- 국내에서 처음으로 브레이징 밀봉기술을 적용해 연료전지 효율과 안정성 잡았다.

- 국산 단전지 및 분리판 소재를 이용해 연료전지용 핵심 기술 확보

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 국내 최초로 브레이징 밀봉기술이 적용된 1kW급 고온연료전지 스택을 제작하는데 성공했다.

◯ 일반적으로 제3세대 연료전지라 불리는 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)는 600～1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로서, 도시가스를 사용하는 연료전지 중 가장 효율이 높고 연료 개질기가 단순해 시스템 수명이 늘어나며, 복합발전이 가능하다는 장점이 있다.

◯ 연료전지 스택은 자동차의 엔진과 같은 핵심 부품으로서, 연료극-전해질-공기극으로 구성된 단위전지, 금속분리판, 밀봉재 등으로 이루어진 기본부품이 반복적으로 적층된 형태이다. 전극(연료극, 공기극)에서의 전기화학 반응을 통해 전류를 발생시키는 단위전지 및 이들 단위전지 사이에 위치해 음극과 양극에 각각 수소와 산소를 공급하는 동시에 단위전지 사이를 전기적으로 연결하는 분리판 기술은 매우 중요하다.

□ 분리판은 세라믹 단위전지를 감싸고 있는 금속 셀프레임과 밀봉재를 통해 접합된다. 밀봉재는 산소와 수소가 혼합되는 것을 방지하고, 연료가스가 외부로 누출되지 않도록 내외부 공간을 차단한다. 또한 스택을 구성하는데 있어 기계적인 결합체로써의 역할과 충격을 완화하는 완충제의 역할도 동시 수행한다. 따라서 밀봉효과를 높이기 위해 내외부 압력차를 견디고 운전 중 발생하는 열적, 기계적 응력을 완화시킬 수 있을 만큼 탄성을 갖는 것이 유리하다.

■ 연구진은 열과 구조적으로 강건한 브레이징* 기술을 적용해 유리밀봉재를 최소화한 스택모듈 설계를 통해 열충격이나 가열과 냉각의 반복운전에도 수소의 누설이 최소화되어 안정적인 출력성능을 보이는 스택제조 기술을 개발했다.

* 브레이징(Brazing): 두 개의 재료를 비교적 용융점이 낮은 합금을 사이에 놓고 가열하여 접합하는 것

□ 건물과 발전용 연료전지 핵심부품인 고온형 연료전지 스택은 700℃ 이상의 고온에서 수소와 산소가 분리되어 각각 음극과 양극에 공급되어야 하므로 고온 밀봉기술이 매우 중요하다. 기존에는 유리 밀봉재를 사용했으나 반복되는 가열-냉각조건에서 열충격에 의해 누설이 발생하는 문제가 있었다.

□ 연구진은 특히 단전지가 안착되는 셀프레임과 분리판 사이의 수소가 쉽게 혼입될 수 있는 밀봉부위를 브레이징 기술을 적용함으로써 반복된 운전조건에도 안정적인 성능의 연료전지 스택을 구현했다.

□ 특히 출력성능이 우수한 음극지지형 단전지를 이용한 스택개발에 있어서 브레이징 기술 적용은 금속필러의 전도성 때문에 절연구조를 확보하는 것이 중요한데, 개발된 스택은 분리판 내부 모서리에 절연성 세라믹을 삽입해 양극과 연결된 분리판과 음극의 통전을 방지했다. 또한, 단위전지, 분리판, 집전체, 밀봉재를 하나의 일체화된 모듈로 구성함으로써 생산효율을 높인 것이 특징이다.

□ 개발된 분리판-단전지 모듈은 적층하기 이전에 브레이징 밀봉부위의 모듈단위 누설을 확인할 수 있어 스택의 신뢰성을 높일 뿐만 아니라, 모듈화 된 부품의 자동적층 공정을 적용함으로써 생산속도와 가격경쟁력을 동시에 높일 수 있다.

■ 연구원에서 개발한 1kW급 스택은 케이세라셀과 공동개발한 국산 단전지와 포스코에서 개발한 국산 금속소재 기술을 이용해 ㈜동일브레이징의 금속접합기술로 제작됐다. 국내 고온형 연료전지는 대부분 해외 기업에서 수입하는 상황에서 이번에 개발한 국산 소재-부품기술이 적용된 스택개발은 연료전지 소재·부품에 대한 대외 수입의존도를 낮추고 해외기업의 국내시장 진출을 견제할 수 있는 디딤돌이 될 것으로 기대한다.

■ 연구책임자인 유지행 책임연구원은 “개발기술은 도시가스를 사용하는 고온형 연료전지의 핵심 부품으로서 시스템 가격의 30-40%를 차지하는 스택의 국산화와 가격경쟁력을 높이기 위한 혁신적인 제조공법이며, 스택원천기술 개발을 통해 실용화를 앞당기는 노력을 할 것“이라고 밝혔다.

□ 한편, 이번 연구는 산업통상자원부의 소재부품기술개발사업 및 에너지기술개발사업의 일환으로 수행됐으며 기술개발을 통해 특허출원(대한민국, 10-2019-0174819)이 완료됐다. 연구원은 개발된 고온형 연료전지 스택기술을 건물용 연료전지 시스템에 적용하기 위해 ㈜범한퓨얼셀 및 피엔피에너지텍과 공동연구를 수행하고 있다.