스트 중이며 2014 년부터 상용화 예정이다. 분산전원용은 20 kW 급 시스템 2기를 설치하여 실증테스트중이며, Methanol, Bio gas 등 연료 다변화 추진하고 있다.

결 론

SOFC 연료전지는 효율이 높고 환경 친화적 이며, 온실가스 배출을 저감시키는 차세대 신 발 전 기술로서, 선진국들이 기술개발 및 상용화에

[그림 11] 200 kw급 SOFC-MGT combined 시스템

[그림 12] Staxera 1kW스택모듈

역량을 집중하고 있다. 또, 대지진 이후 연료전지 에 대한 소비자의 관심이 증가하고 있으며, 세계 적으로 전력 수요가 계속 증가하고 분산전원의 수요가 증가함에 따라 SOFC 발전시스템의 시장 성장 잠재력은 매우 클 것으로 판단된다. 부존 에 너지자원이 부족한 우리나라는 본 기술의 개발 및 상용화를 통하여 그린 에너지 기술의 선진국 이 될 수 있을 뿐만 아니라, 신 성장 동력화에 크 게 기여 할 것으로 사료된다.

국내에서는 SOFC 연료전지의 목표인 중대형 발전시스템 개발에 앞서 중간단계로 소형 발전시 스템(5, 10, 25 kW급)의 독립전원, 가정용, 자동 차 보조 동력원 등으로 상용화 계획을 수립하여 진행 중이다. 선진 기술 수준과 국내 기술 현황을 고려할 때, 기술격차는 있으나, 정부의 지원과 국 내가용 인프라를 총동원하여 기술개발을 추진하 면 단기간에 선진국 수준에 도달할 것으로 판단 된다. SOFC 기술을 단시간 내에 선진국 기술 수 준에 도달하기 위해서는 구성요소 대형화 및 고 성능화 기술개발 병행과 제조 인프라 구축이 필 요하며, 기 확보된 국내 기술을 최대한 활용하여 상용화에 주체가 되는 관련 산업체에서 본 사업 을 주관하고 산·학·연 공동 개발 체계가 되어 야 할 것이다.

참고문헌

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4. SECA

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8. Hennessy, Daniel, 2012, Delphi’s Latest Development for Solid Oxide Fuel Cells, Technical conference, Fuel Cell Expo 2012, Tokyo, Japan

9. Richter, Andreas B., 2012, Review of Progress in Development and Manufacture of SOFC at Topsoe Fuel Cell, Technical conference, Fuel Cell Expo 2012, Tokyo, Japan

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