[월간수소경제 편집부] 일본 산업기술종합연구소(이하 산종연)는 신에너지‧산업기술종합개발기구(NEDO)의 사업을 통해 세계 최초로 80mm 크기의 프로톤 도전성(導電性) 세라믹 연료전지(PCFC) 셀 개발에 성공했다.
Smart Japan에 따르면 이번 개발을 통해 연료전지는 이론적으로 75% 이상의 발전효율을 기록할 수 있게 된다. 이는 전체 발전 디바이스 가운데에서도 최고 수준에 해당한다.
연료전지는 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는데, 높은 발전효율을 자랑한다. 특히 세라믹 재료로 구성되는 고체산화물 연료전지(SOFC)는 고온에서 작동하며, 연료전지 중에서도 가장 발전효율이 좋다.
기존 SOFC의 경우 산화물 이온 도전체의 안정화를 위해 고체전해질층의 소재로 지르코니아를 이용해 왔다. 그러나 최근 들어 선택적 투과 세라믹스막으로 대체하면서 이론적으로 발전효율이 대폭 상승했다는 사실이 보고되면서, 전해질층에 프로톤 도전성 세라믹스를 적용한 프로톤 도전성 세라믹 연료전지(PCFC) 개발에 대한 기대가 높아졌다.
다만 이를 실현하기 위해서는 몇 가지 문제를 해결할 필요가 있었다. 우선 가로세로 50mm 이상의 실용 사이즈에 적용 가능한 소결기술이 아직 개발되지 않았으며, PCFC에 이용되는 프로톤 도전성 세라믹스는 전자 리크에 의해 전압효율이 낮아지는 경우가 있었다.
이를 해결하기 위해 산종연은 NEDO의 위탁사업으로 파나소닉, 노리타케, 도호쿠대학, 미야자키대학, 요코하마국립대학, 파인세라믹스센터와의 연계 연구를 통해 세계 최초로 실용 사이즈의 PCFC 제작에 성공했다.
프로톤 도전성 세라믹스를 소결하기 위해서는 1,700℃ 이상의 고온 소성이 필요하다. 또한 실용 사이즈의 PCFC 셀 제작 기술이 아직 개발되어 있지 않아 양산 공정에 적용 가능한 소결 기술 개발이 요구되었다.
이번 연구에서 소결 거동에 대해 자세한 분석을 진행한 결과, 소결조제(sintering aid)를 포함한 연료극지지체(연료극의 기계적 강도를 유지하기 위한 재료)와 박층전해질을 같이 소결할 경우 1,500℃에서도 100%의 소결률을 보이며 가스 리크 없이 치밀한 전해질층을 얻을 수 있다는 사실을 발견했다.
또한 연료전지에 적용 가능한 이온 도전률을 갖춘 프로톤 도전성 세라믹스로는 Ba계 페로브스카이트가 잘 알려져 있는데, CO2에 대한 화학안정성을 고려하면 그중에서도 BaZrO3계 구성의 재료를 선택할 필요가 있다.
이번 연구에서는 연료극에 BaZrO3계 재료의 박층전해질을, 공기극에 높은 프로톤 도전성을 가진 전자 리크 블록 박층을 적층화하는 방법을 고안함으로써 CO2 내구성과 전자 리크 억제를 모두 잡는 데 성공했다.
또한 산종연은 이번에 평가용으로 제작한 50mm 평판형 PCFC를 이용해 발전 특성의 실증 실험을 진행했다. 취득한 데이터는 에너팜 등에 사용 가능한 CO2 내구성을 갖춘 PCFC로서는 실용 사이즈의 단일 셀 가운데 최초의 실증 데이터였다.
기존 실용 사이즈의 SOFC의 경우 발전특성이 700~750℃이며 0.85V에서 작동하고 전류밀도가 0.2~0.3A/cm2 수준이다. 이에 비해 이번에 개발한 PCFC 발전 셀은 100℃ 더 낮은 600℃에서도 0.85V의 작동 조건과 0.3A/cm2의 전류밀도를 기록해 기존의 SOFC보다 발전 특성이 더 뛰어난 것으로 나타났다.
앞으로 산종연은 연계 연구에 한층 더 박차를 가해 초고효율 PCFC의 실증을 추진하고, 차세대 분산전원으로서 활용 가능한 초고효율 연료전지를 개발할 계획이다.