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연료전지 신뢰성 확보·암모니아 연료전지 개발 추진

에기평, 연료전지분야 에너지기술개발사업 추진

전 세계적인 수소경제로의 전환과정에서 수소 핵심사용수단인 연료전지분야를 선도할 수 있는 기술력 확보가 추진된다. 

에너지기술평가원은 1월20일 ‘2022년도 제1차 에너지기술개발사업 신규지원대상과제’를 공고했다. 

이번 에너지기술사업 신규지원대상 중 연료전지 연구개발과제는 △분산형 연료전지시스템 신뢰성 평가기술 개발 △직접 암모니아 연료용 고체산화물연료전지(SOFC) 개발 △물 흐름 제어를 통한 PEMFC 성능 및 내구성 2배 이상 향상을 위한 혁신기술개발 등으로 구성됐다. 

PEMFC·SOFC 신뢰성 평가모델 개발 
‘분산형 연료전지시스템 신뢰성 평가기술개발’의 연구기간은 4년 이내이며 총 150억원의 정부지원연구개발비가 투입된다. 

국내 연료전지 잠재시장 규모는 RPS 대상으로는 연평균 250MW, 민간자가용 분산발전은 2040년 기준 총 6.7GW, 집단에너지는 총 4GW 규모로 예상된다. 또한 2030년까지 가정용은 연평균 30MW, 건물용은 148MW가 될 것으로 전망된다. 

국내에서 개발 중인 분산형 연료전지인 PEMFC와 SOFC시스템의 경우 선진사제품과 기술격차가 발생하고 있는 상황이며 국내 개발시스템이 시장경쟁력을 가지기 위해서는 수명과 신뢰성 측면에서 내구성 검증과 수명보완이 필요하다. 

이번 과제의 최종 목표는 분산형 연료전지시스템의 장기 신뢰성을 평가하기 위한 평가방법을 개발하고 이를 기반으로 분산형 연료전지시스템의 내구성과 수명을 검증하는 것이다. 

연료전지시스템 장기 연속운전 신뢰성 평가시스템을 구축하고 신뢰성을 평가하기 위해 1~50kW급 PEMFC·SOFC 장기신뢰성 평가시스템 구축 3 SET 이상 수행한다. 또한 분산형 연료전지시스템에 대한 3년 이상 장기운전시험을 실시하며 시스템 고장 발생 시 고장빈도와 원인규명 및 부품교체 주기를 분석한다. 

1~25kW 분산형 연료전지 타입별 운전환경과 조건을 모사할 수 있는 전기부하 및 열부하 모사시스템을 각 3SET 이상 구축한다. 연료전지 타입별 시스템 및 스택 가속내구평가 프로토콜과 실제 운전결과와 수명평가 프로토콜과 수명영향 평가와 가속내구평가 프로토콜간 정합성 평가를 진행한다. 이를 통해 다양한 운전환경을 모사할 수 있는 평가환경을 구축하고 평가프로토콜을 개발한다. 

이와 함께 수소법과 고압가스안전법, 산업안전법 등 관련법률 및 코드에 따른 신뢰성 시험센터를 구축한다. 

암모니아 직접 활용 연료전지 개발
‘직접 암모니아 연료용 SOFC 개발’의 연구기간은 36개월 이내로 45억원 규모의 정부지원연구개발비가 지원된다. 

암모니아는 수소를 저장·이동하고 공급하는 효율적인 수단으로 주목받고 있으며 암모니아를 연료전지로 직접 활용하는 무탄소 고효율 SOFC 핵심기술개발은 국내 연료전지산업의 경쟁력 제고로 이어질 것으로 기대된다. 

암모니아를 연료로 직접 활용하는 연료전지는 추가적인 처리비용을 감소할 수 있으며 다수의 장소에 분산형으로 설치함에 따라 전력수급 안정도를 높일 수 있다. 또한 암모니아 연료를 분해장치 등의 전처리 장치없이 직접연료를 사용해 발전하는 SOFC 기술개발로 암모니아 외 LOHC 등으로 연료범위를 확장할 수 있다. 이를 통해 다양한 수소저장 연료를 직접 공급해 전기를 생산하는 연료전지기술로 확장이 가능하다. 

직접 암모니아 연료적용 고활성·고내구성 SOFC 전극기술을 개발하기 위해서는 셀 작동조건에서 연료극 내 암모니아 직접분해 전극소재기술이 필요하며 700℃ 기준 연료극의 직접 암모니아 내부분해율 95% 이상을 달성해야 한다. 

직접 암모니아 연료적용 SOFC 단위전지 기술개발도 추진된다. 이를 위해 직접 암모니아 연료용 전극소재 적용 대면적 단위전지 제조기술과 직접 암모니아 연료적용 단위전지 고성능화기술 개발이 진행된다. 

PEMFC 성능·내구성 2배 향상 박차
‘물 흐름제어를 통한 PEMFC 성능 및 내구성 2배 이상 향상을 위한 혁신기술개발’의 연구개발기간은 5년으로 총 80억원의 정부지원연구개발비가 지원된다. 

수소연료전지는 수소활용분야 핵심기술로 수소경제를 주도하기 위해 선진국들의 경쟁이 치열한 상태로 △성능개선 △내구성 확보 △가격경쟁력 확보 등을 위한 연구개발 역량강화가 중요하다. 

최근 정부의 수소정책 활성화로 시장성장률은 세계 최고수준이나 시장우위 유지, 기술경쟁력을 강화하기 위해서는 핵심소재의 성능고도화 및 내구성개선을 위한 연구개발이 필요하다. 

이번 과제의 최종목표는 단위셀 내의 물 흐름에 대한 이해를 기반으로 핵심소재 및 부품의 고효율·고내구화를 달성해 PEMFC 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있는 혁신기술을 개발하는 것이다. 

이를 위해 △단위셀 기반 다중규모 다물리 연동 물 흐름 예측모델 개발 △물 흐름 이해 기반 PEMFC 핵심단품의 고효율·고내구화 기술개발 △물 흐름 제어기술이 적용된 단위셀 실증기술 개발 △물 영향을 최소화할 수 있는 PEMFC 소재·부품 원천기술 개발 등이 추진된다. 

물 흐름 이해 기반 PEMFC 핵심단품의 고효율·고내구화 기술을 개발하기 위해서는 MEA, GDL, 분리반 등의 소재특성, 설계형상 및 운전조건에 따른 물 흐름 측정 및 분석기술을 개발한다. 또한 물 흐름에 따른 PEMFC 핵심단품의 성능과 수명내구 상관성을 도출한다. 

물 영향을 최소화할 수 있는 PEMFC 소재·부품 원천기술 개발을 위해 고온·고압·극저가습 운전이 가능한 PEMFC 소재와 물이 배제된 이온전달 메커니즘 기반 고온형 단품 소재 등을 개발해야 한다.