고효율 마이크로 연료전지모듈 개발에 성공

[윈드로즈]

고효율 마이크로 연료전지모듈 개발에 성공

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-02-12

- 고출력 소형 고체산화물형 연료전지 시스템을 실현 -

일본 산업기술종합연구소(AIST; Advanced Industrial Science and Tchnology) 선진제조프로세스연구부문 기능모듈화연구그룹 아와노(淡野)연구회위원장과 스즈끼(鈴木)연구원은 일본특수요업주식회사의 협력 하에 450~550℃에서 저온작동이 가능한 소형 튜브타입 고체산화물형 연료전지(SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)를 이용한 마이크로 연료전지 모듈의 개발에 성공하였다. 이 모듈은 밀리미터에서 서브밀리미터 직경의 소형 튜브형 SOFC를 이용한 것으로 550℃ 이하의 저온영역에서도 2W/㎤ 발전전력밀도를 가진 1㎤ 클래스의 마이크로 연료전지모듈이다.

연료전지는 연료와 산소의 화학반응을 이용하여 직접 전기에너지를 만들어낼 수 있으며, CO2를 배출하지 않고, 높은 에너지 변환효율을 가지기 때문에 차세대 청정에너지원으로서 실용화를 위한 연구개발이 활발하게 이뤄지고 있다. 연료전지는 구성재료에 따라 고체고분자형(PEFC; Polymer Electrolyte Fuel Cell), 용융 탄산염형(MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell), 인산형(PAFC; Phosphoric Acid Fu el Cell), 고체산화물형(SOFC) 등으로 분류된다. 그 중에서 PEFC는 작동온도가 100℃로 저온이기 때문에 가정용 및 자동차용 연료전지로서 실용화 단계에까지 진행되었다.

한편 SOFC는 가장 높은 발전효율이 가지고 있으며, 모든 고체재료로 구성할 수 있기 때문에 신뢰성이 높고 취급이 용이하며, 탄화수소계 연료의 사용도 가능한 뛰어난 장점을 가지고 있는 것으로, 동작온도가 800~900℃로 고온이기 때문에 종래에 그 용도는 대형발전설비 등에 한정되어 있었다.

그러나 에너지 변환효율이 높고, 다양한 연료를 사용할 수 있는 큰 이점이 있기 때문에 가정용 분산전원, 이동 전자기기용 전원, 자동차 보조전원(APU; auxiliary power unit) 등에도 이용할 수 있도록 작동온도가 500~700℃에서 급속 기동, 정지운전이 가능한 고성능 SOFC의 실현이 강하게 요구되고 있다.

산업기술종합기술연구소는 일본특수요업의 협력 하에 세라믹 리엑터로서 기능하는 서브 밀리미터경의 고성능 튜브형 SOFC를 이용한 저부하형 마이크로 SOFC모듈 개발에 성공하였다. 이것은 마이크로 SOFC 번들(bundle) 내부구조 및 배열을 최적화함으로써 공기공급동력의 최소화와 열균형의 제어를 용이하게 하는 구조로 자연확산에 따른 공기의 공급을 통해 높은 성능을 발휘하는 모듈이다. 연료는 매니폴드에서 스택에 공급되고, 공기는 모듈면 내를 흘러, 자연확산으로 스택 내로 공급된다.

사용한 튜브형 마이크로셀은 직경 0.8mm의 튜브모양이며, 전해질 재료로 세리아(ceria)계 세라믹, 연료측의 전극재료에 니켈-세리아계 세라믹, 공기측 전극재료에 란탄(lanthanum) 코발트?세리아계 세라믹을 사용하고 있다. 이 마이크로 튜브셀을 란탄 코발트계 세라믹으로 제작한 다공질구조체 속에 집적하여 마이크로 번들로 하였다.

이 스택의 중량은 불과 2g 정도이고, 무게 당 발전전력 출력도 우수한 성능을 보여주었다. 본 개발 마이크로 SOFC 모듈을 사용하면 필요한 전력에 따라 모듈을 적층함으로써 수십 W 클래스까지 시스템구축이 가능하게 될 것으로 생각되므로 소형전자기기 등의 휴대용 전원에서의 응용이 기대된다.

(그림 1) 신개발 마이크로 SOFC모듈
(그림 2) 마이크로 SOFC스택(0.6㎤)
(그림 3) 마이크로 SOFC모듈의 성능시험 결과

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http://www.aist.go.jp/