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에기평, 연료전지 기술 국산화 추진

글로벌시장 내 기술경쟁력 제고·수요창출 기대

연료전지에 대한 수요가 증가함에 따라 고효율 연료전지 기술의 국산화와 수요창출기반 마련이 추진된다. 

한국에너지기술평가원은 1월19일 2021년도 에너지기술개발사업 신규과제를 발표했다. 신재생에너지산업의 핵심기술 개발분야에 연료전지분야가 포함됐으며 총 157억7,000만원의 정부출연금이 지원될 예정이다.

연료전지분야 과제에는 △캐스케이드 스택을 활용한 10kW급 고효율 고체산화물연료전지(SOFC)시스템 기술개발 △SOFC 스택의 신뢰성과 경제성 확보를 위한 밀봉재 및 집전체의 표준화 연계 기술개발 △수소연료전지 스택용 금속분리판 고속제조공정 기술개발 △연료전지시스템의 스마트설계·제조·운전 오픈 플랫폼 개발 △페라이트계 스테인리스 금속지지체를 기반으로 한 금속지지형 SOFC 셀·스택 개발 등이 포함됐다. 

캐스케이드 스택 활용 고효율 SOFC시스템 개발
국내 수소경제 활성화정책에 따라 가정·건물용 연료전지 보급 및 운영경제성 확보를 위한 다중스택과 연료재생기술을 접목한 고효율 연료전지의 자립형 기술확보가 절실한 상황이다. 

다중 스택(Multi-Stack) 적용을 통해 연료이용율을 85% 이상으로 높여 시스템 발전효율을 극대화하기 위해서는 안정적인 고효율 스택 및 연료재생을 위한 시스템 설계, 부품제작 및 운전기술을 집적해야 한다. 현재 일본의 도쿄가스에서 유사기술인 다중 스택 SOFC시스템을 개발 중으로 상용화 근접단계에 있다. 

이번 연구를 통해 캐스케이드 스택기술을 활용한 10kW급 고효율 SOFC시스템 핵심기술을 개발한다. 

연료이용율을 85% 이상으로 향상시키기 위한 캐스케이드형 단위스택(I, II) 및 BOP(Balance of Plant)개발이 추진된다. 이를 위해 연료이용율·전기발전효율을 극대화할 수 있는 스택부품과 운전기술을 확보하고 단위 스택모듈의 소재·부품 제작기술개발이 진행된다. 

또한 다중 스택개발 및 스택 다중연결에 따른 Hot BOP 최적 설계가 진행되며 단위 스택간 연계성을 강화하기 위해 열관리 최적화기술 확보가 추진된다.

캐스케이드 스택시스템 및 효율제고 기술개발도 추진된다. 이를 위해 스택모듈의 직병렬 연결 및 연료 재생용 BOP를 적용한 10kW급 시스템모델을 제시한다. 또한 시스템 설계 해석모델을 개발하고 연료재생 핵심 BOP 성능을 평가한다. 

초기 기동 정격출력 및 Shut-down 운전로직 개발·검증을 통해 시스템 운전 안정성을 확보하고 SOFC시스템 연계운전을 실시할 예정이다.

개발기간은 48개월 이내로 총 90억원의 정부출연금이 지원될 예정이며 중소·중견기업이 참여할 수 있다. 

밀봉재·집전체 표준안 연계 기술개발
수소경제 선도를 위한 산업생태계 조성을 위해서는 국내 SOFC 스택 제조업의 글로벌시장에서의 경쟁력 확보가 필요하며 이를 위한 요소부품 소재의 기술확보가 시급하다. 

밀봉재는 SOFC 스택의 장기운전 신뢰성 및 내구성을 결정하는 핵심소재로 국내시장에서는 외산제품에 의존하고 있다. 

이에 따라 다양한 구동조건과 응용분야의 SOFC 특성을 반영한 재료 설계방법론과 밀봉처리 공정 기술개발이 요구되고 있다. 

또한 집전체의 경우 SOFC 스택의 가격경쟁력 제고를 위한 새로운 제조공정기술 확보가 필요j한 상황이다. 단순 소재부품 기술개발을 넘어 스택레벨에서의 검증평가를 통해 KS표준안을 제시함으로써 스택 전문기업이 개별수요에 맞춰 활용 가능한 성과를 마련하는 것이 시급하다. 

이번 연구를 통해 다양한 운전조건 및 응용분야에 즉각 적용이 가능한 고성능 밀봉재 및 가격경쟁력 제고를 위한 집전체 제조공정기술이 개발된다. 

이를 위한 표준화 연계 고성능 밀봉재 개발을 위해 AI기법 등을 활용해 특성제어와 최적 사용법 도출 설계기술이 우선 개발된다. △600~650℃(LT)용 △700~750℃(IT)용 △800~850℃(HT)용 등 다양한 운전조건에 맞는 맞춤형 밀봉재 소재솔루션을 구축하고 스택레벨에서의 신뢰성을 검증하고 최적 적용조건을 도출한다. 

성분 및 구조, 적용형태 등 밀봉재 특성에 맞는 구조설계안, 표준설계안을 도출한다. 또한 전해질, 분리판 등 스택구성 요소별 특성에 맞는 밀봉재의 열팽창 제어 및 표준 적용안을 도출한다. 

이와 함께 재료설계, 제조방법, 특성, 사용방법 등에 따른 밀봉재 상세규격 및 표준안이 제시될 계획이다. 

표준화 연계 집전체 기술개발도 추진된다. 기존 Alloy foam(mesh), Ni foam(mesh)을 대체할 수 있는 저가 집전체 소재 및 구조가 개발된다. 

집전체 소재 및 형상에 따른 열팽창계수, 전기적 특성 및 가스투과(차압) 제어기술이 개발된다. 또한 SOFC 스택의 유형별로 최적의 스택 적용방안을 도출한다. 

스택 성능열화에 영향을 미치는 부품 열화요인의 방지방안이 제시되며 최소 스택레벨 적용평가를 통해 부품신뢰성을 확보한다. 이를 통해 SOFC 스택 유형별, 응용처별 집전체의 상세규격 및 표준안을 제시할 예정이다. 

개발기간은 48개월 이내로 40억원 내외의 정부출연금이 지원된다. 중소·중견기업이 참여가능하다. 

금속분리판 고속제조공정시스템 개발
스택의 양산성, 경제성을 결정하는 연료전지용 금속분리판의 고속제조기술이 확보될 것으로 기대된다. 

세계 각국의 온실가스 저감 및 친환경 자동차 보급확대 추진으로 수소전기차 핵심부품의 경쟁이 심화되고 있어 금속분리판 성형·용접·조립·검사 일괄 제조기술 조기구축을 통한 시장 내 가격경쟁력 및 차별화 기반확보가 시급하다. 

또한 국가 수소경제활성화 로드맵에 따라 수소전기차의 국내·외 시장확대 및 부품시장을 주도하기 위해서는 핵심부품의 대량생산 기술기반 구축이 필요하다. 

이번 연구를 통해 수소연료전지 스택용 금속분리판 고속제조공정시스템이 개발된다.

금속분리판 cell 일괄제조 공정시스템 개발을 위해 △Coil 소재 공급 및 소재 이송기술 △금속분리판 Stamping 연속제조 공정기술 △소재 두께 자동측정 및 프레스 제어 요소기술 △Anode 및 Cathod 분리판 성형·용접품 자동공정 품질검사시스템 △금속분리판 일괄제조·품질성능 모니터링시스템 등이 개발된다. 

또한 금속분리판 일괄제조 자동화 생산라인 설계 및 구축안이 제시되며 사전제품 품질계획, 제작단계의 통계적 공정관리 기법이 제시된다.

이를 통해 소재투입부터 프레스성형, 용점, 검사까지 일괄작업이 6초 이내에 가능한 고속제조공정시스템이 개발된다. 

이와 함께 0.1mm 내외 초극박 소재의 하사점 반복정밀도 및 평탄도 확보가 가능한 금속분리판 성형전용 직동식 600t 이상 서보프레스 기술개발이 추진된다. 

금속분리판 검사 자동화기술도 확보될 예정이다. 이를 위해 △금속분리판 성형품 3D비전 검사기술 △완성품 및 용접부 가스 Leak 검사 표준화 요소기술 △평탄도, 두께편차, 채널각도 등 분리판 성형 정밀도 향상기술 △분리판 결함품 자동 검출시스템화 기술 등 개발이 추진된다. 

개발기간은 36개월 이내로 총 100억원 내외의 정부출연금이 지원될 예정으로 1차년도에는 30억원 내외가 지원된다. 

연료전지시스템 설계·제조·운전 오픈 플랫폼 개발
연료전지시스템과 부품소재산업의 서플라이체인 분석과 연료전지시스템, 소재, 부품, 제조에 대한 종합적인 설계 및 제조기술 확보는 연료전지시장의 활성화 및 새로운 수요를 창출하기 위해 필요한 상황이다.

또한 고용량 연료전지 설계 수요의 증대에 따라 AI, 딥러닝기법을 이용한 효율적 설계 기술과 AI, 빅데이터를 활용한 연료전지 안전운전 방안 개발이 필요하다. 

이번 연구의 목표는 발전·가정·수송 등에 활용되는 연료전지시스템의 빅데이터, 딥러닝을 활용한 스마트 설계·생산·운전 오픈플랫폼을 개발하는 것이다. 

이를 통해 연료전지시스템의 비전문 수요자의 기술접근성 확보와 국내·외 수요를 충족할 수 있을 것으로 기대된다. 

AI·딥러닝기법을 이용한 연료전지 스마트 설계플랫폼을 개발하고 운영하기 위해 관련 DB자료 수집이 우선 진행된다. 이를 기반으로 딥러닝을 활용해 연료전지의 고장진단 및 성능분석시스템을 개발한다. 

또한 비전문 수요자의 이용접근성을 확보하기 위해 사용자 친화형 웹기반 GUI(Graphical User Interface)구축이 진행된다. 

발전·가정·수송용 연료전지의 기존 연구개발, 운전결과를 빅데이터화해 스마트 설계플랫폼을 개발한다. 이와 함께 연료전지 스택 및 시스템의 소재·부품·생산 서플라이체인을 구축한다. 

빅데이터를 활용한 발전·가정·수송용 연료전지 운전성능 모니터링, 고장진단, 수명예측, 장기 안전운전 프로토콜 개발이 진행된다. 

연구기간은 48개월 이내로 총 60억원 내외의 정부출연금이 지원될 예정이다. 중소·중견기업의 참여가 필수이며 참여 및 연료전지 운전정보 제공관련 확약서가 제출돼야 한다. 또한 과제수행 결과물이 공개된다. 

고효율·고내구성 금속지지형 SOFC스택 개발
금속지지체는 높은 기계적 강도, 열전도도 및 밀봉률 확보가 용이해 SOFC 상용화의 최대 이슈인 내구성을 확보할 수 있는 기술이다. 이에 따라 금속지지체 원천기술 확보를 통해 국내 산업체의 경쟁력을 제고하고 차세대 금속지지형 SOFC 기술 선점이 필요하다. 

금속지지형 SOFC기술 선점은 수소경제 확산과 고용 창출에 큰 영향을 미칠 것으로 예상된다. 

이번 과제를 통해 페라이트계 스테인리스 금속지지체를 기반을 한 금속지지형 SOFC셀·스택 기술이 개발된다. 

고성능·고내구성 10cm X 10cm 금속지지형 SOFC 셀 개발이 진행된다. 이를 위해 △장기 내산화성 및 고온 전기전도도를 갖는 페라이트계 스테일리스 금속지지체 개발 △열팽창률 시뮬레이션을 통한 금속지지체 미세구조 최적화 △금속-세라믹 계면 결합력 확보 △계면 전기적·전기화학적 특성 고도화기술 개발 △전해질 치밀화 및 금속지지체 산화, 변형 억제를 위한 소결기술 개발 △성능, 내구성 향상 및 제조공정 단순화를 위한 신규 셀디자인 개발 등이 추진된다. 

고효율·고신뢰성 500W급 금속지지형 SOFC스택 개발도 이뤄진다. CFD기반 신규 스택 구조가 개발되고 누설율 최소화를 위한 밀봉구조 설계 및 소재 선정이 진행된다. 

또한 접촉저항을 최소화하기 위한 집전 구조설계 및 집전 소재 선정이 추진되고 스택조립 및 적층기법을 확립한다. 금속지지형 스택의 성능·내구성을 평가하기 위한 프로토콜 구축 및 스택 전처리·활성화 조건확립과 운전조건 최적화를 진행하고 1,500시간 이상의 연속운전을 통해 내구성을 검증하게 된다. 

연구개발 기간은 48개월 이내로 1차년도에는 12억원 내외가 지원될 예정이며 총 50억원 내외의 정부출연금이 지원된다.