- 에너지연, 고체산화물 연료전지의 원자재 채취부터 생산까지 전주기 환경영향 평가 수행

- 18개 환경영향 지표 중 지구산성화, 해양 부영양화, 인체발암 독성에서 영향력 확인

- 환경공학 분야 국제 저명 학술지 ‘저널 오브 인바이러먼털 케미컬 엔지니어링’(Journal of Environmental Chemical Engineering‘, IF 7.4) 2월호 게재

■ 한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 ‘에너지연’) 울산차세대전지연구개발센터 강성민 박사 연구진이 고체산화물 연료전지의 전주기 환경영향을 정량적으로 분석하고 친환경 제작을 위한 기준 데이터를 제시했다.

* 환경영향 : 어떤 활동이나 제품, 기술 등이 자연환경에 미치는 모든 영향. 지구온난화, 지구산성화, 생태독성, 인체 발암 독성, 해양 부영양화 등 여러 종류의 환경영향이 지수 형태로 표준화되어 있음

□ 고체산화물 연료전지는 수소와 산소의 반응을 통해 전기를 생산하는 장치로 발전 과정에서 탄소를 배출하지 않는 친환경 기술이다. 하지만 전지 생산 과정 중 토양 산성화 등을 유발하는 물질이 배출될 수 있어 궁극적인 친환경과 성공적인 산업화를 위해서는 전주기의 환경영향을 정확하게 평가하는 기준이 필요하다.

□ 그러나 유럽 등 일부 지역에서 환경영향을 어떤 방식으로 실시해야 한다는 가이드라인 정도만 제공되고 있을 뿐 명확한 평가 기준과 규제가 마련되지 않았다. 또 상용화를 추진하는 기업으로서도 기준이 되는 데이터가 없어 개발한 제품의 환경적 장점을 강조할 수 없는 상황이다.

■ 이에 연구진은 최근 활발히 연구되고 있는 고체산화물 연료전지를 대상으로 원자재 채취부터 제작까지 전 과정에서 발생하는 환경영향을 분석해 문제가 되는 소재의 배출량을 정량화하는 데 성공했다.

□ 고체산화물 연료전지는 연료전지의 셀을 지탱하고 안정성을 제공하는 지지체^* 종류에 따라 크게 연료극지지형, 전해질지지형, 금속지지형으로 분류된다. 연구진은 1킬로와트(kW)의 출력 조건을 가진 세 분류의 연료전지를 단위 전지, 단위 전지를 묶은 스택 단위로 구분해 각각의 환경영향을 분석했다.

* 지지체 : 연료전지의 셀의 구조를 물리적으로 지탱하고 열 및 압력 변화에 대한 안정성 제공 등의 역할을 함. 지지체의 종류에 따라 제작 에너지 소모 및 재활용성 등이 달라짐

□ 지구온난화, 오존 형성 등 환경영향 핵심 지표 18개를 평가한 결과, 고체산화물 연료전지 생산 시 대부분의 지표는 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. 반면 지구산성화와 해양 부영양화, 인체 발암 독성의 3개 지표에서는 상당히 부정적인 영향을 미치는 것으로 분석됐다.

□ 연구진은 이 결과^*가 각 연료전지의 핵심 소재인 니켈, 이트리아 안정화 지르코니아, 스테인리스 스틸 사용에 기반한다고 밝혔다. 특히 현행과 같이 별도의 규제가 없는 경우 고체산화물 연료전지의 전면 상용화 시 대량 생산으로 인한 환경 문제가 야기될 것으로 전망했다.

* 환경영향 분석 결과

- (1kW급 연료극지지형 스택) 토양산성화 가능성 높음. 핵심 소재인 니켈로 인한 산성화지수는 약 0.998kgSO2-eq로 확인(전해질지지형보다 37.75배, 금속지지형보다 75.5배 높은 수치)

- (1kW급 전해질지지형 스택) 해수 부영양화 가능성 높음. 핵심 소재인 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)로 인한 부영양화 지수는 약 50.94gN-eq로 확인(연료극지지형의 32배, 금속지지형보다 647배 높은 수치)

- (1kW급 금속지지형 스택) 인체 발암독성 가능성 높음. 핵심 소재인 스테인리스 스틸(STS)로 인한 발암독성 지수는 약 5.70kg1,4-DCB-eq로 확인(연료극지지형의 3.3배, 전해질지지형보다 14.6배 높은 수치)

□ 이와 같은 환경영향을 최소화하기 위해 연구진은 니켈 생산 시 황산을 이용하지 않는 건식 야금공법, 스테인리스 스틸 생산 시 크롬을 회수하는 바이오 침출 공정 등 보다 친환경적인 핵심 소재 제작 기술을 제안했다.

■ 연구 책임자인 강성민 박사는 “이번 연구는 그간 고려되지 않은 고체산화물 연료전지 생산의 환경영향을 정량적으로 파악해 미래 친환경 연료전지 상용화를 위한 환경 기준을 제시한 것”이라며, “정부 차원에서는 환경영향을 고려한 규제를, 기업 차원에서는 핵심 소재에 따른 환경영향을 파악하고 대안을 찾는 설계가 가능해져 궁극적인 탄소중립과 수소경제 실현에 큰 역할을 할 것으로 전망된다”고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구는 산업통상자원부 가상공학플랫폼구축사업의 지원을 받아 수행됐으며, 저명한 환경공학 분야 국제 학술지인 ‘저널 오브 인바이러먼털 케미컬 엔지니어링’(Journal of Environmental Chemical Engineering‘, IF 7.4) 2월호에 게재됐다.