세계 최고 효율의 SOFC 연료 전지 개발

[미래환웅]

일본 가이시 주식회사는 독자적인 구조의 고체 산화물형 연료 전지(SOFC)를 개발, 세계 최고 수준인 63%의 발전 효율(LHV)과 90%가 높은 연료 이용율을 달성했다. 향후, 연료 전지의 보급이 기대되는 사업소나 가정에서의 실용화를 목표로 한층 더 고성능의 SOFC의 개발을 진행시켜 나갈 예정이다.

일본 가이시는 오랜 세월 축적해 온 고도의 세라믹 기술을 구사해 독자적인 구조의 SOFC 셀과 스택을 개발, 출력 700W, 작동 온도 800℃의 세계 최고 수준인 63%의 발전 효율(LHV)과 90%의 높은 연료 이용율을 달성했다. 주된 특징은 다음과 같다.

셀의 지지체인 연료극의 전면에 전해질(산화 지르코늄) 박막(두께 5마이크로미터)을 형성해 저항을 낮추고, 셀의 양면에 공기극을 형성해 큰 발전 면적을 확보하는 것으로 고출력을 실현했다.

셀의 내부에 연료 가스를 공급하는 공간(유로)을 형성해 연료 가스가 셀 전체에 균일하게 널리 퍼지도록 고정밀도로 최적화했다. 이 셀을 수십 개 적층한 스택으로 발전 시험을 실시한 결과, 90% 이상의 높은 연료 이용율로 63%라는 높은 발전 효율을 달성했다.

평판 원통형 셀로서는 세계에서 가장 얇은 1.5mm의 두께를 실현, 셀의 내부에 연료 가스의 유로를 내장하고 있기 때문에, 일반적인 평판형 셀에서는 필요한 연료 가스와 공기를 차폐하기 위한 부품이 불필요해져 소형화와 저비용화를 가능하게 했다.

현재, 이 SOFC 스택을 일본 내 대기업 석유회사에 제공해, 발전 성능 평가를 실시하고 있다. 향후, SOFC 셀의 보다 고성능화를 진행시키는 것과 동시에 편의점이나 쇼핑센터 등 사업소나 가정에서의 실용화를 목표로 타사와의 기술 제휴나 공동 개발 등도 시야에 넣고 개발을 진행시켜 나갈 방침이다.

* SOFC
고체 산화물형 연료 전지(Solid　Oxide　Fuel　Cells)의 약자로 수소와 산소로부터 발전하는 연료 전지의 일종이다. 전해질이나 전극이 세라믹스로 구성되어 가정용으로서 제품화되어 있는 고체 고분자형 연료 전지(PEFC)에 비해 고온(600~1,000℃)에서 작동한다. 배열을 코제네레이션(cogeneration : 열전병급)뿐만 아니라, PEFC에서는 별도 열원이 필요한 개질(연료로부터 수소를 만드는 반응)에도 이용할 수 있기 때문에 에너지 이용 효율이 높다. 차세대의 연료 전지로서 수년 내의 실용화가 기대되고 있다.

* 셀과 스택　
연료 전지의 단위 발전 부품인 셀을 여러개 전기적으로 직렬로 접속한 발전 소자가 스택이다. 셀의 전압은 약 1볼트로 낮기 때문에, 필요한 전압으로 올리기 위해 다수의 셀을 접속해 사용한다.

*LHV　
저위 발열량 기준(Lower　Heating　Value)의 약자. 연료 가스가 완전하게 연소했을 때의 발열량으로 수증기의 응축 잠열을 뺀 값

* 연료 이용율　
SOFC 스택에 공급한 연료량 가운데, 실제 발전 반응에 이용된 연료량의 비율