건물에너지 자립방안으로 주목받고 있는 고체산화물연료전지(SOFC)의 발전효율을 60% 이상으로 향상시키는 기술개발이 추진된다.
한국에너지기술평가원은 2021년도 에너지기술개발사업 신규과제 신재생에너지산업 핵심기술개발분야에 연료전지를 포함하고 ‘캐스케이드 스택을 활용한 10kW급 고효율 SOFC시스템 기술개발’ 과제의 수행기관으로 범한퓨얼셀 컨소시엄을 확정했다.
범한퓨얼셀은 31년의 역사를 가지고 있는 압축기전문 강소기업 범한산업으로부터 2019년 수소연료전지 및 수소충전소사업을 활성화하기 위해 물적분할된 기업이다.
범한퓨얼셀은 잠수함용 연료전지를 시작으로 △건물용 연료전지 △선박용 연료전지 △수소충전소 등 분야로 사업을 확장해 수소연료전지분야 토탈솔루션기업으로 도약, 기존 고분자전해질연료전지(PEMFC)기술에 이어 고체산화물연료전지(SOFC) 기술확보를 위해 개발에 나섰다.
현재 SOFC시스템은 해결해야 할 기술적 과제가 많은 상황이지만 타 연료전지대비 높은 발전효율을 가지고 있어 탄소중립방안으로 주목받고 있다.
상용화된 발전용 연료전지제품 중 인산형연료전지(PAFC)의 발전효율은 42%, 용융탄산염형연료전지(MCFC)는 47%인데 비해 세계에서 가장 높은 수준의 SOFC의 경우 65%의 발전효율을 가지고 있다.
또한 국내 연료전지시장은 국산제품과 외산제품간 기술격차로 인해 외산제품 중심으로 공급이 이뤄지고 있는 상황이다.
오는 2025년 4월까지 총 4년간 진행되는 이번 과제는 총 105억7,279만원이 투입되며 이를 통해 발전효율 AC 60% 이상 고효율 10kW급 SOFC시스템이 개발된다.
범한퓨얼셀 컨소시엄은 △한국에너지기술연구원 △한국세라믹기술원 △한남대 △광주과학기술원 △동일브레이징 등으로 구성됐다.
캐스케이드 스택적용 연료이용률 제고
이번 과제의 연구개발목표는 △연료이용률 극대화를 위한 캐스케이드형 단위스택(Ⅰ, Ⅱ) 및 BOP개발 △캐스케이드 스택을 이용한 시스템 및 효율제고기술 개발 등으로 구성돼있다.
SOFC는 연료극에서 일어나는 산화반응로 인해 연료이용률이 높을수록 분극저항이 증가하고 연료출구 매니폴드에서 연료극의 산화반응에 의한 부패팽창 및 셀의 파괴를 일으킨다.
특히 전해질 파괴로 인한 연료 및 공기의 혼입은 스택의 고장을 유발해 연료전지시스템의 수명을 단축시키므로 단일 스택으로 연료이용률을 75% 이상 높이는 것은 어려운 상황이다.
범한퓨얼셀 컨소시엄은 연료이용률을 안정적으로 극대화하기 위해 SOFC스택을 캐스케이드방식으로 구성해 1차 스택에서 배출된 가스로부터 수증기를 응축 및 제거해 2차 스택에 공급함으로써 85% 이상 연료이용률을 실현시켜 발전효율을 제고할 계획이다.
이를 위해 연료이용률 및 발전효율을 극대화할 수 있는 스택부품 및 운전기술을 확보한다.
또한 단위 스택모듈의 양산성 및 가격경쟁력을 확보하기 위해 소재·부품 제작기술을 개발하고 다중 스택개발 및 스택 다중연결에 따른 Hot BOP 최적설계를 진행한다.
두 스택의 연계성을 강화하기 위한 열관리기술을 도출하고 최적화하며 3,000시간 이상의 연속운전을 통해 안정성을 확인하게 된다.
운전최적화를 통한 발전효율 60% 달성 캐스케이드 스택을 이용한 시스템 및 효율제고를 위해 스택모듈의 직병렬연결 및 연료재생용 BOP를 적용한 10kW급 시스템모델을 개발한다. 이를 평가하기 위한 시스템 설계 해석모델을 확보해 다중 스택시스템 운전절차에 따른 연료재생 핵심 BOP 성능평가를 진행할 계획이다.
또한 캐스케이드 스택이 적용된 SOFC시스템의 효율제고를 위한 최적운전로직을 개발하고 최적화한다.
캐스케이드 SOFC시스템의 경우 1차 스택과 2차 스택이 기계적, 전기적으로 연결돼있고 상호성능에 영향을 미칠 수 있어 시스템 설치 후 다양한 상황에서의 운전전략을 도출하는 것이 필요하다.
이에 따라 범한퓨얼셀 컨소시엄은 △시동 △부하변화 △비상정지 △정지 △예열 등의 상황에서 시스템 운전안정성을 확보하기 위해 △밸브 △블로워 △버너 △스택 등에 대한 운전시퀀스를 정립할 계획이다.
또한 시스템 운전안정성 확보를 위해 시스템 동적모델을 개발해 초기기동, 정격출력 및 Shut-down 운전로직을 개발해 검증을 진행한다. 이를 통해 발전효율 AC 60% 이상에 적합한 다중 스택규격을 제안한다.
연료전지는 발전효율 50% 기준 석탄화력발전대비 약 57%의 이산화탄소 감축이 가능하다. 이번 10kW급 고효율 SOFC시스템 개발, 보급을 통해 전력부문의 획기적인 온실가스 감축이 가능할 것으로 기대된다.
기술경쟁력 확보…세계시장 선도 기대
이번 과제를 통해 차세대 SOFC 핵심기술개발 및 국가기술확보를 통해 세계시장에서 캐스케이드형 SOFC 소재·부품 및 시스템 기술경쟁력을 확보할 전망이다.
또한 고효율 스택기술은 2030년 50조원 규모로 성장할 것으로 예상되는 세계 연료전지시장에서 건물·발전용 SOFC가 전체 연료전지시장 중 10%로 성장할 수 있는 기반이 될 것으로 기대된다.
특히 연료전지의무화시장에서 정부지원금이 외국기업으로 흘러가는 것을 방지하고 전기차 충전용 연료전지시스템 개발 등의 신기술 확보를 통해 건물·발전용에 국한된 국내 SOFC시장의 활성화와 신시장을 창출하고 이를 통한 일자리창출 등 부가적인 경제효과가 발생할 것으로 보인다.
이번 과제의 총괄책임자인 황정태 범한퓨얼셀 전무는 “발전효율 60% 이상 SOFC시스템 개발은 도전적인 과제”라며 “발전효율이 높은 SOFC는 열부하가 적은 상업용 건물에 적합하며 전지, 열과 이산화탄소를 동시에 필요로 하는 스마트팜에도 효과적인 에너지자립수단이 될 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이어 “고효율 SOFC시스템 개발과 더불어 시스템을 구성하는 소재·부품의 국산화율을 80%까지 향상해 국가경제에 이바지하도록 노력할 것”이라며 “이번 기술개발이 향후 더 높은 발전효율의 SOFC시스템 개발의 바탕이 되길 바란다”고 덧붙였다.
운전최적화를 통한 발전효율 60% 달성 
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