고체산화물 연료전지(solid oxide fuel cells, 이하 SOFC)는 모든 구성요소가 고체 재료인 에너지 변환 장치로 전기화학반응을 이용함으로써 기존 열기관보 다 발전 효율이 높고, 환경 보전성이 우수하여 미래의 친환경 및 고효율 전원 장치로 각광받고 있다. 현재 SOFC는 [그림 1]에서와 같이 연료 혹은 산화제로 사용하는 가스의 특정 이온, 예를 들어 산소이온 혹은 프로톤을 전달할 수 있는 이온 전도성 산화물을 전해
질 재료로 사용하여 다공성의 공기극(cathode)과 연 료극(anode)에서 전기화학 반응을 일으킴으로써 전 기를 생산할 수 있게 된다. 특히 작동온도가 600~1000℃인 고온 연료전지에 속하는 SOFC는 수 소, 석탄가스, 천연가스, 매립지가스, 메탄올, 휘발유 등 다양한 연료를 사용할 수 있으며 폐열을 이용한 열 병합 발전이 가능하다는 장점이 있다. 더욱이 고온 작 동으로 인해 비싼 귀금속 촉매가 필요 없다는 점과 열 염 연료전지 시스템 개발 사업이 두산중공업 주관으
로 진행 중에 있다.
한편, POSCO는 2005년 미국 FCE사와 계약을 맺 고 내부개질형 MCFC 시스템을 개발하고 있다. 스택 은 미국 FCE사의 제품을 수입하여 사용하고 BOP 및 시스템을 개발하여 상용화 제품을 제작 판매한다 는 전략으로 2007년에 POSCO Power사를 설립하여 현재 연간 50MW 시스템을 제작할 수 있는 MCFC 생산공장을 2008년 완공하고 내부개질형 MCFC 시
스템을 생산 중에 있으며 현재까지 16기, 25MW 규 모의 계약을 체결하였다. 또한 발전용 연료전지 시범 사업으로 미국 FCE사의 250kW급 시스템을 3기 수 입하여 포항산업기술연구원, 탄천하수종말처리장 그 리고 조선대학교에 설치하여 운전을 하고 있으며 이 중 포항산업기술연구원에 있는 MCFC시스템은 약 1,500시간 이상 운전되었으며 탄천하수종말처리장에 설치된 MCFC 시스템은 하수처리 소화가스로 운전 하였다[그림 9].
맺음말
앞에서 정리한 바와 같이 용융탄산염 연료전지는 오랜 기간 동안의 관심과 투자로 상용화 초기 단계에 들어섰다. 하지만 진정한 상용화를 이루기 위해서, 또 한 우리나라가 용융탄산염 연료전지 분야에서 기술적 경쟁력을 갖기 위해서는 많은 기술 개발이 이루어져 야한다. 이를 위해서는 지금까지 용융탄산염 연료전 지 관련 분야에서 받아온 관심과 투자가 계속 유지되 어야 할 것이며, 이러한 인내력 있는 투자만이 미래에 큰 결실로 보답 받을 것이다.
윤 성 필
KIST
[email protected]
그림 9. 탄천물재생센터 연료전지.
병합 발전에 유리하다는 점 때문에 분산전원(수 MW 급) 또는 중앙 집중형 대형 발전(수백 MW급) 시스 템에 적합한 것으로 알려져 있으며, 이에 비하여 규모 가 작은 수 kW급 가정용 발전장치(residential power generation, RPG) 그리고 자동차용 보조전원 (auxiliary power unit, APU) 및 군수용 휴대전원 등 다양한 적용분야로 연구 및 상용화 범위가 확장되고 있다.
본고에서는 고온 연료전지의 대표 격인 SOFC에 대하여 형태 및 적용 분야별 장단점과 현 기술 수준 등을 분석 비교해 봄으로써 전망 및 향후 바람직한 연 구방향을 예측하는 계기를 마련해 보고자 한다.
SOFC 재료적 특징
미국 DOE(Department of Energy)는 2015년까지 수소생산 가격을 13$/GJ H2을 목표로 하고 있으나 현재 이 목표치에 도달할 수 있는 수소생산 기술은 대 부분 화석연료로부터의 수소생산 기술들뿐이다. 따라 서 태양광, 풍력, 바이오매스와 같은 대체에너지로부 터의 수소 생산은 가까운 시일 내에 상용화되기 어렵 기 때문에 화석연료로부터의 수소생산에 이은 고효율 연료전지 시스템을 연계함으로써 화석연료를 사용하 는 내연기관 시스템을 순차적으로 대체해 나가는 시 나리오를 채택해야 한다. 화석연료를 사용해야하는 경우에는 고온 연료전지, 특히 SOFC가 절대적으로 유리하다. 즉, 고온 연료전지는 고온의 개질 반응을 거
쳐 생산된 수소 및 일산화탄소를 열교환과 같은 불필요한 단계를 거치지 않고 직접 연료로 사용 할 수 있다. 그러나 저온 연료전지는 생성된 수 소 및 일산화탄소를 작동온도까지 낮춰야하며 더욱이 PEMFC의 경우 백금의 일산화탄소 피 독을 막기 위하여 일산화탄소 농도를 낮추는 수 성전환 및 선택적 산화와 같은 추가공정을 삽입 해야만 한다. 이러한 부가적인 공정은 결국 시 스템 효율을 떨어뜨리고 장치의 복잡성을 증가 시켜 가격 경쟁력을 약화시키는 요인이 된다.
[그림 1]에 두 가지 서로 다른 전해질 재료로 구성 된 SOFC가 도시되어 있다. [그림 1 (A)]는 프로톤 전도성 산화물 재료를 전해질로 사용하고 있고, [그림 1 (B)]는 산소이온 전도성 재료를 전해질로 사용한 경 우를 나타내고 있다. 물론 두 경우 모두 유망한 SOFC 의 전해질 재료이며 둘 중 어떠한 재료가 SOFC를 대 표하는 가는 순전히 각 전해질 재료의 이온 전도성 및 안정성에 좌우되지만 현재는 산소이온 전도성 재료인 안정화 지르코니아 계열이 가장 널리 사용되고 있다.
그 이유로는 안정화 지르코니아가 타 프로톤 전도성 재료보다 작동조건 하에서 열적, 화학적 및 기계적 안 정성이 우수하기 때문이며 또 하나 화석연료를 사용 할 경우 직접 개질(internal reforming)이 가능하여 시스템 효율을 높일 수 있기 때문이다. 예를 들어 [그 림 1 (A)]에서와 같이 프로톤 전도성 재료를 사용할 경우, 반응 부산물인 물이 공기극 쪽에서 발생하게 된 다. 이 경우 수소를 연료로 사용하는 시스템이라면 연 료극의 수소 절대량이 변할 뿐 수소의 분압은 변화하 지 않기 때문에 값비싼 수소연료를 바로 재순환하여 연료로 사용할 수 있게 된다. 반면 [그림 1 (B)]에서 와 같이 산소이온 전도체를 전해질 막으로 사용하는 경우에는 연료극 쪽에 물이 생성되어 별도의 개질 장 치 없이도 연료전지 작동온도에서 수증기 개질 (steam reforming)을 실시할 수 있게 되어 높은 발전 효율을 기대할 수 있게 된다. 결국, 연료의 종류 및 적 용 분야에 따라 선택 가능한 SOFC의 전해질 재료가
(A) (B)
그림 1. 전해질 종류에 따른 고체산화물 연료전지 발전 원리; (A)
프로톤 전도체를 이용한 고체산화물 연료전지, (B) 산소이
온 전도체를 이용한 고체산화물 연료전지.
바뀔 수는 있겠으나 소형 및 휴대용의 경우, 연료의 에너지 밀도 측면에서 수소 보다는 탄화수소 연료가 바람직하고 또한 적합한 수소 저장재료를 개발한다하 더라도 시스템 및 작동 편이성을 고려할 때 고분자 전 해질 연료전지와 같은 저온 연료전지와 경쟁해야하므 로 프로톤 전도체를 전해질로 하는 고체산화물 연료 전지는 소형 분야에서는 적합하지 않다. 하지만 대형 발전 분야 중 석탄가스화와 연계된 연료전지 시스템 의 경우에는 수소와 일산화탄소를 연료로 사용해야하 기 때문에 연료극 리사클이 수월한 프로톤 전도체를 전해질로 사용하는 형태[그림 1 (A)]가 산소이온 전 도체를 사용하는 시스템[그림 1 (B)] 보다 바람직할 수 있다. 그러나 이 경우에도 프로톤 전도체의 높은 이온전도도, 낮은 전자 전도도, 그리고 작동온도에서 의 열적, 기계적, 화학적 안정성이 보장되어야 하기 때 문에 아직까지 산소이온 전도체, 그 중 안정화 지르코 니아를 전해질로 사용하는 고체산화물 연료전지가 주 류를 이루고 있다.
SOFC 형태별 개발 현황 원통형 SOFC
Seal-less tube design은 1980 년대 Westinghouse 에서 처음 개발되었다. 이 방식의 SOFC는 기체 밀봉 이 필요 없고 기계적 강도가 우수하지만 전하의 경로 가 길기 때문에 내부저항이 높고 출력밀도가 낮을 뿐 아니라 전기화학증착법(electrochemical vapor deposition)을 이용하여 제조하기 때문에 생산단가가 높다는 단점이 있다. 그러나 이 디자인은 전지수명 뿐 아니라 열싸이클 및 가압운전시험 등 생산단가를 제 외한 모든 분야에서 우수성이 검증된 형태이다. 초기 에는 다공성 세라믹스를 별도의 지지체로 이용하였으 나 90년대 중반부터 공기극을 지지체로 사용한 형태 로 발전하여 단위 질량당 전력 생산량을 현저하게 증 진시켰고, 전해질을 제외한 모든 구성요소를 액상법 등 저가의 공정으로 대체하여 생산성을 향상시켰다.
그러나 세라믹 재료가 갖는 고유의 문제점인 대면적
화에 따른 수율저하 문제로 아직까지 상용화에 이르 지는 못하고 있다. 지금까지 Siemens Westinghouse 에서는 150cm 길이의 단위전지 1,152개로 이루어진 100kW 급 스택을 8,700시간 동안 운전한 바 있으며 3 기압에서 작동하는 160kW급 스택을 60kW 급 가스 터빈과 연계하여 운전한 바 있다.
원통형 SOFC의 banded design과 bell-and-spigot design은 합쳐서 segmented-cell-in-series design이 라고도 불린다. 이러한 형태의 SOFC는 seal-less tube design에 비해 내부저항은 낮지만 기체 밀봉이 필요하다는 공통점을 지닌다. 이들 중 bell-and-spigot design은 1960년대부터 개발이 시작된 형태로써 별도 의 지지체가 필요 없지만 구성요소 제작 시 정밀성이 요구되기 때문에 독일의 Daimler GmbH에서 10개의 단위전지로 이루어진 원통을 제작한 이래 별다른 연 구 결과가 발표되지 않고 있다. 반면 banded desig은 별도의 지지체가 필수적이지만 제조가 비교적 용이하 기 때문에 일본의 電源開發·東京電力·Mitsubishi 중공업 연구팀에 의해서 개발이 진행되었었다. 이들 은 22개의 단위전지로 이루어진 72cm 길이의 원통 414개로 구성된 10kW 급(실제 성능 15kW) banded cell design SOFC 스택을 5 기압 하에서 8,000시간 이상 운전한 바 있다.
최근에는 셀 제조의 용이성 및 전지 성능을 고려하 여 연료극 지지체-원통형 디자인에 대한 연구도 활발 히 진행되고 있다. 국내에서는 에너지기술연구원이 그 리고 미국에서는 Acumentric사가 이러한 형태의 SOFC를 연구하고 있는데, Acumentrics사의 경우 단 전지 운전 시 100회 정도의 열주기 시험 후 약 0.8%/1,000시간 미만의 성능 저하 그리고 3,000시간 이상의 연속 운전을 보고한 바 있다. 최근 1 MW 모듈 개발을 위해 isostatic pressing 방법을 통한 2미터 길이 의 연료극 지지체-원통형 SOFC를 개발하고 있다. 그 러나 마찬가지로 대면적화 시 수율 저하 그리고 공기 극 쪽 집전문제는 해결해야할 가장 큰 걸림돌이다.
일체형 SOFC
일체형 디자인은 원통형에 비해 내부 저항이 낮고 전력 밀도가 높기 때문에 고효율 발전에 적합한 형태 로 기대되나 세라믹스를 주름진 구조로 성형해야 하 고 공소결(co-firing) 공정이 요구되기 때문에 생산단 가가 높고 기계적 강도가 떨어질 뿐 아니라 전해질 박 막화가 어렵다는 단점이 있다. 일체형 고체산화물 연 료전지는 테이프 칼렌더링 공정으로 제조된다. 기체 흐름에 따라 co-flow design과 cross-flow design으로 구분되는데 co-flow design은 단위 부피당 전해질의 면적이 넓기 때문에 전력 밀도가 높은 반면 제작이 어 렵고 매니폴드가 복잡한 반면 cross-flow design은 전 력밀도는 상대적으로 떨어지지만 제작이 상대적으로 쉽고 매니폴드가 단순하다. 일본의 中部電力·
Mitsubishi 중공업 연구팀은 20cm×20cm 면적의 cross-flow design 단위전지 10개로 구성된 MOLB (mono block layer built)를 개발하였고 MOLB 2개 로 이루어진 2kW급 모듈을 제작하였다. 이들은 이러 한 모듈 2개로 구성된 4kW급 스택을 2,000시간 동안 성공적으로 운전한 바 있다. 그러나 현재 대면적화 및 대량생산에 대한 한계 때문에 일체형 SOFC의 개발 은 중단된 상태이다.
평판형 SOFC
평판형 side manifold design SOFC는 일체형 디자 인의 구조를 단순화한 것으로 전력밀도 및 생산성이 높고 전해질 박막화가 비교적 용이하다. 이 디자인의 단점은 전해질 및 연결재로 밀봉이 이루어지는 segmented-cell- in-design의 경우와 달리 별도의 밀 봉제를 이용한 기체밀봉이 요구된다는 점이다. 평판 형 side manifold design SOFC를 제조하는 방법에는 공소결법과 전극도포법이 있다. 공소결법은 공기극, 전해질 및 연료극을 모두 테이프 캐스팅하여 적층한 다음 함께 소결하는 방법으로 열처리 과정이 단순하 지만 공소결 과정에서 구성요소간의 화학반응으로 인 하여 내부저항이 증가하고 단위전지가 변형되는 등의
문제점이 있는 반면 전극도포법은 소결이 끝난 전해 질에 공기극 및 연료극을 도포한 후 전해질 소결 온도 보다 낮은 온도에서 열처리하는 방법으로 구성요소간 의 화학반응은 억제할 수 있지만 생산성이 떨어진다.
이 디자인은 무엇보다도 제조가 용이하다는 장점 때 문에 독일의 Siemens AG, Daimler-Benz·Dornier, 일본의 Murata, Sanyo, Tonen, Tokyo Gas, Osaka Gas 및 한국의 쌍용 등 여러 곳에서 연구개발이 수행 되어 왔으나 2000년대 중반 들어 고온 밀봉 및 대면적 화의 어려움 때문에 연구활동이 급격히 위축되고 있 는 실정이다. 현재 VPS(Versa Power Systems)사 는 용융탄산염 연료전지 시스템을 개발하고 있는 FCE(fuel cell energy)사와 손잡고 석탄을 연료로 하 는 수 MW급의 SOFC/hybrid 발전소 개발에 참여하 고 있으며, 자체 개발한 3kW급 시스템을 2,000시간 이상 성공적으로 운전한 바 있다. 단전지 크기는 2002 년 81cm2에서 2006년 121cm2 그리고 현재 1,090cm2 크기를 제작할 수 있는 수준에 와있는 것으로 평가되 고 있다.
한편 side manifold design 개발의 장애물인 기체밀 봉을 용이하게 하고 온도구배를 완화하기 위해서 center manifold design이 고안되었다. 독일의 Sulzer-Hexis가 개발한 링 형태의 평판형 스택 디자 인으로 밀봉 없이 미반응 연료와 산소가 셀 외부에서 연소되는 구조로 되어있다. Sulzer-Hexis에서는 Galileo라는 상표로 1kW급 스택을 개발하여 상용화 를 추진하였으나 발전효율 및 안정성의 문제로 현재 개발이 중단된 상태이다.
평관형 SOFC
최근 들어 원통형 SOFC와 평판형 SOFC의 각 단 점을 보완한 평관(platten tube) 형태의 디자인에 대 한 연구가 많이 진행되고 있다. 평관형은 기존 원통형 과 비교하여 스택부피를 줄일 수 있고 seal-less 장점 은 유지하면서도 공기극 공급튜브를 제거하고 집전 저항을 줄임으로써 출력밀도를 증가시킬 수 있는 장
점이 있다. 대표적인 예로는 Siemens, Kyocera, Rolls-Roycs 등이 평관형 SOFC를 연구하고 있다.
Siemens의 경우, 1995년 길이 150cm, 출력 110W 의 원통형 SOFC 단전지를 개발한 이래, 2003년 평관 형태의 길이 75cm, 출력 190W의 HPD5(High Power Density)를 개발하였고, 2007년 이후 전기화 학반응 면적을 넓힌 길이 100cm, 출력 1kW 이상의 Delta 형태의 새로운 평관형 SOFC를 개발하고 있다.
Kyocera는 평관형태의 연료극에 전해질을 형성하 고 아래쪽에는 연결재(inter connector)를 그리고 위 쪽에는 공기극을 형성함으로써 단전지를 제조한다.
현재 이 소형 단전지를 200단 적층하여 1kW급 스택 을 적층하였고 750℃에서 전기효율 49%(AC-LHV) 로 운전하였다고 보고하였다.
Rolls-Royce는 원통형 banded cell 형태를 평관형 태로 변형한 디자인으로 다공성 세라믹 지지체 위에 연료극/전해질/공기극/연결재를 스크린 프린팅 법으 로 코팅하여 단전지를 제조한다. 전기효율 60%를 목 표로 250kW proto-type을 2006년까지 개발하고 향 후 1MW hybrid 시스템을 개발한다는 계획을 발표하 였으나 아직까지 실행에 옮기지 못하고 있는 실정이 다. 세라믹 제조의 특성상 평관형 역시 대면적 셀을 제조하기 여의치 않으며 소형 크기의 단전지로는 연 료 기체의 분배, 열 구배, 그리고 낮은 부피당 출력밀 도 때문에 수 십 또는 수 백 kW의 스택 모듈을 구성 하기에는 적당치 않다.
응용분야별 개발 현황
모든 연료전지의 작동온도는 전해질 재료가 충분한 이온전도도를 갖게 되는 온도를 기준으로 결정되게 된다. SOFC의 경우에는 일반적으로 이트리아를 첨가 한 안정화 지르코니아(Yttria-Stabilized Zirconia, YSZ)를 전해질로 사용하며 충분한 이온전도도를 갖 기 위해서는 700∼1000℃ 정도에서 작동되는 것이 보 편적이다. 이와 같은 높은 작동온도는 적용분야에 따 라 유리함과 불리함을 갖게 되는데 본고에서는 휴대
용, 가정용, 자동차 보조전원용, 그리고 발전용 분야에 서 SOFC가 갖는 장단점을 살펴보기로 하겠다.
휴대용
최근 작고 강력한 센서, actuator 그리고 기능성 소 자에 대한 수요가 늘면서 고전력밀도 및 고에너지밀 도를 동시에 갖는 휴대용 전원에 대한 수요도 함께 증 가하고 있는 실정이다. 현재 리튬이온 배터리는 대부 분의 소형 IT 기기들이 요구하는 125mW/cm3수준의 전력밀도를 충족시키고 있으나 리튬이온 배터리를 이 러한 전력밀도 수준에서 동작시키기 위해서는 매우 제한적인 시간에서만 작동이 가능하다. 예를 들어 리 튬이온 배터리가 약 0.16kWh/kg(0.35kWh/l)으로 에너지밀도를 갖는 반면 액화탄화수소를 연료로 사용 할 경우 10∼11kWh/kg 또는 7∼8kWh/l의 고에너 지밀도를 기대할 수 있다. 이점이 바로 연료전지가 배 터리와의 경쟁에 있어 보다 우위에 설 수 있는 가장 중요한 열역학적 장점이다.
현재, 배터리를 대체할 용도의 휴대용 연료전지의 경우에는 연료에 대한 공급, 보관 및 저장이 간편한 직접 메탄올 연료전지(DMFC)와 액체 연료인 메탄 올을 개질기를 통해 수소로 개질하여 사용하는 마이 크로 연료개질기(fuel processor)가 부착된 소형 고분 자 전해질 연료전지(PEMFC)가 집중적으로 연구되 고 있다. 메탄올이 연료로 선택된 이유는 공급, 보관 및 저장이라는 측면 외에도 액화수소를 능가하는 에 너지밀도를 갖고 있기 때문이기도 하다. 그러나 DMFC의 경우 PEMFC와 마찬가지로 물로 수화된 후 프로톤 전도성을 띄는 나피온이라는 고분자 막을 전해질로 사용하기 때문에 메탄올 연료가 농도 차에 의해 공기극 쪽으로 넘어가는 cross-over 현상이 발생 하여 효율을 낮추며 이를 줄이기 위한 물과의 희석은 에너지밀도를 감소시키는 원인이 된다. PEMFC의 경우에는 마이크로 개질기를 통하여 수소를 생산하고 이를 연료로 사용하는 시스템을 개발하고 있으나 일 산화탄소 제거 문제(10ppm 이하)와 메탄올 개질기를
약 400℃ 이상에서 작동해야함으로써 나타나는 빠른 기동, 잦은 on-off 및 단열과 같은 문제점을 안고 있 다. 이에 비하여 SOFC는 고에너지 밀도를 갖는 탄화 수소 연료를 작동온도에서 직접 개질할 수 있는 시스 템을 구성할 수 있음으로써 소형화가 가능하고 고출 력 및 고에너지밀도를 확보할 수 있게 된다. 그러나 빠른 기동, 잦은 on-off 및 단열과 같은 문제점은 반드 시 해결해야할 도전적인 과제이다. 최근에는 틈새시 장으로 SOFC를 이용한 군수용 휴대전원에 대한 연 구가 관심을 모으고 있다. 군사작전의 특성상 작전임 무의 시간 제약이 3일 임무 또는 10일 임무 등으로 구 분됨으로써 잦은 on-off는 피할 수 있고 무엇보다 현 재 군부대의 연료 체계인 가솔린, 디젤, JP-8 등을 직 접 사용할 수 있게 됨으로써 군수용 휴대전원으로 SOFC가 각광받고 있다.
자동차용
자동차 동력원용 연료전지의 경우, 빠른 기동, 잦은 on-off 및 고출력에 적합한 PEMFC를 중심으로 개 발이 진행되고 있다. 따라서 특성상 주동력원을 SOFC로 대체하기는 어려울 것으로 판단되며 화석연 료를 연료로 하는 내연기관 자동차의 보조전원용 고 효율 발전장치로서 SOFC 시스템이 연구되고 있다.
미국의 경우를 예로 들면, 대형 트럭이 연간 공회전 시간은 1,830시간 그리고 이때 소모하는 연료 비용은 약 11.7억 달러에 달한 다고 보고하고 있다. 따라서 대 형 차량에 효율적인 보조전원 즉, 디젤을 연료로 하는 SOFC 보조전원을 장착할 경우, 공회전에 소모되는 80%의 디젤을 절감하고 연간 0.2∼1톤의 NOx 감소 및 11∼18톤의 이산화탄소 배출 감축효과를 얻을 수 있을 것으로 예측된다. 현재 Delphi사는 이러한 용도 의 자동차용 APU SOFC를 개발하고 있으며 단위부 피 및 질량 당 출력이 큰 평판형 연료극-지지체 SOFC 유형을 채택하고 있다. 2003년 0.2kW 용량의 Gen 2A를 처음 개발한 이래 2004년 0.4kW 용량의 Gen 2B/2C(효율 3.3%), 2005년 1.2kW 용량의 SPU
1A(효율 17%), 그리고 최근 2.2kW 용량의 SPU 1B(효율 38%) APU 시스템을 개발한 바 있다. 그러 나 현재 년 2,000대 미만의 적은 자동차용 APU 시장 과 비싼 설치비용(대당 5,000∼8,000달러), 그리고 장 기 안정성 결여(15,000시간 이상 요구) 등이 자동차 용 SOFC APU 개발의 걸림돌이다.
가정용/상업용
1kW급부터 50kW급 이하 정치형 연료전지 시스템 으로 개인가정이나 여러 형태의 상가 등에 사용될 수 있는 연료전지를 말한다. 가정용으로 한국, 일본, 독일 등은 1∼2kW의 시스템을 주로 개발하고 있고 미국의 경우 5kW급을 개발하고 있으며 전기와 열을 동시에 생산하는 열병합 발전시스템이 주를 이루고 있다. 상 업용의 경우에는 5kW급부터 50kW급 이하를 목표로 하고 있는데 과거에 인산형 연료전지(PAFC)를 많이 개발하였으나 시장형성을 위한 가격저감에 실패하여 상업화는 되지 못하였고 지금은 PEMFC 및 SOFC 를 중심으로 개발이 진행되고 있다. 이러한 연료전지 를 이용한 청정 분산발전은 고품질 전력을 필요로 하 는 도심 등과 같은 수요처에 직접 발전소를 건설함으 로써 부수적인 송배전 시설을 간소화할 수 있다는 장 점이 있다.
가정용 및 상업용은 휴대용 또는 자동차용 보다 시 스템 부피에 덜 민감하기 때문에 수증기개질 반응에 의한 수소생산이 일반적이며, 상압 열병합(combined heat and power, CHP) 시스템의 경우, SOFC로 시 스템을 구성하면 전기효율 45∼50% 그리고 전체효율 (열 및 전기) 85∼90%를 얻을 수 있는 반면, PEMFC 시스템은 전기효율 약 35% 그리고 전체효 율 약 80% 정도를 얻을 수 있다. 두 시스템 간 전기효 율 및 전체효율의 차이는 연료전지 작동온도, 직접개 질 여부, 일산화탄소 제거 여부 등에 의해 비롯된 것 으로 열역학적인 효율 측면에서 특히 열원을 필요로 하는 수요자의 경우 고체산화물 연료전지가 우월하지 만 PAFC, PEMFC, 그리고 SOFC 중 승자는 결국
시장 진입에 성공하기 위한 가격 경쟁력 ($1500/kW) 및 안정성(약 40,000시간)을 확보한 시스템이 될 것이다.
대형 발전용
정치(定置)형으로서 수백 kW 이상의 전력을 생산 함으로써 기존의 발전설비를 대체할 수 있는 기능을 갖는 연료전지 시스템으로, 여러 연료전지들 중에서 PAFC, MCFC, SOFC 등이 발전용 연료전지로 적 합하다. 특히, MCFC 또는 SOFC와 같은 고온 작동 형 연료전지의 경우, 고온 작동으로 인해 비싼 귀금 속 촉매가 필요 없다는 점, 다양한 연료(천연가스, 석 탄, 석유, 매립지 가스, 수소 등)를 사용할 수 있다는 점, 열병합 발전이 유리하다는 점 등 때문에 분산전 원(수 MW급) 또는 중앙 집중형 대형 발전(수백 MW급) 시스템에 적합하다. 이와 같은 대형 발전용 의 경우에는 저온형인 PEMFC와 비교하여 고온형 MCFC 및 SOFC가 효율 및 가격 경쟁력 면에서 절 대적으로 우위에 있다. 특히, MCFC 및 SOFC는 가 스터빈 또는 연료로 석탄을 사용하는 석탄가스화 시 스템과의 연계가 가능하므로 훨씬 효율적이고 가격 경쟁력 있는 시스템을 확보할 수 있다. SOFC의 경 우 대형 발전용 분야에서는 PEMFC와 경쟁은 하지 않고 있으나 MCFC 시스템과 경쟁을 하고 있다. 따 라서 이 분야에서 MCFC를 극복하기 위한 가장 중 요한 SOFC 기술은 값싼 대면적화 기술 및 신뢰성 확보 기술이다.
맺음말
고체산화물 연료전지는 앞서 언급한대로 화석연료 의 전력변환에 있어 기존의 발전 방식 또는 타 연료전 지 발전 방식에 비하여 여러 장점이 있다. 때문에 미 국, 일본, 유럽과 같은 선진국에서는 이미 많은 연구비 를 투입하여, 고체산화물 연료전지의 구성 요소 개선 및 대체 구성 요소의 개발과 같은 기초연구뿐만 아니 라 셀 스택의 신뢰성 향상, 재료 및 제작 공정 개선을 통한 제조 원가 절감 그리고 실제 발전 시스템과 연계 등의 실용화 기술 개발에 연구력을 집중시키고 있다.
그러나 고체산화물 연료전지 분야는 현재 많은 도전 을 받고 있다. 예를 들어 휴대용 분야에서는 기존 상 용 제품인 배터리와 그리고 다른 연료전지의 일종인 DMFC 또는 PEMFC 시스템과 경쟁을 하고 있고 가 정용 발전 분야에서는 PEMFC와 그리고 분산 및 대 형발전 분야에서는 MCFC와 경쟁을 하고 있다. 불행 히도 연료전지 발전장치는 기존 내연기관 발전장치와 가격 및 안정성(수명) 면에서 아직 경쟁력이 없어 시 장 진입을 못하고 있는 실정이다. 이러한 상황에서 적 용 분야별로 다시 타 연료전지와 경쟁해야 하기 때문 에 연료전지를 필요로 하는 수소경제 사회가 도래한 다 하더라도 SOFC의 승리를 점치기는 쉽지 않다. 따 라서 향후 SOFC 연구 방향은, 타 연료전지 분야에서 와 마찬가지이겠지만, 가격과 안정성을 확보하는 쪽 으로 연구방향이 결정될 것이며 특히, 새로운 구성요 소 재료 개발과 단전지 및 스택 디자인 연구에 보다 많은 노력을 기울일 필요가 있다고 판단되어 진다.
