▲ 국내 최초로 브레이징 밀봉기술 적용해 개발한 1kW SOFC 스택.(사진=에너지연)

[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 국내 최초로 브레이징 밀봉기술이 적용된 1kW급 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택을 제작하는 데 성공했다.

분리판은 세라믹 단위전지를 감싸고 있는 금속 셀프레임과 밀봉재를 통해 접합된다. 밀봉재는 가스 누출을 비롯해 산소와 수소의 혼합을 막고, 충격을 완화하는 완충제 역할을 겸하고 있다. 

따라서 밀봉효과를 높이기 위해 내외부 압력차를 견디고 운전 중 발생하는 열적, 기계적 응력을 완화시키는 탄성이 필요하다.

연구진은 두 개의 재료를 용융점이 비교적 낮은 합금을 사이에 놓고 가열해 접합하는 브레이징(Brazing) 기술을 적용, 유리밀봉재를 최소화한 스택 모듈 설계로 안정성과 출력 성능을 높이는 스택 제조기술을 개발했다.

건물과 발전용 연료전지 핵심부품인 고온형 연료전지 스택은 700℃ 이상의 온도에서 수소와 산소가 분리되어 각각 음극과 양극에 공급되므로 밀봉기술이 매우 중요하다. 

기존에는 유리밀봉재를 사용했으나 반복되는 가열, 냉각 조건에서 열충격으로 누설이 발생하는 문제가 있었다. 

연구진은 특히 단전지가 안착되는 셀프레임과 분리판 사이의 수소가 쉽게 혼입될 수 있는 밀봉부위에 브레이징 기술을 적용해 반복된 운전 조건에도 안정적인 성능의 연료전지 스택을 구현했다.

▲ 브레이징 밀봉재를 적용한 SOFC 셀의 내부 구조.(사진=에너지연)

특히 출력성능이 우수한 음극지지형 단전지를 이용한 스택 개발에서 브레이징 기술의 적용은 금속필러의 전도성 때문에 절연구조를 확보하는 것이 매우 중요하다.

개발된 스택은 분리판 내부 모서리에 절연성 세라믹을 삽입, 양극과 연결된 분리판과 음극의 통전을 방지했다. 또한 단위전지, 분리판, 집전체, 밀봉재를 하나의 일체화된 모듈로 구성해 생산효율을 높인 것이 특징이다.

개발된 분리판-단전지 모듈은 적층하기 전에 브레이징 밀봉 부위의 모듈 단위 누설을 확인할 수 있어 스택의 신뢰성을 높일 뿐만 아니라, 모듈화된 부품의 자동적층 공정을 적용해 생산속도와 가격경쟁력을 동시에 높일 수 있다.

에너지연에서 개발한 1kW급 스택은 케이세라셀과 공동개발한 국산 단전지와 포스코에서 개발한 국산 금속(Poss460FC) 소재 기술을 이용, 동일브레이징의 금속접합기술로 제작됐다. 

이번 연구를 맡은 유지행 책임연구원은 “도시가스를 사용하는 고온형 연료전지의 핵심부품으로 시스템 가격의 30~40%를 차지하는 스택의 국산화와 가격경쟁력을 높이기 위한 혁신적인 제조공법”이라며 “스택 원천기술 개발을 통해 실용화를 앞당기는 노력을 할 것”이라고 말했다.

연구진은 이 기술에 대한 특허출원을 완료했으며, 이번에 개발한 스택 기술을 건물용 연료전지시스템에 적용하기 위해 범한퓨얼셀, 피엔피에너지텍과 공동연구를 수행하고 있다. 

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