차세대 연료전지로 주목받는 SOFC, 무엇이 다를까?

차세대 연료전지로 주목받는 SOFC, 무엇이 다를까?

대학생신재생에너지기자단 29기 조해나

주목받는 고체산화물연료전지, SOFC

수소에너지가 탄소중립을 위한 주요 에너지원 가운데 하나로 떠오르면서 수소를 활용하는 연료전지 기술 역시 꾸준히 발전하고 있다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 이용해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환한다. 화석연료를 연소해 열을 발생시키고 터빈을 돌려 전기를 생산하는 기존 발전 방식과 달리 여러 단계의 에너지 변환 과정을 거치지 않는다는 특징이 있다. 

하지만 '연료전지'라고 해서 모두 같은 방식으로 작동하는 것은 아니다. 어떤 물질을 전해질로 사용하는지, 어떤 이온이 전해질을 이동하는지, 어느 정도의 온도에서 작동하는지에 따라 여러 종류로 나뉜다. 고분자전해질연료전지(PEMFC), 인산형연료전지(PAFC), 용융탄산염연료전지(MCFC), 고체산화물연료전지(SOFC) 등이 대표적이다. 

이 가운데 최근 발전용 연료전지 분야에서 주목받고 있는 기술이 고체산화물 연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)다. SOFC는 이름 그대로 세라믹 계열의 고체산화물을 전해질로 사용하는 연료전지다. 비교적 높은 온도에서 작동하면서 높은 발전효율을 얻을 수 있고 수소 이외에도 다양한 연료를 활용할 수 있다는 장점이 있다. 

그러나 높은 작동온도는 SOFC의 가장 큰 장점인 동시에 해결해야 할 약점이기도 하다. 높은 온도는 전기화학 반응을 촉진하지만 장기간 운전할 경우 소재 열화와 내구성 문제를 일으킬 수 있기 때문이다. 이에 따라 최근에는 기존 SOFC의 장점을 유지하면서 작동온도를 낮추기 위한 중저온 SOFC 기술 개발도 이어지고 있다. 더 나아가 고체산화물 기술은 연료전지를 넘어 수소를 생산하는 기술로도 활용할 수 있다. SOFC와 유사한 셀을 반대 방향으로 작동시키는 고체산화물 수전해 전지(Solid Oxide Electrolysis Cell, SOEC)가 수소 등의 연료로 전기를 만든다면 SOEC는 반대로 전기와 열을 이용해 수증기 등을 전기분해하여 수소를 생산한다. 

그렇다면 SOFC는 기존 연료전지와 무엇이 다르며, 높은 작동온도에도 불구하고 왜 차세대 연료전지로 주목받고 있을까. 또한 SOFC와 SOEC가 결합한 고체산화물 기술은 앞으로 에너지 시스템에서 어떤 역할을 할 수 있을까?

[자료 1. 종류별 연료전지의 특징 비교]

출처 : ©29기 조해나 Chat GPT 생성

연료전지에도 종류가 있다, SOFC란?

연료전지는 기본적으로 연료극, 전해질, 공기극으로 구성된다. 외부에서 공급된 연료와 산소가 전극에서 전기화학적으로 반응하고 이 과정에서 발생하는 전자가 외부 회로를 이동하면서 전기에너지를 생산한다. 

연료전지의 종류를 결정하는 중요한 요소 가운데 하나가 전해질이다. PEMFC는 고분자막을, PAFC는 인산을, MCFC는 용융탄산염을 전해질로 사용한다. SOFC에서는 이와 달리 산소 이온 등을 전달할 수 있는 고체 세라믹 전해질을 사용한다. 대표적인 산소 이온 전도성 전해질 소재로 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)가 널리 알려져 있다. 

SOFC의 작동 과정을 살펴보면 이러한 특징을 보다 쉽게 이해할 수 있다. 산소 이온 전도형 SOFC를 기준으로 공기극에 공급된 산소는 외부 회로에서 전달된 전자를 받아 산소 이온으로 환원된다. 생성된 산소 이온은 고체 전해질을 통과해 연료극 방향으로 이동한다. 연료극에 도달한 산소 이온은 수소 등의 연료와 반응하여 물을 생성하고 전자를 방출한다. 방출된 전자는 전해질을 통과할 수 없어서 외부 회로를 따라 이동하며 전기에너지를 제공한다. 즉 SOFC 내부에서는 이온이 전해질을 통과하고, 전자는 외부 회로를 이동하는 과정이 동시에 일어난다.

SOFC가 다른 연료전지와 구별되는 또 다른 특징은 높은 작동온도다. 전통적인 SOFC는 상당히 높은 온도에서 작동하도록 개발돼 왔다. 최근에는 소재와 셀 기술 발전에 따라 작동온도를 낮추는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 높은 온도는 SOFC 내부의 전기화학 반응을 빠르게 한다. 따라서 저온형 연료전지에서 필요한 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매에 대한 의존도를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 동시에 다양한 연료를 활용하기에도 유리하다. 

여기서 SOFC의 핵심적인 특징이 드러난다. SOFC는 단순히 '수소를 사용하는 또 하나의 연료전지'가 아니라 고온에서 작동한다는 특성을 적극적으로 활용하는 연료전지인 것이다.

높은 효율과 연료 유연성, SOFC가 주목받는 이유

그렇다면 높은 온도에서 작동해야 한다는 부담에도 SOFC가 주목받는 이유는 무엇일까. 

첫 번째는 높은 발전효율이다. 연료전지는 연료의 화학에너지 연소 과정을 거쳐 전기로 바꾸는 것이 아니라 전기화학 반응을 통해 직접 전기에너지로 변환한다. 특히 SOFC는 고온에서 전기화학 반응이 활발하게 일어나기 때문에 높은 전기 효율을 기대할 수 있다. 또한 SOFC에서 발생하는 고온의 열은 버려지는 에너지가 아니라 다시 활용할 수 있는 자원이 될 수 있다. 발전 과정에서 발생한 열을 난방이나 온수 등에 이용하는 열병합발전 시스템을 구성하거나 다른 발전 시스템과 결합하는 방식도 가능하다. 따라서 SOFC를 평가할 때는 셀 자체의 전기 생산효율뿐 아니라 전기와 열을 함께 얼마나 효율적으로 활용하는가도 중요하다. 

두 번째 강점은 연료 유연성이다. 연료전지라고 하면 흔히 순수한 수소만을 연료로 사용한다고 생각하기 쉽다. 그러나 SOFC는 수소뿐 아니라 천연가스, 바이오가스, 합성가스 등 다양한 연료를 활용할 가능성을 가진다. 고온 조건에서는 탄화수소계 연료의 개질반응을 활용할 수 있기 때문이다. 물론 어떤 연료든 별도의 처리 없이 그대로 사용할 수 있다는 의미는 아니다. 연료의 종류와 셀 구성에 따라 개질 과정이 필요할 수 있고, 황과 같은 불순물에 의한 전극 열화나 탄소 침적 등의 문제도 고려해야 한다. 따라서 SOFC의 연료 유연성은 아무 연료나 자유롭게 사용할 수 있다기보다는 다른 연료전지보다 활용할 수 있는 연료 선택지가 넓다는 의미로 이해하는 것이 정확하다.

[자료 2. SOFC의 다양한 연료 활용]

출처: ©29기 조해나 Chat GPT 생성

세 번째는 귀금속 촉매에 대한 의존도를 낮출 수 있다는 점이다. 낮은 온도에서는 전극에서의 반응속도가 느려지기 때문에 이를 빠르게 만들기 위한 높은 촉매활성이 필요하다. 반면 SOFC는 높은 온도 자체가 전기화학 반응을 촉진한다. 이에 따라 백금과 같은 고가의 귀금속 촉매가 아닌 세라믹과 금속 세라믹 복합소재 등 다양한 전극 소재를 활용할 수 있다. 

결국 SOFC가 주목받는 이유는 하나가 아니라 높은 발전효율, 연료 유연성, 고온 폐열 활용, 귀금속 촉매 의존도 감소라는 여러 장점을 동시에 가지고 있기 때문이다. 그러나 여기에는 역설이 존재한다. SOFC의 장점을 만들어낸 높은 온도가 동시에 SOFC 상용화를 어렵게 만드는 원인이 될 수 있다는 것이다.

높은 작동온도를 낮춰라, 중저온 SOFC의 등장 

높은 작동온도는 SOFC의 장점을 만들어내는 핵심 요소인 동시에 상용화를 위해 해결해야 할 과제이기도 하다. 높은 온도에서는 전해질을 통한 산소 이온의 이동과 전극에서의 전기화학 반응이 원활하게 이루어질 수 있다. 하지만 셀을 구성하는 전극과 전해 등이 장시간 고온에 노출되면 소재 간 반응이나 미세 구조 변화가 발생해 성능이 저하될 수 있다. 또한 운전과 정지를 반복하면서 온도가 상승하고 하강하면 서로 다른 소재의 열팽창 차이에 의해 열적 스트레스가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 장기간 안정적으로 운전해야 하는 발전용 연료전지에서 특히 중요하다. 높은 온도까지 시스템을 가열해야 한다는 점도 부담이다. SOFC는 작동에 적합한 온도가 도달하기까지 시간이 필요하기 때문에 상대적으로 가동시간이 길고, 높은 온도에서도 안정적으로 작동할 수 있는 소재와 부품이 요구된다. 결국 SOFC의 높은 작동온도는 빠른 전기화학 반응과 높은 성능을 가능하게 하지만, 동시에 내구성과 비용, 시스템 운용 측면에서는 부담으로 작용할 수 있다. 

이에 SOFC의 작동온도를 낮추려는 중저온 SOFC 연구가 활발하게 진행되고 있다. 중저온화가 가능해지면 고온에서 발생하는 소재 열화와 열적 스트레스를 완화하고, 사용할 수 있는 소재의 선택 폭을 넓힐 수 있다. 시스템의 가동시간을 단축하고 장기적인 내구성을 높이는 데에도 유리할 것으로 기대된다. 즉, 기존 SOFC의 높은 효율이라는 장점은 유지하면서 고온에서 발생하는 문제를 줄이려는 것이다. 

하지만 단순히 온도를 낮추는 것만으로 문제가 해결되는 것은 아니다. SOFC의 작동온도가 낮아지면 전해질 내부에서 산소 이온이 이동하기 어려워지고 전극에서 일어나는 전기화학 반응도 느려질 수 있다. 특히 공기극에서는 산소가 전자를 받아 산소 이온으로 환원되는 산소 환원반응이 일어나는데, 온도가 낮아질수록 반응 속도가 감소하면서 전극의 저항이 증가할 수 있다. 결국 작동온도를 낮추는 과정에서 SOFC가 가지고 있던 높은 성능까지 함께 낮아질 수 있다는 새로운 문제가 발생한다. 

따라서 중저온 SOFC 개발의 핵심은 단순한 온도 낮추기가 아니다. 낮은 온도에서도 충분한 이온전도성과 전극 반응속도를 확보하는 것이 중요하다. 이를 위해 낮은 온도에서도 이온전도성이 높은 전해질 소재를 개발하거나 전해질의 두께를 줄여 이온의 이동거리를 단축하는 방법 등이 연구되고 있다. 공기극에서도 산소환원반응을 촉진할 수 있는 새로운 전극 소재를 개발하고, 전극의 미세구조와 계면을 조절해 반응이 활발하게 일어날 수 있도록 하는 연구가 진행되고 있다. 결국 SOFC 기술의 발전 방향은 더 높은 온도에서 더 높은 성능을 얻는 것에서, 더 낮은 온도에서도 높은 성능을 안정적으로 유지하는 것으로 확대되고 있다. 작동온도를 낮추면서도 성능과 장기 내구성을 동시에 확보할 수 있다면 SOFC 시스템의 적용 범위를 넓히는 데에도 도움이 될 수 있다. 

그런데 고체산화물 기술의 가능성은 여기서 끝나지 않는다. 지금까지 SOFC가 연료를 이용해 전기를 생산하는 발전장치였다면, 이와 유사한 고체산화물 셀에 외부에서 전기를 공급해 반대 방향으로 작동시키는 기술도 연구되고 있다. 바로 고체산화물수전해전지다. SOEC가 주목받는 또 다른 이유는 태양광과 풍력 같은 재생에너지와의 연계 가능성이다. 재생에너지는 발전 과정에서 탄소 배출이 적지만 날씨와 시간에 따라 발전량이 변한다. 전력 생산이 수요보다 많은 시간에는 남는 전력을 이용해 SOEC를 가동하고 수소를 생산하는 방식을 생각할 수 있다. 생산된 수소를 저장하면 전기에너지를 화학에너지의 형태로 보관할 수 있게 된다. 

더 나아가 고체산화물 셀을 SOFC와 SOEC 두 방향으로 가역적으로 운전하는 기술도 연구되고 있다. 전력이 남을 때에는 SOEC 모드로 수소를 생산하고, 이후 전력이 필요해지면 저장한 수소를 이용해 SOFC 모드에서 다시 전기를 생산하는 방식이다. 이러한 가역형 고체산화물 셀은 전력과 수소를 서로 다른 방향으로 변환할 수 있다는 점에서 재생에너지와 수소에너지 사이를 연결할 수 있는 기술로 주목받고 있다. 물론 전기를 수소로 변환한 뒤 다시 전기로 만드는 과정에서는 에너지 손실이 발생하며, SOFC와 SOEC를 반복적으로 전환하면서도 장기간 안정적인 성능을 유지해야 한다는 기술적 과제도 존재한다. 따라서 가역형 고체산화물 셀이 모든 에너지 저장 방식을 대체할 수 있다고 단정하기는 어렵다. 다만 하나의 고체산화물 기술이 '연료에서 전기로', 다시 '전기에서 수소로' 양방향 에너지 변환에 활용될 수 있다는 점은 향후 활용 가능성을 보여준다.

[자료 3. 재생에너지와 연계한 SOFC, SOEC 에너지 순환]

출처: ©29기 조해나 Chat GPT 생성

SOFC의 가능성과 앞으로의 과제

SOFC는 높은 발전효율과 다양한 연료 활용 가능성, 고온의 열을 활용할 수 있다는 장점을 바탕으로 차세대 발전용 연료전지 가운데 하나로 주목받고 있다. 그러나 이러한 장점의 바탕이 되는 높은 작동온도는 동시에 소재 열화와 열적 스트레스, 긴 기동시간과 비용 등의 문제를 발생시킨다. 이에 최근에는 작동온도를 낮추면서도 기존의 성능을 유지하기 위한 중저온 SOFC 기술 개발이 중요한 연구 방향으로 자리 잡고 있다. SOFC의 발전은 단순히 작동온도를 낮추는 데에서 그치지 않는다. 같은 고체 산화물 기술을 이용해 수소를 생산하는 SOEC와의 연계는 연료전지의 역할을 발전에서 에너지 변환과 저장의 영역으로 확장한다. SOFC가 연료를 이용해 전기를 생산한다면 SOEC는 전기를 이용해 수소를 생산하고, 두 기능을 가역적으로 활용한다면 전력과 수소 사이를 오가는 에너지 시스템을 구성할 가능성도 있다. 

앞으로 해결해야 할 과제도 분명하다. 중저온에서도 충분한 성능을 낼 수 있는 소재 개발과 장기간 운전에도 성능을 유지할 수 있는 내구성 확보, 시스템 비용 절감 등이 필요하다. SOEC 역시 장기 운전에 따른 열화를 줄이고 높은 수전해 성능을 안정적으로 유지하는 기술이 뒷받침되어야 한다. 결국 SOFC의 미래를 결정하는 것은 단순히 얼마나 높은 성능을 낼 수 있는지가 아니다. 얼마나 낮은 온도에서, 얼마나 오랫동안, 얼마나 경제적으로 성능을 유지할 수 있는가가 실제 활용 확대의 중요한 조건이 될 것이다. 여기에 SOEC와의 연계까지 발전한다면 고체산화물 셀은 전기를 생산하는 연료전지를 넘어 수소 생산과 에너지 저장을 연결하는 기술로 역할을 넓힐 수 있다.

수소로 전기를 만드는 SOFC에서, 전기로 수소를 만드는 SOEC까지, 고체산화물 기술이 가진 양방향성이 미래 에너지 시스템에서 어떤 역할을 하게 될지 지켜볼 필요가 있다.

수소에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "수소 모빌리티를 찾아보기 힘든 이유: 수소의 '진짜' 미래를 묻다", 28기 홍서연, 29기 조성현, https://renewableenergyfollowers.org/journal/?idx=172381155&bmode=view

2. "지구엔 이롭지만 지갑엔 부담: 한국 그린수소의 경제성", 29기 임혜원, https://renewableenergyfollowers.org/renewable-energy/?idx=171810569&bmode=view

참고문헌 

[연료전지에도 종류가 있다, SOFC란?] 

1) 정세영, 전기신문, "63.3% 고효율 수소연료전지 탄생...미코파워, 새로운 역사 기록", 2023.08.30, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=325224

[높은 효율과 연료 유연성, SOFC가 주목받는 이유] 

1) 윤정일, 전기신문, "HD한국조선해양, 핀란드 컨비온 인수...글로벌 수소연료전지 시장 선점 나선다", 2024.08.26, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=342134

2) 정세영, 전기신문, "미코파워, 경기도 유망 에너지기업 지정...청정E 경쟁력 입증", 2024.07.02, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=341383  

[높은 작동온도를 낮춰라, 중저온 SOFC의 등장] 

1) 박상우, 월간수소경제, "최적 그린수소 테스트베드 제주', 문제가 만든 새로운 기회", 2024.06.07, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=12504

2) 성재경, 월간수소경제, "세라믹 기반 SOFC 제조사, 미코파워", 2023.07.31, https://www.h2news.kr/news/articleView.html?idxno=11151

3) 윤재현, 전기신문, "재생에너지-수소 융합, 탄소중립 실현 열쇠", 2026.09.13, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=353874

4) 윤재현, 전기신문, "포스텍, 반도체 공정으로 고체 산화물 수전해 전지(SOEC) 효율 향상", 2023.09.23, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=326420

5) 정세영, 전기신문, "63.3% 고효율 수소연료전지 탄생...미코파워, 새로운 역사 기론", 2023.08.30, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=325224

6) 정세영, 전기신문, "미코파워, 고효율 SOEC 개발 국책과제 착수...그린수소 생산 앞장", 2024.10.02, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=342947

7) 한상원, 가스신문, "[인터뷰] (주) 케이세라셀 임경태 대표이사 'SOEC시장 활성화는 소재부품 기술력 중요'", 2025.03.19, https://www.gasnews.com/news/articleView.html?idxno=119411

[SOFC의 가능성과 앞으로의 과제] 

1) 윤정일, 전기신문, "HD한국조선해양, 핀란드 컨비온 인수...글로벌 수소연료전지 시장 선점 나선다", 2024.08.26, https://www.electimes.com/news/articleView.html?idxno=342134