국산기술로 대면적 평관형 고체산화물 셀 부품 개발 성공
수소연료전지 50% 발전효율·수전해 스택 효율 100% 달성
[에너지신문] 전기에너지를 이용해 물에서 수소를, 그리고 필요시 다시 전기로 변환하는 미래형 에너지저장 기술인 '양방향 고온수전해-연료전지기술'의 핵심 부품인 '평관형 셀' 제조기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 이 기술은 중소기업 기술이전을 통해 국내 수소 관련 소재부품산업 등 후방산업 발전에도 기여할 것으로 기대된다.
양방향 고온수전해-연료전지 기술은 하나의 장치 안에 650~750℃의 고온에서 수증기를 전기분해해 수소를 생산하는 수전해와 수소를 활용해 전기를 발생시키는 연료전지 기술이 공존하는 미래형 에너지저장 기술이다. 특히 기존 200℃ 미만의 저온에서 작동하는 수전해-연료전지 기술과 달리 수전해 스택효율 및 발전효율이 약 10% 이상 높은 장점이 있다.
한국에너지기술연구원 고온에너지전환연구실 서두원 책임기술원 연구진은 국내 최초로 100cm² 활성면적의 대면적 평관형 고체산화물 셀 핵심 부품 기술을 개발했다. 연구진이 개발한 평관형 셀은 기존 평판형, 원통형 셀 각각의 장점인 고효율고안정성을 담보하면서도 부피당 높은 출력밀도를 보였다.
연구진이 개발한 평관형 셀은 압출공정으로 제작돼 크기, 두께, 길이 등을 자유롭게 변형 가능하다. 여기에 연구원 고유의 디자인인 납작한 튜브형상을 적용해 양 끝단을 밀폐시킨 후 수증기 이동을 위한 채널은 평관형 셀의 위아래면에 형성함으로써 고집적 적층과 가스밀폐가 매우 용이한 구조로 제작됐다.
특히 이와 같은 구조는 수증기와 산소의 접촉을 막아주는 밀봉부위를 줄일 수 있고, 셀을 가두는 금속 부품이 필요치 않다. 이에 소모되는 금속 부품은 1/2, 밀봉재는 1/10로 획기적으로 낮춰 스택 제조의 신뢰성과 경제성이 매우 뛰어난 기술이다. 또한 수직 적층으로 높은 스택 집적도 달성이 가능하며 평관형 셀의 지지체 구조의 특성으로 기계적 강도가 우수해 특히 수전해 장기 안정성이 뛰어나다.
연구진은 개발한 10개의 셀을 적층해 750℃ 작동온도에서 215W 출력 및 시간당 160L의 수소를 생산할 수 있는 고효율 셀-스택 기술을 실증 구현했다. 해당 셀은 약 50%의 발전효율과 100%의 수전해 스택 효율을 보였으며, 특히 타 알칼라인 또는 고분자전해질 방식의 저온수전해 방식에 비해 약 20% 이상 높은 효율이 입증됐다.
한편 에기연은 (주)에이프로와 지난 15일 대전 본원에서 ‘양방형 고온수전해-연료전지 셀 기술에 관한 특허 및 노하우’ 기술이전 체결식을 가졌다. 이날 체결식에는 김종남 에기연 원장, 임종현 에이프로 대표이사 등 관계자 8명이 참석했다.
김종남 원장은 “개발한 평관형 셀은 고효율 고온수전해, 수소연료전지 스택의 핵심 소재·부품이며, 해외 기술에 의존하지 않고 국내 자체 기술을 확보해 내부 역량을 키웠다는데 큰 의미가 있다”며 “향후 현재 국내에 선점하고 있는 해외 기술을 대체해 탄소 중립과 국가 에너지 자립을 위한 경쟁력 확보에 큰 기여를 할 수 있는 핵심 기술이 될 것”이라고 밝혔다.
임종현 대표는 “수소에너지에 대한 중요성이 커지고 있는 상황에서 순수 국내 기술력을 통해 개발된 제조기술을 확보해 상용화를 추진하고 있다는 것이 가장 큰 의미”라며 “에너지연과의 지속적인 협력을 통해 그린수소에너지 생태계 발전에 기여하고, 해외 수소 활용사업에도 진출할 계획”이라고 말했다.
이번 연구는 에너지연 기본사업, 과학기술정보통신부 21세기프론티어사업, 과기부·환경부·산업부 다부처공동기획사업, 연구개발특구진흥재단 사업 등 15년간 정부 지원을 통해 수행됐다.