고체산화물 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell, 이하 SOFC). 이름도 생소한 이 전지는 화석연료에서 배출되는 온실가스와 환경가스를 최소화 할 수 있는 미래 대체에너지로 꼽힌다. 세계에서 주로 고온(800 ~ 1000oC)에서 작동하는 SOFC에 대한 연구가 활발한 가운데 작동온도를 획기적으로 낮추면서 높은 전력밀도를 얻는 것은 SOFC 발전의 중요한 과제였다. 김영범 교수(공과대∙기계)는 섭씨 450도에서 최대 1.3 W/cm2의 전기를 출력하는 전지 개발에 성공했다. SOFC가 일상에 한 걸음 더 가까워졌다.

미래에너지의 대안, 고체산화물 연료전지(SOFC)

대부분의 발전소는 연료를 태워 운동에너지로 변환한 뒤 운동에너지에서 전기를 얻는다. 변환 과정이 까다롭고 복잡해 발전소의 전력전환효율이 45%를 넘지 못한다는 것이 큰 단점이다. 연료전지는 연료를 넣으면 전극에서 바로 전기가 발생돼 에너지 변환과정이 필요 없다. 에너지 변환과정이 없기 때문에 연료 투입대비 전기발생 효율이 매우 높다. 각 가정과 공장 등 전기 소비지에서 자체적으로 생산할 수 있어 송전에 필요한 인프라 구축 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

연료전지는 사용하는 재료에 따라 다양한 방식으로 전기를 발생시킨다. 현재까지 개발된 연료전지 가운데 가장 높은 에너지 변환효율을 나타내는 것이 바로 SOFC. SOFC는 고체산화물을 전해질로 이용하는 연료전지로 수소뿐 아니라 메탄올, 에탄올 등의 다양한 연료를 공기 중의 산소와 반응시켜 전기를 만든다. 다양한 세라믹으로 구성돼있는 SOFC의 작동온도는 섭씨 800도 이상. 고온 작동으로 인해 대형 발전 설비나 가정용 발전으로 용도가 한정돼있다. SOFC를 다양한 용도로 사용하려면 작동온도를 더 낮춰야 한다. 노트북과 휴대전화에 사용되려면 섭씨 450도 이하의 온도에서 작동돼야 한다.

온도는 더 낮게, 크기는 더 작게

김영범 교수가 연구한 것이 바로 저온형 세라믹 SOFC다. 김 교수는 이번 연구를 통해 반응온도를 낮추고 크기가 더 작은 SOFC를 개발하고자 했다. 김 교수가 고체산화물 연료전지의 성능을 높이기 위해 세 부분을 집중적으로 연구했다. 첫 번째는 3차원 나노 구조물의 연료전지를 만드는 것. 연료전지의 출력은 전기화학 반응면적의 넓이에 비례한다. 김 교수는 크기를 줄이면서 같은 부피에서 더 넓은 반응면적을 만들어 내기 위해 3차원 구조물 제작했다. 이를 나노 규모에서 제작함으로써 더욱 효과적으로 반응면적 증가효과를 낼 수 있었다.

두 번째는 원자막 증착법을 개발해 초박막(Ultra-thin) 전해질 제작을 가능하게 하는 것. 원자막 증착법(Atomic layer deposition)은 어떤 물질막을 제작할 때 원자 단위로 막을 하나하나 쌓아가는 기술이다. 연료전지의 이온전도 손실을 줄이기 위해서는 전해질의 두께를 최소화 하는 것이 중요하다. 전해질의 질도 좋아야 전기적 손실도 줄일 수 있다. 김 교수는 원자막 증착법을 통해 전해질을 제작하는 공정을 개발했다. 막의 질이 좋으면서 나노미터(nm) 두께를 갖는 초박막 전해질 제작을 가능하게 한 것. 원자막 증착법은 다른 기술과 달리 복잡한 3차원 구조물에 균일한 막을 제작할 수 있기에 김 교수가 개발한 3차원 구조물에도 적용이 가능하다.

마지막으로 반응활성도가 높은 활성 중간층(Functional inter layer)을 만드는 것이었다. 이온전도 손실을 제외하고 SOFC에서 가장 높은 손실을 유발하는 것은 환원극에서 발생하는 산소환원 반응이다. 김 교수는 기존 전해질보다 높은 산소 반응 활성도를 갖는 활성 중간층을 이용해 복합 전해질을 제작했다. 복합전해질을 이용해 산소 반응에서 오는 손실을 줄이고, 전지의 성능을 높인 것이다. 이 세 가지 연구를 통합한 끝에 섭씨 450도에서 최대 1.3W/cm2의 전기를 출력하는 고성능 고체산화물 연료전지가 탄생했다.

SOFC연구, 이제 시작이다

연료전지는 에너지의 효율성도 큰데다 친환경적이어서 차세대 연구 분야로 주목 받고 있다. 선진국에서는 SOFC에 대한 연구가 활발한 반면 우리나라는 아직 부족한 상태. 김영범 교수는 계속해 고체산화물 연료전지를 연구할 계획이다. 그는 세 가지 연구 계획을 세웠다. 첫 번째는 휴대용 고체산화물 연료전지를 개발하는 것이다. 현재 그가 연구한 SOFC의 크기와 작동 온도를 더 작고, 더 낮게 만들어 휴대를 가능하게 하는 것. 이 연구에서 좋은 성과를 얻으면 스마트폰, 태블릿 PC 등의 배터리에 SOFC를 활용할 수 있다. 김 교수는 “이를 위해 지지대를 이용한 초박막 SOFC의 연구가 필수적”이라고 말했다. 초박막은 SOFC의 온도를 결정하는 핵심 부분이다. 굉장히 얇아(전체적으로 약 250 nm) 작은 충격에도 산산조각이 나기 때문에 기계적 강성이 확보돼야 한다. 김 교수는 이 초박막을 지탱하는 지지대 개발에 주력할 계획이다.

두 번째는 분산발전시스템이 가능한 전지개발 연구다. 우리나라는 중앙 발전소에서 생산된 전기를 전국 각지로 분배하고 통제하는 중앙 공급 시스템으로 운영되고 있다. 중앙공급 시스템은 송전과정에서 많은 전력이 손실되고, 중앙 시스템에 문제가 생기는 경우 전국이 전력난에 시달릴 수 있다는 단점이 있다. SOFC시스템을 일반가정, 대학과 기업, 공장 등 대량전기 소비지에 설치해 자체 공급을 하면 중앙공급의 불안정성을 해소할 수 있을 뿐더러 송전에 필요한 인프라 구축 비용을 획기적으로 줄일 수 있다.

마지막으로 수소가 아닌 다양한 연료로 작동하는 고효율 SOFC 개발을 계획하고 있다. 보통 연료전지를 수소로만 작동하는 전지로 알고 있지만 고체 산화물 연료전지의 가장 큰 장점 중 하나는 다양한 연료를 사용할 수 있다는 것. 수소뿐 만 아니라 메탄올, 에탄올, 생활 폐기가스, 셰일 가스(Shale gas)까지도 사용 연료의 범위를 넓힐 수 있다. 연료의 범위가 넓어질수록 고체산화물 연료전지의 보급이 한 걸음 더 앞당겨 질 전망이다.

한 연구에 일희일비하지 말라

김 교수는 모든 연구성과와 경험을 소중히 여긴다. 각각의 작은 연구성과들이 모여 큰 결론을 이끌어내는 것에 도움을 준다고 생각하기 때문. 김 교수는 “버려지는 경험은 없다고 생각한다”며 “중요한 것은 장기적인 안목”이라고 말했다. 이어 김 교수는 하나의 성과에 일희일비하지 말 것을 조언했다. 한 연구의 결과가 좋지 않다고 좌절하지 말라는 의미다. 김 교수는 “중요한 것은 어떠한 성과든 자신의 것으로 만드는 것”이라며 “하나의 연구는 곧 다른 연구의 시작이므로 어떻게, 어떤 결과로 유도될 지 모르니 항상 겸손한 자세로 임하라”고 말했다.