[월간인물 유지연 기자] 고온형 연료전지는 저온형 연료전지인 고분자전해질 연료전지 등이 낮은 열역학적 활성도를 보완하기 위해 고가의 백금 촉매를 사용하는 것과 달리, 니켈과 같은 값싼 촉매를 사용할 수 있고, 고순도 수소 외에 LPG, LNG 등 다양한 연료를 쓸 수 있다는 장점을 지닌 대표적인 친환경 에너지 시스템이다. 하지만, 통상 800도 이상의 고온작동이 또한 특징인 고온형 연료전지는 역설적으로 고온작동에는 비싼 소재와 제조 기술이 필요하다. 고온작동의 특성상 시동-정지-재가동에 시간이 오래 걸리는 점도 대형 발전용 외의 응용 가능성을 낮추는 요인이다. 이에 따라 고온형 연료전지의 대표 격인 세라믹 연료전지의 작동온도를 낮추면서도 성능의 손실이 없는 연구가 활발히 이어졌다. 문제는 작동온도를 낮추면 다양한 연료를 사용할 수 있는 세라믹 연료전지의 장점이 사라진다는 것인데 최근, 금오공과대학교 신성수 교수 연구팀과 한국과학기술연구원 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀의 공동 연구를 통해 이를 해결할 기술 ‘고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템’이 개발되었다.
‘고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템’ 개발
연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시키는 연료전지는 높은 발전효율과 오염물질 배출이 적다는 장점으로 차세대 에너지 시스템의 대표주자로 여겨진다. 이중 세라믹을 주 물질로 사용하는 고체산화물 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 연료 사용의 자유도가 높고 에너지 효율이 가장 높아 상용화 가능성이 매우 크다. 하지만 기존 SOFC는 전해질의 이온전도 특성과 전극의 촉매 특성을 높이기 위해 700도 이상의 높은 작동 온도를 필요로 하고, 이 경우 화학적·기계적 성능 저하 현상, 값비싼 내열재료 사용, 제한적인 시스템 구성 요소 사용 등의 문제가 발생한다. 이 때문에 주로 ‘고정형 및 건물형’ 발전 시스템으로만 사용됐다.
600도 이하에서도 높은 성능을 보이는 박막 기반 저온형(LT) SOFC가 보고되기는 했지만, 기존 고온 SOFC 시스템 기술을 근원으로 하고 있어 냉간 급속 시동과 상온-고온 사이클 운전 등 이동형 전원으로서 가져야 할 핵심 특성과는 부합하지 않았다. 무엇보다 SOFC 급속 시동운전에 대한 기존 연구 결과들은 성능보다는 시동 기간에 초점이 맞춰져 실용적 성능을 요구하는 이동형 전원으로 적용하기 어려웠다. 그러나 최근, 금오공과대학교 신성수 기계시스템공학과 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 에너지소재연구센터 김형철 박사 연구팀과 공동으로 급속 냉간 시동운전에도 구현할 수 있는 이동형 전원용 ‘고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템’을 개발했다. 물론, 고온 연료전지는 세라믹 층의 온도가 떨어지면 성능도 기하급수적으로 감소하기 때문에 작동온도를 500도로 낮춘 기존의 연구 또한 상당히 중요한 성과라고 할 수 있다. 신 교수 연구팀은 저온에서 성능을 유지하는 것에서 한 발짝 나아가 실제로 이동형 수단에서 사용할 수 있을지에 대한 연구를 이어갔고, 이동형 전원으로서의 필수적인 조건들을 해결하며 혁신 기술 개발을 향해 나아갔다.
“가장 먼저 체결 방식의 변경과 체결 후 세라믹 셀이 깨지지 않는 패킹 시스템을 개발했습니다. 또, 이동형에서 중요한 건 빠른 구동인데요. 높은 온도까지 도달하는 데 오랜 시간이 걸리는 게 문제였어요. 저희는 물질 합성 방식에서 착안해 할로겐램프를 열원으로 사용했고, 5분 만에 온도에 달성하는 결과를 확인했습니다.”
연구팀은 적외선 할로겐램프를 열원으로 급속 냉간 시동운전을 할 수 있는 ‘고성능 LT-SOFC 시스템’과 운모 밀봉재 및 디스크 스프링의 집적 스택 기술을 이용해 독립적으로 전력을 생산할 수 있는 ‘체결형 압축 패키징 기술’을 개발, 고성능 박만 기반 LT-SOFC에 적용했다. 그 결과 상온에서 운전 시작 후 5분 만에 600도에서 1.124V의 개방회로전압과 1.123Wcm-2의 성능을 구현하는 데 성공했다. 이는 비슷한 성능을 기록한 기존 세라믹 연료전지 연구에 비해 시동시간을 약 10분의 1로 단축하는 동시에 1W 이상 성능을 5분 이하 시동시간으로 냉간 사이클링을 구현한 것이다. 연구팀은 실제 이동형으로 사용하려면 350도 이하로 온도를 낮춰야 한다는 판단하에, 온도에 대한 기술과 함께 낮은 온도에서도 비슷한 성능을 낼 수 있도록 셀 구조에 대한 연구 및 개발을 이어갈 예정이다. 해당 기술이 상용화될 경우 고온의 작동조건 탓에 한계적으로 활용되었던 세라믹 연료전지의 응용 범위가 전기차, 로봇, 드론 등 소형 이동수단으로도 확대될 것으로 예상된다. 신 교수를 포함한 연구팀은 뜻깊은 성과를 기반으로 운전온도를 더욱 획기적으로 낮춰 안정성을 향상시키고, 나아가 우리나라의 에너지 자립의 향상에도 기여할 수 있도록 연구를 지속해나가겠다는 목표를 전한다.
세계를 나아지게 하는 기술을 만드는 사람들
최근 무분별한 화석연료 사용에 따라 지구온난화 현상이 심각해지며 전 세계적으로 친환경 에너지에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이에 공해 물질을 배출하지 않는 연료전지와 화재 및 폭발 위험이 없는 안전한 에너지 저장 시스템인 전고체전지는 차세대 에너지 분야의 중심이 될 것이라 주목받고 있다. 신성수 교수가 이끄는 금오공과대학교의 ‘멀티스케일 에너지 저장/변환 실험실’은 세라믹 마이크로패터닝 기술을 이용한 저온형 세라믹 연료전지 구현을 비롯해 에어로졸 공정을 이용한 멀티스케일 연료전지 전극 개발, 전고체전지 계면 아키텍쳐링 기술 개발, 습식 공정 기반 고에너지밀도 전고체전지 구현 등의 연구를 진행하는 연구실이다. 신 교수는 세라믹 연료전지와 전고체전지 연구를 병행하며 차별화된 자신만의 연구를 이어올 수 있었던 것도, 두 연구의 시너지를 통해 ‘고성능 저온형 고체산화물 연료전지 시스템’을 개발할 수 있었던 것도 자신을 지도했던 교수님들과 시간이 흘러 자신이 지도하고 있는 연구실 팀원들의 응원과 지지 덕분이었다며 공을 돌린다.
“팀 스포츠를 오랫동안 해왔는데, 연구도 스포츠 플레이와 비슷하다고 생각해요. 자신만의 연구를 해서는 전체를 완성할 수 없어요. 그런 면에서 저는 운이 좋았던 것 같습니다. 많은 가르침과 믿음을 주었던 교수님과 박사님들이 계셨고, 저에게는 물론, 서로를 도우며 함께 연구를 만들어 가는 학생들도 있고요.”
성공한 연구는 주목을 받지만, 그 과정에는 수많은 실패가 있다. 하지만 신 교수는 자신의 연구가 더 확장된 다음의 연구와 더 나은 세상을 만들 것이라는 믿음과 연구자로서의 사명으로 연구를 지속해오고 있다. 정직하게 단계를 밟아가며 본인의 연구 지평은 물론 세상의 가능성을 키워나갈 그의 연구에 다시 한번 응원과 지지를 보낸다.
