고체산화물 연료전지(SOFC)는 외부 개질 장 치 없이 연료를 직접 주입하여 700℃ 이상의 고온 에서 발전하는 고효율, 청정 에너지기술로 연료전 지 가운데 가장 효율이 높은 시스템으로 귀금속 촉매, 전해질 제어, 냉각시스템 장치 등이 필요 없 는 등 여러 가지 장점을 갖는 기술이다. 작동 온도 저감을 위한 노력에 힘입어, 300℃ 부근에서의 운 전 가능성도 보고 되고 있다. 또한 셀 구조의 제한 이 없어서 용도에 따른 다양한 설계가 가능하고, 전력밀도가 높아 시스템의 소형화와 세라믹 공정 의 사용으로 연료전지 제조비용 절감 등이 가능하 게 되었다. 반면 대부분이 세라믹 및 초내열 금속 으로 구성되어 있기 때문에 구성요소 및 스택 설 계 기술의 개발에 대한 필요성도 대두되고 있다.
SOFC는 천연가스를 사용하여 발전하기 때문에 중대형 발전 시스템 외에 최근 새로운 발전 형태로 주목받고 있는 분산형 전원 및 소규모 주택용 전원 과 자동차 보조동력원으로도 사용이 가능하다.
SOFC의 여러 가지 장점으로 인해 기존의 중대 형, 가정용 적용 분야 외에 소형 휴대용 및 이동용 전원으로 마이크로 SOFC 기술이 최근 여러 기관 에서 개발되고 있으며, 사용되는 연료도 휴대용 및 이동용에 적합한 부탄가스, 디젤, 알콜 등에 관 한 연구가 활발히 진행되고 있다. 마이크로 SOFC 기술은 주로 마이크로 튜브셀을 이용한 SOFC 전 원개발이 주류를 이루고 있으면, 부분적으로 MEMS 기술 및 박막 코팅공정을 도입한 박막형 SOFC 기술 개발이 진행되고 있다. 비록 마이크 로 SOFC 기술이 현재는 태동단계에 있지만 기술 개발이 성공적으로 이루어질 경우 랩탑 컴퓨터 등
의 통신용 휴대 전원, 군용 휴대 전원, 소형 이동 전원 등으로 파급 효과가 매우 크기 때문에 기술 개발 추진이 필요한 분야이다. 본 고에서는 이러 한 관점에서 현재 기술 개발이 진행되고 있는 마 이크로 SOFC 기술의 현황을 분석하고 그것의 원 리 및 특징, 기술의 전망에 관해 기술하고자 한다.
마이크로 SOFC 기술의 특징
마이크로 SOFC는 단위부피당 전력 밀도를 극 대화시키기 위해 기존에 사용하고 있는 직경 수십 mm의 원통형 셀의 직경을 수 mm로 직경을 감 소시킨 것을 말하며, 용량 면에서는 특별한 정의 는 없으나 대략 kW급 이하의 것이 이에 해당된 다. 영국 버밍엄 대학의 Kendall 교수 등이 1994 년에 이에 관한 논문을 발표한 것에 그 유래를 찾 을 수 있으며, 그 후 1996년에 Kilbride, 2000년에 Tompsette 등이 Journal of Power Sources에 관 련 논문을 발표하였다.
이론적으로 마이크로 SOFC의 전력 밀도 상승 은 [그림 1]로부터 유도된 다음의 식에 의해 쉽게 이해할 수 있다. 즉 원통형 셀의 단위부피당 전력 밀도(W/cm
3)=πP/(D+t)로 표현된다. 여기서 P 는 셀의 단위면적당 전력 밀도(W/cm
2)에 해당된 다. 이 식으로부터 P(=0.3W/cm
2)와 t(=0.5cm) 를 일정하게 두었을 때 원통형 셀의 단위부피당 전력 밀도는 원통형 셀의 직경에 반비례하게 된다.
[그림 1]에서 원통형 셀의 직경을 1.5cm일 때 원 통형 셀의 단위부피당 전력밀도는 약 0.5W/cm
3정도가 되고 셀의 직경을 0.5cm로 감소시켰을 때 1W/cm
3에 근접하는 단위부피당 전력 밀도의 상
SOFC
송 락 현
한국에너지기술연구원 수소·연료전지연구부, rhsong@kier.re.kr
승을 예측할 수 있다. 반면에 평판형의 경우 단위 부피당 전력밀도는 P/(t+t
cell)로 나타나며, 여기 서 t
cell은 셀의 두께이다. 연결재의 두께와 단위면 적당 전력밀도가 원통형과 같다고 생각하고, 통상 적으로 셀의 두께가 연료극 지지체일 경우 0.1cm 라 두면, 연료극 지지체식 평판형 셀의 단위 부피 당 전력밀도는 0.5W/cm
3정도가 된다. 이것을 원 통형 셀과 비교해보면, 약 원통형 셀의 직경이 1.5cm일 경우에 해당되며, 원통형 직경이 더 작아 져, 평판형에 비해 원통형의 직경이 0.5cm일때 단 위부피당 전력밀도는 두배가 증가하게 된다. 즉 원통형 셀의 직경을 수 mm로 감소시켰을 때 단 위부피당 셀의 전력밀도는 기존의 원통형 및 평판 형 셀에 비해 2~3배 증가시킬 수 있음을 알 수 있다. 이와 더불어 나노기술을 도입할 경우 전력 밀도의 상승 효과는 더 크게 된다.
전력밀도 상승 효과 외에 마이크로 SOFC 기술 의 또 다른 특징은 마이크로 튜브셀의 경우 열응 력에 대한 저항성이 매우 우수하다고 알려져 있다.
1분 이내 800~1000℃까지 급속 가열이 가능하다.
이러한 이점으로 인해, 소형 휴대용 전원, 이동용 전원, 군용 및 가정용 등의 전원으로 사용될 수 있 다. 현재 이 분야의 기술은 미국, 캐나다, 영국, 일
본 등에서 연구가 진행되고 있으며, 이에 따른 연 구결과들도 속속 발표되고 있는 실정이다.
단위부피당 SOFC의 전력밀도를 상승시키는 또 다른 방법은 MEMS 기술과 박막 코팅 공정을 이용한 마이크로 SOFC 개발이다. 이러한 셀 제 작은 MEMS 공정을 이용한 마이크로 가스 채널 의 가공 및 전극, 전해질 등 모든 구성 요소를 Si 웨이퍼 상에 박막 코팅함으로써 이루어지게 된다.
원리적으로는 모든 요소 들을 마이크로화시켜 고 출력 밀도의 마이크로 SOFC 제작이 가능하다고 알려져 있다.
마이크로 튜브를 이용한 SOFC
현재 두 종류의 마이크로 튜브형 SOFC가 개발 되어지고 있다. 하나는 전해질 자립막식 튜브 셀 이며, 다른 하나는 연료극 지지체식 튜브셀이다.
전해질 자립막식 튜브셀의 역사가 깊다. 영국, 뉴 질랜드에서 기술 개발이 시작되었으며, 최근에는 미국, 일본 등으로 기술 개발이 확대되고 있다. 전 해질 자립막식의 경우 두께가 0.1~0.2mm이고 직경이 2~3mm인 전해질을 원료로 하여 튜브를 제조한 후 튜브 안쪽에 연료극을, 바깥쪽에 공기 극을 코팅하여 셀을 제조한다. 이렇게 제조된 셀 의 경우 열충격에 대한 내구성이 매우 뛰어나다.
그러나 전해질의 두께가 두껍기 때문에 셀의 성능 은 비교적 낮은 편이다.
연료극지지체 마이크로 SOFC 셀의 경우 한국 에너지기술연구원, 캐나다 Albert Research Council , 미국의 Acumentrics 등에서 기술 개발 이 이루어지고 있으며, 직경 수 mm의 연료극 지 지체관 상에 전해질을 10µm 정도로 얇게 코팅하 고 그 위에 공기극을 코팅하기 때문에 셀의 전력 밀도는 매우 높은 편이다. 또한 열충격 저항도 매 우 높아 수분내 800~1000℃까지 급속가열이 가 능하다. 현재 마이크로 튜브를 이용하여 소형 스
원통형셀,
원통형 셀의 직경, D(cm) 단위부피당 전력밀도(W/cm3)
평판형 셀(0.5W/cm3)
~0.5cm, 1W/cm3
~1.5cm, 0.5W/cm3
D=원통형 셀 직경, t=연결재 두께,
그림 1. 원통형 SOFC셀의 직경에 따른 단위부피당 전력밀도 변화 및 평판형 셀과의 비교.
택을 개발한 결과들이 여러 기관에서 보고되고 있 으나, 아직까지 스택 구성에 관한 내용은 잘 알려 져 있지 않으며, 이 부분에 기술적 노하우가 있는 것으로 분석되고 있다. 특히 스택 구성에 필수적 인 전류집전체의 구성과 방법은 마이크로 튜브형 SOFC 기술의 실용화를 위해서는 매우 중요한 요 소이다. 마이크로 튜브 셀의 적층방법의 하나로 가스채널을 가진 연결재 판에 반원형 홈을 가공하 고 여기에 셀을 배열하여 적층하는 것이다.
마이크로 SOFC의 실현을 위해 영국 버밍엄대 학의 Kendall교수가 제안한 전해질 자립막식을 이용한 마이크로 튜브형 SOFC를 일본 동북대학 에서 실현을 하였으며, 이와 유사한 마이크로 SOFC 시스템을 한국에너지기술연구원(KIER) 에서는 연료극 지지체식 마이크로 SOFC 셀로 제 작하여 실현에 성공하였으며, 그 결과를 [그림 2]
와 [그림 3]에 나타내었다. [그림 2]는 연료극 지 지체식 직경 3mm의 마이크로 SOFC 셀을 나타 내고 있으며, 연료극 지지체 위에 약 5 µm두께의 치밀한 나노 전해질이 코팅되어짐을 알 수 있다.
전해질 두께의 감소와 이온전도도의 증가는 전해 질의 저항 손실을 감소시키기 때문에 연료전지의 작동 온도를 낮출 수 있는 요건을 제공한다. 현재 마이크로 SOFC의 실용화를 위해서는 가능한 저 온으로 작동하는 것이 유리하다. 작동 온도의 저 감은 기동시간을 감소시킬 뿐만 아니라, 상용 금
속연결재 적용, 시스템 제어 등과 같은 주변 기술 의 문제도 쉽게 해결 가능하게 한다. 스택 기술의 개발시 셀의 고온 작동에 따른 고가의 내산화성 금속 소재의 사용은 SOFC 가격을 증가시키기 때 문에 실용화의 걸림돌로 작용하게 된다. 그러나 작동 온도의 저감은 연료전지 반응 측면에서 반드 시 좋은 것만은 아니다. 온도가 낮아짐에 따라 전 극의 활성도가 감소하기 때문에 새로운 고성능 전 극을 개발해야 하는 과제를 갖게 된다. 또한 작동 온도의 저감은 SOFC 커다란 장점인 직접개질 반 응에 영향을 미치기 때문에 적절한 작동온도를 유 지할 필요가 있다.
[그림 3]에 KIER에서 개발한 연료극 지지체식 마이크로 튜브형 SOFC의 장치도 및 실물 사진을 나타내었다. 급속 기동이 가능하도록 설계 제작되 었다. 이 장치는 연료로 부탄을 사용하며 셀의 주 위에도 가열용 노즐을 설치하였으며, 기동은 라이 터로 착화하여, 약 1분 뒤에는 400~600mV 정도 의 전압이 발생하여 팬의 회전이 시작된다. 가스 의 공급을 멈추면, 약 1분 뒤에는 셀을 손으로 만 질 수 있을 정도의 온도까지 자연 냉각된다. 발전 효율을 무시한 실험이기는 하지만 마이크로 튜브 형 SOFC가 급속기동 및 정지에 대한 높은 잠재 력을 보여 준 실험이었다. 현재 이러한 마이크로 튜브형 SOFC 기술은 일부 실증된 경우가 보고되 고 있으나 상용화를 위해서는 발전 효율을 고려한
그림 2. KIER의 연료극 지지체식 마이크로 SOFC(A), 연료극 지지체상의 나노전해질 코팅(B).
(A) (B)
적층기술의 개발이 중요한 과제이다. 또한 마이크 로 SOFC 셀을 1~2시간 운전후 연료극쪽에 carbon deposition이 매우 심각한 상황이며, 가스 채널을 완전히 봉쇄시켜 연료극내 가스공급이 원 활히 이루지지 못할 지경이다. 휴대용 및 이동용 전원으로 사용을 위해서는 연료의 직접 공급이 중 요하나, 이에 수반되는 연료 직접 열분해 문제는 반드시 해결해야하는 과제이다.
MEMS 기술을 이용한 박막 SOFC
Lawrence livermore national laboratory(LLNL) 에서 소형 휴대용 전화와 랩탑 컴퓨터 전원으로 이용 가능한 소형 에너지 변환장치(micro energy conversion)를 개발하기 위해 SOFC 스택의 구성 요소, 매니폴드 및 연료 공급부를 초소형화시키는 새로운 제조 및 적층기술을 연구하고 있다.
MEMS 기술을 이용하여 Si wafer 기판위에 매니 폴드 채널과 연료공급 시스템을 제조하였고 박막 고체산화물 연료전지의 전극과 전해질을 제조하 기 위해서 PVD(physical vapor deposition process) 및 CVD(chemical vapor deposition
process)을 이용하였다. [그림 4]는 Si 기판위에 제조된 박막 고체산화물 연료전지의 개략도이다.
연료극/전해질/공기극의 3개 층은 질화물로 에 칭된 Si 기판위에 코팅되었다. LPCVD(low pre- ssure chemical vapor deposition)법을 이용하여 웨이퍼 기판위에 0.22µm의 SiN 층을 제조하였다.
웨이퍼의 뒤쪽으로 포토리소그래픽(photo- lithographic) 기술을 이용해 패턴을 형성하여 0.14~16mm의 면적으로 SiN을 에칭하여 제거하 였다. 박막 SOFC를 제조하기 위한 구성요소의 증착공정은 다음과 같다. 0.5µm로 Ni을 스퍼터링 그림 3. KIER의 연료극 지지체식 급속기동형 SOFC의 개략도 및 실물사진.
Electrolyte(YSZ)
Cathode (Ag)
Silicon Silicon
Anode(Ni)
Nitride Membrane Etched in Window
