[월간수소경제 성재경 기자] 안성에 있는 미코파워를 찾았다. ‘큰바람 공장’이라는 별칭이 붙은 곳으로 지난 2019년에 준공됐다. 국내 최초로 연간 2MW 규모의 SOFC(고체산화물 연료전지) 셀, 스택, 시스템 양산설비를 갖춘 곳이다. 

세계적으로 SOFC의 핵심인 단전지·스택 제조 기술을 보유한 업체는 손에 꼽는다. 미국의 블룸에너지, 일본의 교세라, 영국의 세레스파워, 이탈리아 솔리드파워 등 해외 기업이 주도하는 3세대 연료전지 시장에 국내 기업으로는 미코파워가 유일하게 이름을 올리고 있다. 

미코파워는 지난 6월 8kW SOFC TUCY(투시) 제품으로 KGS(한국가스안전공사) 설계단계검사에서 발전효율 57.78%(종합효율 98.52%)를 달성했다. 이는 국내 최고 효율로 미코파워의 SOFC 기술력이 상당한 수준에 이르렀음을 의미한다. 또 스택에서 나오는 오프가스를 재순환시켜 연료 효율을 높인 신제품 개발을 병행하고 있다. 

“미코파워는 세라믹 소재부터 분리판, 스택, 시스템 등 SOFC의 핵심 기술을 토대로 일괄 양산체계를 갖추고 있죠. 외산 스택을 써서 시스템 사업만 해서는 한계가 있어요. 스택에 대한 로열티로 국고가 빠져나가는 점도 우려가 되는 점이죠. 그래서 어깨가 무겁습니다. 2kW, 8kW TUCY 제품을 중심으로 건물용 연료전지 시장에 우선 집중하면서 내년에 시작되는 CHPS(청정수소발전의무화제도)에 대응하기 위한 발전용 시스템 개발에 나선다는 목표를 세워두고 있죠.”

미코파워 시스템개발팀을 이끌고 있는, 기업부설연구소 이신구 부소장의 말이다. 

공장 뒤편에 있는 쇼룸으로 향한다. ‘NC(New Challenger)’라는 이름이 붙은 쇼룸에 2kW, 8kW를 조합한 100kW의 연료전지를 설치해서 운전하고 있다. 여기서 나온 전기는 연구소와 사무실, 공장의 생산라인에서 쓰고 있다. 

 

“오랜 시간 실제로 운전을 하면서 관련 데이터를 확보해야 합니다. 2kW, 8kW 스택의 기본기가 좋아야 이를 25kW로 확장했을 때도 충분한 성능을 내게 되죠.”  

미코파워는 발전용 연료전지 시장에 대응하기 위해 25kW 스택 6개를 하나로 묶은 150kW 제품을 시장에 내놓을 계획이다. 2025년부터 150kW 제품의 시범 생산에 나서 2026년에는 양산을 시작하겠다는 것이다. 

“신재생에너지 설비를 판매하려면 KS 인증을 받아야 해요. 현재 이 제품으로 KS 인증을 받고 있으며, 아울러 성능을 개량한 8kW 신규 모델의 KGS 인증을 진행하고 있죠. SOFC 연료전지 시장에서는 발전효율 60%를 넘느냐가 정말 중요해요. 이번에 성능 테스트 결과가 어떻게 나올지 모르겠지만, 그동안 열심히 한 만큼 이번 인증에 거는 기대감이 큽니다.”

고온에서 이뤄지는 화학반응으로 전기를 생산하는 SOFC는 매우 어려운 기술이다. 대신 효율이 높아서 시장에서 가장 선호하는 기술이기도 하다. 기술력이 중요한 만큼 회사 경영진보다는 직접 제품 개발에 참여하고 있는 담당 팀장에게 이야기를 들어보고 싶었다. 기업부설연구소를 찾아 이신구 부소장과 나눈 대화를 그대로 옮겨본다.

 

 

주력 모델인 8kW 투시가 57.78%로 발전효율에서 국내 최고 기록을 경신했다. 추가로 60%가 넘는 고효율 모델을 개발 중이라고 들었다.
‘고효율’이라는 표현이 그렇긴 하지만, 효율이 높은 신규 모델을 개발하게 된 배경이 있다. 연료전지의 특성상 외부에서 도시가스(천연가스) 연료가 공급된다. 도시가스를 사용해 전기를 생산하는 발전기의 일종인 연료전지가 운영 타당성을 확보하기 위한 방안은 두 가지다. 연료를 싸게 공급받거나, 시스템 효율을 높여 전력 생산에 드는 연료 소모량을 줄이는 것이다. 

운영비를 낮추는 방안으로는 후자가 현실적이다. 사실상 모든 업체가 고효율 모델 개발에 매달리고 있다고 볼 수 있다. 

현재는 건물용 연료전지 시장을 주력으로 보고 있지만, 내년에 CHPS가 시행되면 발전용 연료전지 시장에 진입할 수 있는 기반이 마련된다. 발전 시장에 진입하려면 세계 일류 모델과 경쟁을 할 수 있어야 한다. 그러자면 초기 효율이 최소 60% 이상은 돼야 한다. 

고효율 모델에는 통상 AOGR(Anode Off-Gas Recycling) 기술이 적용된다. AOGR은 공정상에서 나오는 오프가스를 재순환시키는 기술을 말한다. 공급된 연료는 운전모드에 따라 스택에서 약 70~80% 정도가 사용되는데, 이 중 일부를 재순환시켜 연료전지 스택에 재공급할 수 있다.

AOGR은 현재 발전용 연료전지 시장에 진입한 선진사가 모두 채택하고 있는 방식이다. 수증기 개질 반응을 위한 스팀 생산에 재사용하거나 추가 공급에 필요한 연료 사용량을 줄이는 방식으로 시스템 효율을 높이게 된다. 

 
발전효율 60%를 달성하면 블룸에너지, 교세라 같은 글로벌 기업 수준의 경쟁력을 갖추게 된다. 제품 개발에 기술적인 어려움은 없는지 궁금하다.
동일한 연료를 써서 발전효율을 60% 이상 달성하기 위해서는 뛰어난 성능의 스택 확보가 꼭 필요하다. 현재 국내에서 유일하게 SOFC 셀, 스택, 시스템을 자체 제작해서 상용화한 국내 기업은 미코파워가 유일하다. 이곳 안성의 제조공장은 연간 1MW의 연료전지 스택 생산이 가능하다. 그동안 단전지, 스택의 불량률을 줄이기 위한 공정개선 연구를 지속해왔고 지금도 그 노력을 이어가고 있다.

 

세계 유수 기업과 비교하기는 그렇지만, 제한된 인적·물적 자원을 기반으로 고효율 제품을 개발하는 과정이 순탄치 않은 것만은 사실이다. 특히 연료재순환 모델을 적용하기 위한 고온 재순환 블로어 기술 확보가 난관이었다. 연료전지 스택에서 전기화학 반응을 하고 남은 연료를 재순환하기 위한 송풍기가 꼭 필요한데, 연료 온도가 750℃ 정도로 매우 높아 기술 적용을 위한 방안을 내고 수많은 테스트를 통해 최적의 기계적 구성, 제어 방안을 찾는 과정이 어려웠다. 

많은 시행착오를 통해 지금의 AOGR 모델 운영이 가능해졌다. 기술적으로 고효율 모델 적용이 가능하다는 점을 인증을 통해 이미 확인했고, 이제는 고효율 모델의 내구성을 확보하는 방안이 숙제로 남아 있다. 장기 운전 시험을 통해 해당 모델의 기술적 이슈를 해결해 나갈 계획이다.  

 

 

연료극지지형 셀 기반 SOFC 스태킹 기술 

미코파워는 지난 2008년부터 SOFC 소재, 단전지 제조기술 개발을 시작했다. 2011년에 SOFC 단전지 제조기술, 2015년에 평판형 SOFC 스택(모델명 큐브파워) 제조기술을 확보했다.

SOFC 평판형 셀은 크게 연료극지지형 셀(ASC)과 전해질지지형 셀(ESC)로 나눌 수 있다. 미코파워의 셀은 연료극지지형으로 초록색 부분이 음극, 그 위에 칠판처럼 검게 보이는 부분이 양극에 해당한다. 

셀 하나의 크기는 가로세로 12cm로, 수십 장을 세로로 겹쳐 쌓아 2kW급 TUCY 제품을 만든다. 

 

미코파워는 2020년 9월에 산업부로부터 NEP(신제품 인증, 2kW)를 획득했고, 2021년 12월에는 혁신 기업 국가대표 1000 선정, 2022년 5월에는 수소전문기업에 선정됐다. 

발전용 연료전지 시장 진출을 위해 150kW급 모듈인 TUCY 150Q(가칭)를 개발 중에 있으며, 발전효율을 60% 이상으로 높여 분산발전 시장에 진입하는 청사진을 제시하고 있다.

 
국내 최고 효율 인증은 큰 의미가 있다. 타사 제품과 차별화된 미코파워만의 경쟁력은 무엇이라고 생각하나? 
국내 최고 효율 달성을 계기로 발전용 연료전지 시장의 주도권을 쥐고 있는 블룸에너지와 본격 기술 경쟁이 가능해졌다고 본다. 그렇게 보는 이유는 미코파워가 스택의 핵심 제조 기술을 보유하고 있기 때문이다. 해당 스택은 지난 2008년부터 시작해 약 15년이라는 개발 기간을 거쳐 연료전지 시스템에 적용됐다. 자체 개발한 스택을 적용한 만큼 시스템의 기술적인 업그레이드가 가능하다. 초도 개발한 제품의 반복 시운전을 통해 연료전지 스택의 영향을 지속적으로 모니터링하면서 확보한 데이터야말로 미코파워의 가장 큰 자산이다. 

 

다양한 이슈 발생 시 시운전 종료 후에 시스템과 스택의 분해·분석 과정인 시스템 신뢰성 개선 프로세스를 통해 그 원인을 규명하게 된다. 여기서 나온 문제점을 개선해서 제품 업그레이드에 반영하게 된다. 외산 스택을 도입해서 쓰는 제조사의 경우 이런 분해·분석이 매우 제한적일 수밖에 없다. 정확한 원인 규명 없이 시스템 자체만으로 모든 이슈를 파악하기에는 한계가 있다. 

연료전지는 지속 운전을 통해 시스템 효율을 개선하고 장기 내구성을 확보하는 것이 매우 중요하다. 미코파워는 이 과정을 착실히 밟아가고 있다. AOGR을 적용한 SOFC 제품은 연료를 절감할 수 있어 운전 타당성을 확보하는 데 유리하다. 분산전원 시장에서 SOFC 모델 확장에 기여할 것으로 본다. 

 

최근 수소생산과 관련해 SOEC 기술이 주목받고 있다. SOEC는 SOFC와 기술 기반의 궤를 같이 한다. 여기에 대한 대응 전략이 궁금하다.
저온형 PEM 수전해와 달리 SOEC(고체산화물 전해전지)는 현재 사용하는 SOFC 스택을 그대로 사용할 수 있는 이점이 있다. SOFC 스택의 성능이 SOEC의 성능을 결정한다고 봐도 무방하다. 최근 당사의 2kW 스택을 활용해 SOEC 모드로 운전을 실시했고 스택 자체의 수소 생산성이 타 경쟁사와 기술적으로 경쟁 가능한 수준임을 확인했다. 

내년까지 100kW급 SOEC 시스템 개발을 통해 운전 안정성, 수소 생산성 등을 분석하고 개선해서 2025년까지 메가와트(MW)급 진입이 가능한 600kW급 SOEC 시스템을 개발한다는 목표로 기술개발을 진행 중이다.

 
재생에너지와 연계한 스마트그리드, 가상발전소(VPP)를 통한 분산에너지 시장이 커질 전망이다. 분산전원으로서 SOFC의 장점을 어떻게 보고 있나?
분산에너지 시대에 가장 적합한 기술이 연료전지다. 당사의 SOC(Solid Oxide Cells) 비전에 따르면 비즈니스 모델을 세 가지로 나눠 소개하고 있다. 

그 첫 번째 모델은 150kW SOFC 시스템 개발이다. 연료 다변화 요구에 맞춰 도시가스, 수소, 암모니아를 연료로 하는 모델을 개발 중이다. 발전된 전력은 데이터센터, 비상전원, 에너지 슈퍼스테이션 등에 적용할 수 있다. 

 

두 번째 모델은 건물용 연료전지 시장과 관련이 있다. 이 시장이 지속해서 성장하려면 2kW, 8kW, 150kW 발전을 통해 생산한 전기뿐 아니라 열을 함께 공급해야 한다. 전기와 열을 모두 건물에 활용할 수 있는 연료전지의 장점을 살려가야 한다.

세 번째 모델은 RE100, CF100과 관련이 있다. 재생에너지의 잉여전력으로 당사의 1.2MW급 SOEC 시스템을 활용해 수소를 생산하고, 이를 수소 전용 연료전지에 공급해 발전하는 것이다. 이렇게 생산한 그린수소를 수소충전소에 공급하거나 수소전기차에 바로 충전하는 것도 가능하다. 

아울러 유기성 폐기물을 활용한 바이오가스 플랜트에서 생산된 바이오가스를 연료전지 발전에 활용하는 것도 가능하다. 분산전원을 통해 RE100, CF100 캠페인에 동참하는 기업들이 늘고 있는 만큼 향후 사업 전망을 밝게 보고 있다.  

 
평택시, 경동나비엔과 업무협약을 맺고 연료전지의 폐열 활용 기술을 개발 중인 것으로 알고 있다. 어떤 개념인지 들어보고 싶다.
하절기에 가동되는 연료전지의 열 활용도를 높이기 위한 고민에서 출발한 프로젝트다. 청정, 제습, 냉방 기능을 모두 갖춘 경동나비엔의 올인원 청정냉방시스템에 연료전지에서 회수한 70℃ 정도의 온수를 공급하고, 제습로터에서 습기를 제거한 후에 나오는 55℃ 정도의 온수를 다시 연료전지 시스템에 공급해 열을 회수하게 된다. 

미코파워의 연료전지에서 나온 열을 경동나비엔의 청정냉방시스템에 공급하는 순환 구조를 만들게 된다. 현재 당사의 8kW 연료전지 시스템과 청정냉방시스템 모사 장치를 구현해 내부 실증을 완료한 상태다. 경동나비엔의 시제품이 출시되어 당사에 제공되면 두 시스템을 동시에 돌리는 실증 운전을 거쳐 운전 타당성, 경제성 등을 도출할 계획이다. 수소도시 조성에 관련 기술을 적용할 수 있을 것으로 보고 있다.

 
수전해와 연계한 SOEC 기술개발은 어떻게 진행되고 있나?
앞서 말했듯이 SOEC 기술개발은 2.5kW 스택 단위에서 내부 실증을 통해 수소 생산성, 스택 안정성 등을 검증한 후 자체 설계 기술을 적용해 10kW급 SOEC 시스템을 구현하게 된다. 이를 통해 시스템의 설계 타당성을 검증·개선하고 발전용 연료전지에 단위 유닛으로 사용될 25kW급 핫모듈 개발에 맞춰 100kW SOEC 시스템을 구현할 방침이다. 

발전용 SOFC는 25kW가 기본 단위, 수소생산을 위한 SOEC는 100kW가 기본 단위라고 보면 된다. 100kW급으로 장기 내구성, 수소 생산성 등을 실증한 후 메가와트급 시장 진입이 가능한 600kW급 SOEC 시스템을 개발할 계획이다.