연료전지는 무공해 동력원 또는 무공해 발전설비로서 필수적으로 요구되는 미래형 친환경 장치이다.
고체산화물연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)는 고온에서 작동하는 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지로 고온에서 작동하기 때문에 에너지변환 효율이 높고 다양한 연료의 사용이 용이하다. 이 때문에 전 세계적으로 가장 활발하게 연구되고 있는 연료전지 분야이다.
현재 고체산화물 연료전지가 직면하고 있는 가장 큰 문제점은 높은 작동온도에서 견딜 수 있는 저렴한 소재가 개발되어 있지 않다는 점이다. 특히 사용되는 소재의 양이 가장 많은 분리판(Separator) 또는 연결재(Interconnect) 소재의 개발은 고체산화물 연료전지의 상용화를 위해 필수적이다.
초기 고체산화물 연료전지용 분리판 소재로는 고온에서 안정적인 세라믹 소재가 주로 사용되었으나 가격이 비싸고 열 충격에 약한 단점이 있어 상용화에 어려움이 많았다.
최근에는 전해질 소재의 이온전도성이 개선됐을 뿐만 아니라 전해질을 치밀하면서 얇게 제조하는 기술이 개발돼 전해질의 저항을 크게 낮추었다. 따라서 800℃ 이하의 온도에서도 다른 연료전지와 비교했을 때 충분한 경쟁력을 가질 만큼 높은 성능을 나타냄으로써 저렴하면서 전기전도도 및 강도가 높은 금속 분리판 소재의 사용이 가능하게 됐다.
금속소재를 분리판으로 이용할 경우 귀금속을 제외한 대부분의 금속소재는 고온의 산화성 분위기에서 빠르게 퇴화되는 단점이 있다. 금속 분리판 소재의 산화는 저항의 증가뿐만 아니라 셀의 오염 등을 야기시킬 수 있어서 연료전지의 신뢰성을 떨어뜨리는 주 요인이다. 따라서 저렴하면서도 고온 내산화성을 향상시킬 수 있는 금속소재의 설계, 표면 처리 또는 코팅기술의 개발은 고체산화물 연료전지의 상용화에 있어 매우 중요하다.
고체산화물 연료전지의 형태에 따른 금속부품의 기능 및 명칭
고체산화물 연료전지는 크게 평판형과 관형으로 나뉜다.
평판형은 고분자연료전지(PEFC, Polymer Electrolyte Fuel Cell)와 유사한 구조로 그림 1과 같이 판상의 전해질과 전극 그리고 셀들을 분리해주는 판상의 분리판으로 구성된다. 분리판은 셀 간의 전기적 연결뿐만 아니라 반응가스의 분리, 반응가스의 공급통로 제공 및 셀의 기계적 강도를 제공하는 기능 등을 수행한다. 연료전지의 작동온도가 낮을 경우 금속 소재들을 분리판으로 사용할 수 있다.
관형 고체산화물 연료전지는 전극과 전해질이 관형으로 되어 있으며 셀과 셀 사이에는 전기적 연결을 목적으로 하는 ‘연결재’가 있다. 연결재로는 전자전도성이 있는 세라믹 또는 금속소재가 사용된다.
그림 2는 전류집전 방식에 따른 원통형 SOFC의 3가지 종류를 보여주고 있다. 그림 2(a)는 전류가 관의 원주 방향으로 흘러 연결재에 도달하는 방식이며, 그림 2(b)는 전류가 관의 길이방향으로 흘러 다음 셀에 연결되는 방식이다. 마지막으로 그림 2(c)는 하나의 관 표면에 연료극과 공기극을 시리즈로 연결하는 다전지식 방식이다.
관형에서 사용되는 연결재나 전류집전체는 단순히 전기적 연결 및 전류의 통로 역할만을 하는 반면, 평판형에서의 분리판은 전기적 연결뿐만 아니라 반응가스의 분리·공급통로 제공·기계적 강도유지 등의 역할을 수행한다. 따라서 평판형과 관형에 따라 요구되는 금속소재의 특성이 다를 수 있다.
고체산화물 연료전지용 금속분리판, 연결재 및 전류집전체의 요구특성
고체산화물 연료전지에 사용되는 금속분리판, 연결재 또는 전류집전체 소재의 요구특성은 연료전지의 성능을 유지하는데 필요한 기능을 만족시켜야 할 뿐 아니라 사용시간에 따른 성능의 저하·셀 오염·셀 파손 등의 문제가 발생하지 않아야 한다. 또한 상업성을 만족시키기 위해서 소재의 가격 및 부품 제조의 용이성 등 다양한 특성이 요구된다.
다음은 평판형 고체산화물 연료전지에 필요한 금속분리판의 주요 요구 특성이다.
1. 높은 전기도도
연료전지에 사용되는 분리판 소재는 기본적으로 높은 전기전도도를 가져야 한다. 이는 연료가스로부터 전기화학 반응을 거쳐서 변환된 전기에너지가 도선을 통해 이동할 때 도선의 저항에 의해서 열로 손실되기 때문이다.
전기전도도나 가격만을 고려한다면 Cu가 가장 바람직한 분리판 소재이지만 내산화성이 약해 그대로 사용할 수 없다. 만약 내산화성 소재로 코팅하여 내부의 Cu를 보호해 줄 수 있다면 가격과 성능을 동시에 만족시킬 수 있을 것이다. Cu소재 다음으로 경쟁력이 있는 소재는 Cr을 함유한 Fe계 소재로 가격경쟁력이 높고 내산화성도 뛰어나 현재 가장 많은 연구 활동이 이뤄지고 있다.
2. 낮은 접촉저항
셀 내부의 저항은 소재의 저항뿐만 아니라 전극과 접촉하는 표면의 저항과도 밀접한 관계가 있다. 금속분리판 소재의 표면저항은 표면에 형성된 산화물의 존재과 관련있다. 또한 접촉저항은 소재의 표면 저항뿐만 아니라 스택의 제조기술과 관련된 전극/분리판의 접촉면에 가해진 압력의 균일성 및 접촉면적의 크기 등에도 영향을 받는다.
3. 높은 내산화성
고온에서 금속분리판 소재의 산화는 연료전지의 성능을 저하시키는 주된 원인 중 하나로 표면저항을 증가시켜 저항열 손실을 증가시키거나 셀을 오염시켜 전극반응을 약화시키는 문제를 발생시킬 수 있다.
4. 전극과의 낮은 반응성
금속분리판은 연료극 및 공기극과 접촉하는 상태로 고온에서 작동한다. 따라서 상호확산 현상이 일어날 경우 중간층의 생성으로 저항손실이 야기되거나 전극 상에 원하지 않은 상이 생겨서 전극의 활성이 떨어질 수 있다. 따라서 기본적으로 전극과의 반응성이 없는 분리판 소재를 선정해야 하며, 만약 반응성이 있는 분리판 소재를 사용할 경우에는 전극과 직접 접촉하지 않도록 상호확산의 장벽역할을 하는 중간층을 형성시켜 주어야 한다.
5. 비휘발성
현재 가장 널리 사용되고 있는 금속 소재는 전자전도성이 상대적으로 높으면서 보호성이 뛰어난 크롬산화물을 형성하는 페라이트계 스테인리스강이다.
고온에서 휘발성이 나타나지 않도록 소재의 성분을 제어하거나 또는 크롬 성분이 휘발되지 않도록 표면에 보호성 코팅층이 자연적으로 형성되도록 유도하는 방법들이 개발되고 있다.
6. 낮은 열응력 발생
고체산화물 연료전지는 고온에서 작동하기 때문에 상온에서 작동 온도까지 매우 큰 온도변화를 감당해야 한다. 특히 셀을 구성하는 전해질/전극/금속분리판 계면의 경우 서로 다른 상들이 접촉하고 있어서 열팽창계수의 차이가 클 경우 열응력이 발생하여 세라믹 소재가 파손되는 문제가 발생한다.
현재 가장 널리 연구되고 있는 페라이트계 스테인리스 소재의 경우 세라믹 소재의 열팽창계수와 유사하여 열응력 발생을 크게 줄일 수 있다.
7. 높은 열전도도 분리판 소재의 열전도도는 연료전지 내부의 온도를 균일하게 유지하는데 매우 중요하다.
8. 높은 기계적 강도 평판형 분리판 소재의 경우 셀을 지탱하는 역할을 수행하기 때문에 기계적 강도가 높은 소재가 필요하다. 특히 고온에서 장시간 사용하기 때문에 고온강도, 크리프 저항성 등이 높아야 한다.
9. 저렴한 소재 가격 및 용이한 가공성
국내의 고체산화물 연료전지 동향을 보면 현재 상업화를 목적으로 발전용 시스템을 개발하고 있는 중이다. 상업화에 있어서 필수적으로 요구되는 것이 저렴한 소재의 사용으로 단가를 낮추는 일이며, 소재의 가공성이 좋아야 스택 제조 공정가격을 낮출 수 있다.
고체산화물 연료전지용 금속분리판 소재의 연구개발 동향
고체산화물 연료전지용 금속소재에 대한 연구는 기본적으로 고온의 산소분위기에서 표면비저항이 낮게 유지되는 방향으로 진행되어 왔다. 근래에는 저렴하며 세라믹 소재와 열팽창계수가 유사한 페라이트계 스테인리스 강을 중심으로 많은 연구들이 이루어지고 있다. 페라이트계 스테인리스 강은 고온의 산화분위기에서 안정된 산화물을 형성하여 소재의 고온부식에 강한 특성이 있어 바람직한 금속분리판 소재로 받아들여지고 있다.
금속분리판의 물성 중 고체산화물 연료전지의 성능 및 신뢰성을 결정하는 2가지 주요 인자로 금속분리판의 면비저항(ASR, Area specific resistance)과 금속분리판 소재 내에 포함된 크롬성분의 휘발문제가 있다. 면비저항이 크면 저항손실이 커져 에너지로 변환효율이 낮아지며, 크롬성분이 휘발되면 공기극 표면에서 크롬산화물(Cr2O3)이 환원되어 공기극의 성능을 저하시키는 문제가 발생한다. 따라서 최근의 연구동향을 보면 금속분리판의 면비저항을 낮게 유지하면서 소재 내에 포함되어 있는 크롬의 휘발을 막아주는 기술 개발에 집중하고 있다.
