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1. 개요
고체산화물 연료전지, SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)연료전지의 일종으로, 세라믹과 같은 고체 산화물을 전해질로 사용하는 연료전지이다. 연료의 화학 에너지를 전기적 반응을 통해 전기 에너지로 변환시키는 장치로, 대기 오염을 일으키지 않고, 전기 발생 효율이 높다. 전해질이 고체이므로 이온을 통과시키기 위해 고온에서 작동시킨다.
2. 구성요소
* 평판형 SOFC의 대략적인 구조
SOFC의 종류에 따라 약간씩 다를수 있지만 구성요소는 위와 비슷하다.
사진의 왼쪽부터 연결재(Interconnect), 공기극(Cathode), 연료극(Anode), 밀봉재(Seal) 그리고 전해질(Electrolyte)이다.
2.1. 연료극
연료가 전기 화학적 산화반응을 일으켜 전자를 생성하는 곳으로, 다공성, 전자전도성이 있어야한다. 가장 두껍고 강하며 산소이온을 통해 수소를 산화시켜 전자를 만드는 곳이다.SOFC 연료극의 주요 기능은 연료의 전기화학적 산화 반응이 일어나는 자리를 제공하는 것이다. 연료극 재료는 연료의 환원 분위기에서 안정하여야 하며 운전 온도에서 연료 가스의 반응을 위해 충분한 전자전도도와 촉매 반응성을 가져야 한다. SOFC는 600℃~1000℃의고온에서 작동하므로 상온과 작동 온도 뿐 아니라 SOFC의 제조 온도인 더 높은 온도에서도 다른 구성 재료와 열적 및 화학적 적합성을 유지하여야 한다.[1]
2.2. 공기극
공기극에서는 전극 표면에 붙은 산소가 해리/표면 확산을 거쳐 전극/전해질의 삼상 계면으로 이동하여 전자를 얻어 이온화 되고 생성된 산소 이온은 전해질을 거쳐 연료극으로 이동한다.SOFC의 구성요소 중 공기극은 높은 이온전도도와 전자전도도(50(Ω․㎝)-1 이상)를 갖고 산화분위기에서 안정하며 다른 구성요소와 화학 반응 및 상호확산이 없을 뿐만 아니라 열팽창계수가 유사한 다공성(30% 이상) 막이어야 한다.[2]
2.3. 전해질
산소 이온 전도가 한번 발생하는 곳이다. 한 면은 공기와 접촉하고 다른 한면은 연료와 접촉한다. 보통 여러층으로 된 세라믹으로 되어있다. 이온 전달의 통로 역할을 할 뿐만 아니라 산소와 수소를 분리시켜 접촉을 막는 역할도 한다.2.4. 기타
-
촉매층
수소의 산화, 산소의 환원 반응을 촉진시키는 역할을 한다.
-
가스캣(밀봉재)
기체가 전지 밖으로 새어나가는 것을 막는 역할을 한다. 평판형 연료전지에서 매우 중요한 부분이지만, 원통형과 평관형에서는 기체가 흐르는 길이 있어서 엄격한 기체밀봉을 필요로 하진 않는다.
-
분리판
스택을 이루는 단위 셀을 분리하는 역할을 한다. 연료전지 무게의 절반 이상을 차지한다.
-
집전판
생성된 전류를 흐르게 하는 역할을 한다.
3. 작동 원리
- 블룸에너지의 SOFC 원리
SOFC는 산소 이온전도성 전해질과 그 양면에 위치한 연료극과 공기극으로 이루어져 있다.
공기극에서 산소의 환원반응에 의해 생성된 산소 이온이 전해질을 통해 연료극으로 이동하여, 다시 연료극에 공급된 기체연료와 반응함으로써 열과 물(수소 연료를 사용할 경우)을 생성한다. (기체연료가 탄화수소 연료일 경우에는 이산화탄소 또는 일산화탄소를 만든다.) 이때 연료극에서 전자가 생성되고 공기극에서 전자가 소모되므로 두 전극을 서로 연결하여 전류를 발생시키는 것이 SOFC의 원리이다.
4. 종류
4.1. 평판형 SOFC[3]
각 구성요소들을 적층하여 스택을 만들며, 전류는 공기극, 전해질, 연료극, 연결재 순으로 각 구성요소들의 면에 수직 방향으로 흐른다. 일반적으로 평판형 구조는 저온형 연료전지와 마찬가지로 반응가스를 공급하고 배출하기 위해 커다란 외부 매니폴더(여러 배기관)을 필요로 한다.이러한 구조설계는 엄격한 기체밀봉을 요구하며, 밀봉재는 전기적으로 절연체이어야 한다.
전류의 흐름이 수직 방향이기 때문에 전지 내부저항은 전지면적에 의존하지 않으며 구성요소의 두께에만 의존하고, 사각형, 원형, 육각형 등 다양한 형태로 스택을 만들 수 있다.
압축밀봉, 시멘트밀봉, 유리밀봉, 유리와 세라믹 복합 밀봉기술들이 개발되고 있으나, 여전히 많은 문제점을 갖고 있다.
4.1.1. 전해질 자립막식 평판형 SOFC
전해질을 두껍게 만든 평판형 SOFC이다.두꺼운 전해질 층을 가지므로(대략 200㎛ 두께) 높은 전해질 층의 면저항을 나타내며, 이 때문에 높은 운전 온도를 요구하게 된다.
전해질 자립막식 평판형 연료전지는 연료극 지지체식에 비하여 산화/환원반응에 의한 구조 변화가 없기 때문에 구조적 안정성이 높다고 할 수 있다. 그러나 얇은 지지체의 두께로 인하여 낮은 기계적 강도를 나타낸다.
4.1.2. 연료극 지지체식 평판형 SOFC
전해질 층을 박막화하여 전지성능을 증가시킨 연료전지이다.지지체와 전해질의 공소결이 가능하기 때문에 저가의 제조공정을 도입할 수 있으며, 넓은 연료극 면적으로 인한 연료극 분극저항을 최소화 할 수 있다.
그러나 연료극의 산화 환원 반응으로 인한 구조적 불안정성이 단점으로 지적되고 있다.
4.2. 원통형 SOFC
양극과 음극을 튜브형태의 지지체로 만든 연료전지로, 튜브 내로 연료공급을 할 수 있어 평판형 연료전지에 비해서 기체 밀봉이 쉽다. 그러나 평판형에 비해서 단위면적당 전력밀도가 낮으며 고가의 제조 공정이 필요하고, 연료전지의 지지체로 사용되는 공기극의 원료가 매우 고가이다. 심지어는 공기극의 제조가 어려운 문제 및 공기극의 기계적인 강도가 낮아 단위 전지가 충격에 약한 문제가 있어서 상용화에 어려움을 겪고 있다.4.3. 평관형 SOFC
- 카이세라셀에서 만든 평관형 연료전지
양쪽 끝이 반원형으로서 원통형의 특성을, 양 끝 사이 평탄한 중앙부가 평판형의 특성을 갖는다.
가스 밀봉이 용이하고, 양면에 전극 구성이 가능하기 때문에 한 모듈 안에서 전류 흐름으로 인한 저항을 최소화할 수 있으며, 고집적화를 이루어 스택의 부피가 줄어드는 장점이 있다.
원통형보다 높은 전력밀도를 가지고 있다.
평판형 SOFC의 경우에는 셀의 휨이나 크랙으로 인해 연료전지의 대형화가 어렵지만, 평관형 SOFC의 경우 지지체의 크기에 제한이 없기 때문에 셀의 대면적화가 가능하다.
5. 장점
- 고효율 : SOFC는 연료 전지 기술 중에서 50%~60%까지 가장 높은 효율을 제공한다. 이러한 높은 효율은 수소 연료와 전기화학적 과정에서 발생하는 열을 모두 활용할 수 있기 때문이다.
- 연료 유연성 : SOFC는 수소, 천연 가스, 바이오 가스, 심지어 에탄올과 메탄올과 같은 액체 연료를 포함한 다양한 연료를 사용할 수 있다. 이러한 유연성을 통해 광범위한 연료 공급원을 사용할 수 있으며, 이를 통해 다양한 에너지 시스템에 적용할 수 있다.
- 저공해 : SOFC는 연소가 아닌 전기화학적 과정을 통해 전기를 생산하여 질소산화물, 황산화물과 같은 오염물질의 배출을 현저히 감소시키며, 직접적인 배출물은 물뿐이다. 그들은 특히 재생 가능한 연료나 저탄소 연료로 작동할 때 깨끗하고 지속 가능한 에너지 옵션이 될 수 있는 잠재력을 가지고 있다.
- 내구성 : 고체 산화물 연료 전지는 긴 수명과 내구성으로 알려져 있다. 구조에 사용되는 고체 세라믹 재료는 안정적이고 내분해성이 있어 긴 작동 수명에 기여한다. 적절한 유지보수를 통해 SOFC는 수만 시간 동안 작동할 수 있으므로 고정식 발전 기기에 적합하다.
- 열과 전력의 공동 생성: SOFC의 주요 장점 중 하나는 전기와 열을 동시에 생성할 수 있다는 것이다. 전기화학 공정에서 발생하는 폐열은 공간 가열, 물 가열 또는 산업 공정과 같은 다양한 용도로 사용될 수 있다. 이 결합된 열 및 전력(CHP) 기능은 SOFC 시스템의 전반적인 에너지 효율을 향상시킨다.
6. 단점
-
높은 작동 온도: SOFC는 일반적으로 섭씨 500도 이상의 높은 작동 온도를 필요로 한다. 이러한 고온 범위는 재료 선택, 열 관리 및 시동 시간 측면에서 어려움을 나타낸다. 또한 응답 시간이 느려지고 작동 준비 기간이 길어져서 이동식 발전 기기로 적합하지 않다.
- 비용: SOFC 시스템의 상대적으로 높은 비용은 작동 온도와 특수 재료의 필요성 때문에 발생한다. 현재 SOFC는 세라믹 전해질 및 인터커넥트와 같은 고가의 재료를 사용하고 있으며, 복잡한 제조 공정으로 인해 다른 연료 전지 기술에 비해 가격이 비싸다. 그러나 지속적인 연구와 개발 노력은 비용을 절감하고 SOFC의 상업적 실행 가능성을 향상시키고 있다.
- 재료 호환성 및 성능 저하: SOFC는 고온 및 화학적으로 폭발적인 환경을 포함한 가혹한 조건에서 작동한다. 이러한 조건은 시간이 지남에 따라 물질의 열화를 초래하여 연료 전지의 성능 및 신뢰성에 영향을 미칠 수 있다. 연구자들은 이러한 조건을 견딜 수 있고 열화 문제를 최소화할 수 있는 재료와 코팅을 개발하기 위해 노력하고 있다.
- 느린 시작 및 종료: SOFC는 작동 온도가 높기 때문에 최적의 작동 조건에 도달하는 데 일정 시간이 필요하다. 따라서 상대적으로 시작 및 종료 프로세스가 느리며, 이는 빠른 응답 시간 또는 간헐적인 전원 요구가 필요한 발전 기기로 적합하지 않을 수 있다.
- 시스템 복잡성: SOFC 시스템은 복잡하며 신중한 시스템 통합 및 제어가 필요하다. 연료 개질기, 열 교환기 및 플랜트 밸런스 장비와 같은 여러 구성 요소로 구성되는 경우가 많으며, 최적의 성능을 위해 적절히 통합해야 한다. 이러한 복잡성으로 인해 시스템의 전반적인 비용 및 유지관리 요구사항이 증가할 수 있다.
7. 개발현황
고체산화물 연료전지(SOFC)는 화석연료의 변환에 있어서 기존 발전 방식 또는 다른 연료전지에 비해 여러 장점이 있어 여러 선진국들은 정부의 관심과 지원을 바탕으로 대학, 연구소, 기업과의 협업을 통해 상용화가 이루어지고 있고 최근에는 국내까지 사업성을 점차 넓히고 있다.7.1. 국내 현황
- 현재 SOFC 산업화를 위한 STX중공업, 경동나비엔, MICO 등과 같은 소재, 시스템 기업을 중심으로 산업화 포럼을 결성하였고, 2015년도 발족식을 시작으로 점차 참여기업을 늘리면서 정보교류를 통해 국내의 SOFC 사업화를 앞당기고자 하고 있다.
- 국내 SOFC 소재 기업으로 각광받고 있는 Kceracell은 전극, 전해질 등의 다양한 세라믹 소재를 개발하여 상용화를 했으며, 평판형, 원통형 등의 모든 종류의 단전지 개발을 완료하였다. 이후 정부 과제를 통해 정부출연연구소와 함께 1 kW급 스택 및 시스템 개발도 진행 중이다.
- MICO는 2008년 SOFC 개발을 시작으로 단전지, 스택 그리고 시스템 개발까지 전반적인 SOFC 기술 개발을 통해 국내 SOFC 전문 기업으로 각광받고 있다.
- 한국에너지기술연구원에서는 저온에서 작동하는 원통형 셀(음극 지지체형)을 개발하고 있으며 현재 원통 지지체 제작 및 전해질 코팅 기술이 완료 단계에 있고 소형 100W급 스택을 제작하여 운전 중이다.
- 요업기술원에서는 전해질 지지형으로 800℃에서 운용이 가능한 전해질 개발과 그에 따른 양극의 재료에 대한 개발을 통해 수소와 산소 분위기 작동조건에서 각각 0.4W/㎠의 출력을 낼 수 있는 원통형 셀을 제작한 바 있다.
- 서울대, 연세대를 비롯한 대학에서는 고체산화물 연료전지 구성 요소의 특성에 대한 연구가 이루어졌으며 전극 재료 및 반응에 관한 좋은 연구 결과를 산출한 바 있고 밀봉 재료, 저온형 전지 재료에 대한 기본 연구가 수행된 바 있다.
7.2. 국외 현황
- 미국의 경우에는 1999년 이후 DOE (department of energy) 주관으로 석탄 연료 기반 MW급 고효율 SOFC/가스터빈 복합 발전용 시스템 상용화를 목표로 정부, 대학, 기업, 국립연구소들이 연합을 이루고 SECA (solid state energy conversion alliance) 프로그램을 운영하고 있다. 이는 개발계획, 소요예산, 연구장비 및 설비 등을 종합적으로 평가하여 Core Technology Program 및 산업체 중심의 연구 과제를 정하고 연구결과를 각 기관에 피드백을 제공하고 있다.
-
SOFC를 개발하고 있는 Bloom Energy는 NASA, 테네시 대학, DOE등의 협력관계를 통해 미국 내에만 260여건 특허출원(소재, 제법, 패키징, 회로, 시스템 등 폭넓은 특허 포트폴리오 확보)을 바탕으로 100 kW급 시스템 개발을 완료하여 상용품인 “Bloom box”를 출시하였고, Google, eBay, Adobe, Coca-Cola, Apple를 비롯한 60개 이상의 회사에 300 MW이상 설치 완료 및 전력을 공급하고 있다.
- Mitsubishi는 SOFC와 마이크로가스터빈(MGT)을 조합한 250 kW급 하이브리드 열병합 발전시스템을 개발하였다. SOFC 단전지 형태는 원통형 타입으로 NTK사와의 계약체결을 통해 단전지와 스택을 대량생산 하였고, 이를 기반으로 대용량 발전 시스템을 개발하였으며, 2017년도 시연 테스트를 시작으로 천연가스 연소를 통한 100 MW급 SOFC, 가스터빈, 증기터빈을 포함하는 복합시스템 개발로 70% 이상의 최종발전효율과 석탄연료를 이용한 100 MW급 복합 시스템 개발을 목표로 하고 있다.
- Osaka Gas, Kyocera, Toyota Moter, Aisin Seiki는 협력관계를 통한 kyocera의 평관형 단전지 설계·생산, Osaka Gas의 열 병합 시스템 발전기 설계·생산, Aisin/Toyota의 발전기 설계·생산 기술 등과 같은 각 분야별 전문업체들이 공동연구를 수행하였으며, 최근 3kW급SOFC 열병합 발전 시스템까지 개발이 완료된 단계이며 52% 발전효율과 배기열 회수 시 전체 시스템효율 90%까지 달성하였다.
8. 응용분야
8.1. 스마트 팜
SOFC를 스마트 팜에서 활용하는 기술은 SOFC를 기반으로 한 4가지 에너지원인 (전기, 냉열, 온열, CO2)을 스마트팜에서 활용할 수 있는 형태로 바꿔 공급하는 기술이다. SOFC의 사용 연료 도시가스이며, 고온 작동에 따라 다양한 연료로 변화가 가능한 SOFC의 특성상 공급 인프라가 갖춰진다면 재생 연료 기반의 바이오가스도 연료로 활용이 가능하다는 장점이 있다.
9. 활용사례
9.1. 낙 농장
바 20 낙농장(Bar 20 Dairy Farms)에서 가축의 분뇨와 같은 낙농 폐기물을 활용한 1메가와트(MW)급 연료전지를 설치함으로써 가축분뇨에서 발생하는 바이오가스를 포집해 이를 고체산화물 연료전지(SOFC)의 연료로 활용하여 유기성 폐기물을 재생가능한 전기로 전환시키고 있다. 최대 65% 메탄으로 구성된 바이오가스가 대기 중으로 배출되지 않고, 연소 없이 전기화학적 반응으로 친환경 전기 생산에 사용된다. 이와 같은 기술은 낙 농장뿐만 아니라 쓰레기 매립지, 폐수 처리 시설 등 다양한 장소에서 활용될 수 있어 우리나라에서도 여러 상황에 맞춰 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
9.2. 연료전지 항공기
연료전지항공기는 연료전지를 기반으로 동력발생 시스템을 구성한 항공기로 “Green Plane” 개념의 차세대 친환경, 고효율 항공기로서 효율 향상과 기존의 항공기보다 조용하고 배기가스 배출을 낮출 수 있는 장점있다.
항공기를 비롯한 수송용 장치에는 일반적으로 PEM 연료전지가 널리 사용되고 있으나, 수소 외에 다양한 연료를 쓸 수 있는 고체산화물 연료전지(SOFC) 이용도 점차 증가되고 있다. 표에서 볼 수 있듯이 단위 중량당 출력은 SOFC가 PEM보다 1.6배 가량 높다. 그리고 PEM 방식은 이온 전도성 고분자 막을 전해질로 사용하여 100℃ 이하의 비교적 낮은 온도에서 사용되어 냉각수가 필요하지만, SOFC 방식은 고체산화물을 전해질로 사용하여 600℃ 이상의 높은 온도에서 사용되기 때문에 SOFC 연료전지를 사용한 항공기에는 냉각수가 필요하지 않아 더욱 친환경적이다.