◇차세대 고체산화물 연료전지의 매력

고체산화물형 연료전지는 전극 및 전해질을 세라믹으로 제조하기 때문 운전온도를 800~1000oC의 고온으로 유지할 수가 있고 발전효율이 50~60%가 가능한 꿈의 연료전지이다. 또한 고온의 배출 가스를 이용해 가스터빈을 통한 추가 발전 (Cogeneration)을 할 경우 70%의 발전효율이 가능할뿐더러, 연료로 수소 뿐 만 아니고 일산화탄소를 포함한 여러 가지 연료(바이오가스·디젤·석탄가스 등)를 사용할 수 있는 장점이 있다. 사용처도 소형 마이크로 칩에서 가정용·건물용·대형 발전용·선박용 등 자동차용을 제외한 모든 범위를 포함한다. 이러한 매력에도 불구하고 전극-전해질층이 세라믹 박판으로 만들어져 대형화가 어렵고 글라스는 밀봉이 완벽하지 못하며, 또한 공기면의 금속 분리판의 부식 등 여러 가지 문제가 있어서 적용이 더디게 진행되고 있다. 이러한 평판형의 단점을 극복하기 위해 다양한 형태의 비평판형 (원통형·평관형·주름판형 등) 모델이 개발되고 있다. 비평판형 모델은 밀봉이 쉽고 구조적으로 안전해 대형화가 쉬우나 재료비가 많이 들고 전력 밀도가 낮은 단점이 있다. 전통적인 평판형은 개발 역사가 오래된 서구 국가들이 강하고 비평판형은 미국의 Siemens-Westinghouse, 영국의 Rolls-Royce를 제외하면 다소 늦게 시작한 일본이 가장 앞서 있다고 하겠다.

 

 

 

고체산화물 연료전지는 기술의 미완성도 만큼이나 회사별 부침도 심하다. 일 예로 평판형에서 가장 역사가 오래되고 앞서 나가던 미국의 GE는 가장 큰 사이즈 (60x60cm)의 셀을 개발한 후 갑자기 2008년 중단을 하게 된다. 현재 평판형은 서구 회사들을 중심으로 셀 크기 10x10cm, 20x20cm 정도의 소형으로 1-10KW급의 개발에 주력하게 된다. 비평판형은 미국의 Siemens-Westinghouse가 지난 30년 간 기술개발을 주도해 왔고 원통형-평관형-주름판 일체형 등으로 모델 개량을 해 왔으며 단위셀의 경우는 7만시간의 운전경험을 가지고 있다. 그러나 이 회사의 셀은 양극지지체형의 독특한 제조 방식을 채택하여 오다 제조 상 어려움으로 2009년 거의 사업을 접은 상태이다. 현재는 대형 발전용은 영국의 롤스로이스의 평관형, 일본 미츠비시의 원통형이 150KW급 크기를 개발하며 업계를 리드하고 있다. 다소 늦게 이 분야에 뛰어든 일본은 서구의 전통적인 평판형 보다 비평판형 분야에서 치중해 1989년 NEDO 1기 프로젝트에서 원통형을 개발하기 시작했고 급기야 2007년 세계 최초로 교세라 및 토토가 소형 1KW급 가정용 모델의 개발을 완성하고 공식적으로 27대를 실증을 하면서 세계를 선도하기 시작했다. 그러나 2009년 혜성처럼 나타난 미국의 Bloom energy사가 25KW급의 성공을 CBS 방송을 통해 전 세계에 알리게 된다. 후에 안 일이지만 이 회사는 10여 전에 창업해 미국의 Google, E-Bay 등의 재정지원을 받으며 이미 4MW를 설치 운전한 상태였다. 이후 일본은 공식적인 대외 알림을 자제하고 가정용의 경우 원가 절감에 치중하여 오고 있고 현재 가격을 KW 당 3천만원 수준으로 저감시키고 2015년까지 1천만원으로 낮춰 본격 보급을 준비하고 있다. 그러나 일본이 침묵하는 지난 5년 사이 호주의 CFCL, 덴마크의 Topsoe, 스위스의 Hexis, 독일의 Staxera등은 평판형으로 1KW 가정용을 상업화하고 현재 유럽에서 활발히 실증을 하면서 선도하고 있는 형국이다.

 

◇한국의 기회

한국은 지난 10년 사이 한국에너지기술원이 원통형·평관형 기초기술 및 트럭 보조 동력용 소형 스텍을, 한전이 1KW 및 5KW급 평판형을 정부 프로젝트로 개발한 경험이 전부이다. 그러나 근래 삼성이 100KW급 원통형을 정부 프로젝트로 개발하고 있고 포스코가 2007년부터 1천500억원의 자체 예산으로 150KW급 평판형을 개발하고 있으며 그 외 두산·LG·SK 등도 발전용 연료전지 개발에 뛰어 들었거나 준비하고 있다. 한편 대경권 선도산업에서도 중소기업 컨소시움·STX 등이 2개의 평관형 모델을 개발하고 있어서 고온형 연료전지에 관한 한 대경권이 전국에서 가장 활발하게 하고 있다. 또한 포스텍은 세계 최초로 금속분리판이 없는 세라믹으로

만 제조된 단일 평관형 셀을 적층을 하여 single body로 되는 monolith형 (MEGA cell)을 개발하고 있고 현재 관련된 모든 원천기술의 개발을 완료하고 1KW 스텍의 제조를 시작했다. 또한 작년부터 지경부의 수소연료전지 테스트베드 사업을 경상북도 포항시 지원으로 전국에서 유일하게 유치해 이를 통해 고체산화물 연료전지 평가장비의 구축을 통한 시험운전 및 실증시험을 통해 기업들의 상용화를 조금이나마 앞당기고자 노력하고 있다. 따라서 아직 개발이 완결이 안 되고 모델 별 부침이 심한 고체산화물 연료전지의 특성 상, 후발 주자에게도 기회는 충분히 있으며 산학연관이 역량을 모아서 조금만 노력을 하면 세계를 앞설 수 있는 좋은 기회가 될 수 있다고 생각한다.