[공학저널 김하늬 기자] 수소연료전지의 중요성이 날로 강조되고 있다. 이러한 수소연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하는 장치로, 수소 공급을 통해 지속적으로 전기를 생산할 수 있는 친환경적인 시스템이다.

최근 지구온난화로 인한 이상기후 현상이 전 세계적으로 심화되고 있는 가운데, 탄소배출을 줄일 수 있는 수소연료전지는 미래의 중요한 에너지원으로 주목받고 있다. 

특히, 고온형 연료전지 시스템인 SOFC(고체산화물 연료전지)와 SOEC(고온 수전해)는 기존 저온형 연료전지 대비 효율이 높아 발전과 수소생산 분야에서 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

SOFC와 SOEC 기술의 필요성은 이들 시스템의 높은 효율성에 있다고 해도 과언이 아니다. 연료전지는 PEMFC(고분자 연료전지 시스템), PAFC(인산형 연료전지 시스템), MCFC(용융탄산염 연료전지 시스템), SOFC로 구분되며, 그 중 SOFC는 높은 스택 온도로 인해 귀금속을 사용하지 않으면서도 수소와 CO를 연료로 사용할 수 있는 장점이 있다.

이와 함께, SOEC는 다른 수전해 방식보다 효율이 높아, 미래에 내구성과 단가가 확보되면 수소생산에도 크게 이바지할 전망이다.

특히 SOFC와 SOEC는 동일한 스택을 활용해 수소의 생산과 발전을 동시에 수행할 수 있는 독보적인 장점이 있어 다양한 용도로 활용될 가능성이 큰 것으로 평가받고 있다. 이로인해 최근 SOFC와 SOEC 스택 및 시스템 기술의 국산화는 매우 중요한 과제로 손꼽히고 있다.

SOFC 스택은 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기를 생산하는 SOFC 시스템 중 가장 중요한 요소로, 자동차의 엔진과 같은 핵심기술이다. 또한, 고온 수전해인 SOEC는 전기를 이용해 물을 분해한 후 수소를 생산하기 때문에 더욱 중요하다고 볼 수 있다.

SOFC와 SOEC의 스택기술은 이들 시스템의 핵심 기반 기술로, 국산화를 통해 SOFC와 SOEC 개발을 촉진해야 한다는 것이 전문가들의 의견이다. 이러한 스택기술의 국산화는 상업화 가능성을 높이고, 국내 기술 저변 확대와 신규 고용 창출에도 이바지할 것으로 전망되고 있다.

이에 현재 지속 가능한 친환경 수소연료전지를 개발 중인 범한퓨얼셀㈜은 SOFC와 SOEC 기술개발에 적극적으로 나서고 있다. 특히 에너지 패러다임의 변화 시점에 신속히 대응하고 있다는 점에서 눈길을 끌고 있다.

기존 SOFC의 고효율화 방법에는 연료 리사이클, combined system, 캐스케이드 스택, 프로톤 전도형의 네 가지 방법이 있다. 범한퓨얼셀은 국내에서 캐스케이드 스택을 활용한 효율증강 기술을 최초로 시도해 화제를 모으기도 했다.

지난 2021년 5월부터 한국에너지기술평가원의 지원을 받아 ‘캐스케이드 스택을 활용한 10kW SOFC 시스템 기술개발’ 과제를 진행 중인 범한퓨얼셀은 과제의 주관기관을 맡아 한국에너지기술연구원, 한국세라믹기술연구원, 서울대학교, 동일브레이징, 한남대학교와 공동으로 기술개발을 진행하고 있다.

SOFC 단일스택은 연료 이용률 향상에 한계가 있지만 캐스케이드 SOFC 기술은 다중 SOFC 스택을 활용해 연료 이용률을 증가시키고 전기효율을 극대화하는 기술로, 본 과제에서는 국외 스택이 아닌 국내기술로 개발된 국내 스택을 활용해 개발을 진행하고 있다.

이러한 과제의 최종 목표는 전기효율 60%의 10kW SOFC 시스템을 개발하는 것으로, △연료이용율 및 전기효율 극대화를 위한 스택 개발 △다중 스택 및 스택 다중 연결에 따른 Hot Box 최적설계 및 개발 △캐스케이드 적용 효율 제고 Hot box 최적 운전 로직 개발 △10kW급 SOFC 시스템 설계 및 최적화 △캐스케이드 스택을 활용한 고효율 10kW급 SOFC 시스템 개발 및 장기운전에 대한 연구개발을 진행 중이다.

범한퓨얼셀은 2023년 국내 최초로 3kW 캐스케이드 Hot Box의 장기 운영에 성공했고, 이를 바탕으로 올해 10kW급 Hot Box와 시스템 개발을 추진하고 있으며, 2025년 4월까지 3,000시간 운영을 목표로 하고 있다. 이후 10kW SOFC 시스템의 상품화를 추진할 예정이다.

범한퓨얼셀 김재동 상무(사진)는 “한국에너지기술연구원의 유지행 박사 연구팀은 스택 분야에서 국내 최고의 기술력을 보유하고 있어, 이를 기반으로 스택 개발 및 제작에 중점을 두고 연구를 수행하고 있다”라며 “범한퓨얼셀은 수소연료전지 전문 시스템 메이커로서 캐스케이드 스택을 활용할 수 있는 최적의 Hot Box와 시스템 개발을 통해 연료이용률 85%, 발전효율 60% 이상에 도전한다”라고 설명했다.

또한, 범한퓨얼셀은 고온 수전해인 SOEC 기술개발에도 적극적으로 참여 중으로, SOEC 과제는 산업기술평가원에서 지원을 받아 ‘국산 지르코니아 소재 및 셀을 적용한 SOEC 제품의 활용 기술개발’ 과제에 최종 선정돼 추진하고 있다. 이를 통해 수소의 생산·저장·활용으로 이어지는 수소경제 Value Chain을 구축하겠다는 계획이다.

김 상무는 수소경제 Value Chain에 대해 “수전해설비(EC)를 통해 생산된 수소가 다양한 루트로 운송·저장되었다가 연료전지(FC)를 통해 전기와 열 에너지로 활용되는 방식”이라고 설명하며, “특히, 고효율의 SOFC와 SOEC에 대한 국산화와 상업화에 집중함으로써 국내외 시장에서의 입지를 강화할 것”이라고 말했다.

범한퓨얼셀은 2019년 범한산업㈜의 수소연료전지 사업부에서 분사해 설립됐으며, 잠수함용·건물용 연료전지 제조, 수소충전소 구축 등으로 사업을 확장해왔다.

현재 잠수함용 연료전지 모듈은 독일에 이어 세계 두 번째로 상업화에 성공해 2018년부터 대한민국 해군의 3,000톤급 차세대 잠수함에 납품하고 있으며, 건물용 연료전지는 설치의무대상 건물 중심으로 납품되고 있다. 또한, 수소충전소는 지금까지 30개소를 수주해 24개소의 구축을 완료하고 6개소를 현재 구축 중이며, 액화수소충전소 시장 진입을 위해 영업활동을 강화하고 있다.