I. 제목
고체산화물 연료전지 요소 및 스택 모듈 기술 개발
II. 연구개발의 목적 및 중요성
● 평관형(Flat tube) SOFC 핵심기술 자립화/고성능 스택모듈 제조의 실용화 기술확보
○ 평관형 SOFC 스택은 3세대 연료전지의 가장 핵심 기술에 해당되며, 연료전지의 성능, 수명, 운전성 등 대부분의 특성이 이 스택기술의 확보에 의존한다. 따라서 세계 각국은 스택 기술의 확보에 연구개발비를 집중 투자하고 있는 상황이다. 또한 선진국들은 전략적으로 이 스택 기술을 국가적인 차원으로 보호하고 있기 때문에 기술이전이 불가능한 상태이고, 따라서 3세대 연료전지 발전기술을 개발하기 위해서는 반드시 평관형 스택모듈 기술이 개발되어야 한다.
○ 평관형 SOFC 스택은 단전지, 연결제, 집전체, 밀봉재 등으로 이루어진 SOFC 발전시스템의 핵심 중간 부품이다. 스택의 성능은 단위전지의 성능과 스택 구성 물질의 조합 및 제조 공정이 최종적인 스택의 성능을 결정한다. 평관형 스택 기술은 고성능화 및 대형화를 향해 연구개발이 진행되어야한다. 평관형 SOFC 스택의 경우 연결재의 고온 내부식성 문제와 구성층간의 밀봉 문제의 해결이 매우 중요하다. 현재 스택 기술은 상용 금속 연결재 사용 등 소재 문제로 중온화 하려는 경향이 시도되고 있으며, 이와는 반대로 고온형을 유지 하는 기술이 병행되고 있다. 소재문제의 해결상 중온이 유리하나 효율 및 가스터빈과의 복합 발전을 위해서는 고온이 유리한다.
○ 고성능 평관형 스택모듈 제조기술은 궁극적으로 소형 및 중대형 시스템에 적합한 방향으로서 연구개발이 진행됨이 바람직하며, 궁극적으로 실용화기술의 개발 방향으로 진행되어야 한다.
● 가압 SOFC 원천기술개발에 대해 USC와의 국제협력 필요성
○ 미국의 사우스캐롤라이나 주는 주정부, USC, 콜롬비아시, 상의의원, 하원의원, 산업체와 공동으로 new economy engine 4 대분야의 하나로 hydrogen fuel cell을 선정하여, 강력한 신 성장정책을 펼치고 있다. 이러한 정책의 핵심은 연료전지 관련기술의 개발과 인력 양성이며, 이분야의 주도적인 역할을 담당하는 기관인 USC(사우스캐롤라이나 주립대학)는 연료전지의 핵심 요소기술, 운전 특성 평가 및 분석 기술을 보유하고 있으며, NSF의 유일한 fuel cell research center 지정기관이다. 현재 USC는 endowed chair(석좌교수) 1인을 SOFC 분야에 선정하여 연간 500-600 만불씩 10년간 투자 계획 확정했다. 2008년 사우스 캐롤라이나주 Columbia시는 NHA 유치했으며, 사우스 캐롤라이나 대학내 신에너지빌딩 건축으로 국내외의 수소연료전지 분야 기관을 유치중이며, KIER에 3년간 연구실 공간 무상 공급 예정이다. 따라서 사우스 캐롤라이나 주 및 대학은 향후 미국내 수소 연료전지 거점 대학 및 주로 성장 지역으로 전망된다. 이러한 USC 와 KIER간의 매칭펀드에 의한 연료 전지 기술 공동연구는 연구결과 이외에 다음과 같은 부수적 효과를 기대할 수 있다.
- 미국내 수소 연료전지 거점 마련
- USC와 협력을 통한 SOFC를 비롯한 수소연료전지 분야의 Synergy효과
- 효과적인 선진기술 도입 및 수소연료전지 분야 정보기술 습득 기대
- 수소연료전지 신성장정책, 산업화 추진 방법 및 추진 기술 습득
- 미국내 관련 기술 연구인력 효과적 활용(최근 재미과학자 귀국 기피)
또한, 미국 USC 와 우리 연구원은 상호 과학기술 협력사업의 일환으로 2006년부터 "한-미수소 연료전지 기술 심포지움"을 매년 개최지를 변경하여 개최키로 합의하였으며, 2006년도에 이어 2007년 4월 미국의 사우스 캐롤라이나 주 컬럼비아에 2nd Annual Korea-USA Joint Symposium on Hydrogen and Fuel Cell Technologies 를 개최하여 발표논문 총 50여편, 참석인원 300 명 (한국측 참여원 : 12명)의 참여로 성공적인 심포지움 개최를 하였다.
● 소형 SOFC 발전장치의 핵심 BOP 기술의 필요성
○ 고체산화물 연료전지는 소용량에서부터 대용량까지 모든 분야에서 활발히 기술이 개발되고 있다. 현재 소용량의 경우 가정용 및 자동차 APU 1kW-3kW급이 개발되고 있으며, 중대형 시스템으로는 250 kW급의 기술 개발이 이루어져 있으며, 이후 MW급 발전소의 건설로 고체산화물 연료전지의 실용화가 시작될 것으로 예상된다. 지금의 기술 추이로 보아 고체산화물 연료전지는 요소기술 및 소재 기술, 스택 설계 기술 확보에 연구 개발이 집중될 것으로 판단되고 적용분야는 당분간 소용량 개발에 집중될 것으로 예상된다. 하지만 대부분의 연구는 stack 위주로 개발되고 있으나 특히 Hot Box 내 BOP 시스템인 reformer(디젤/가솔린/등유), after burner, 열교환기, 등의 기술 개발은 미진한 편이다. 따라서 stack은 기 개발된 것을 구입하고 그 외의 모든 장치 및 시스템 기술 개발은 이 시점에서 매우 중요하다.
○ 시스템 종합 및 운전기술 분야에서 국내의 연료전지 발전시스템 기술은 초보단계이다. 특히, SOFC 발전기술은 고온에서 작동되기 때문에 시스템 운전 기술 매우 중요하다. 종합시스템 기술을 확보하기 위해서는 본 연구와 같이 stack외의 연구가 병행 진행되어야 하는 것은 기술적으로 매우 중요하다.
○ 연료전지의 시스템의 제어는 성능 및 수명에 직접적인 영향을 주는 기술이며, 전력변환의 경우 전체 시스템의 효율에 영향을 주는 주요 장치이며 실제 부하에 안전하게 연계 되도록 하는 인터페이스로서 작용한다.
○ 연료전지는 발전원의 특성상 매우 질이 안좋은 전원이며 (부하에 대한 변화가 심하며 스택의 손상이 쉽게 이루어짐) 이를 보상하기 위해서는 BOP제어 및 전력변환의 상호 최적화된 동작이 필요하다.
● NT 를 이용한 전극소재 개발 기술의 필요성
○ 나노 입자의 이용에 의해 기대되는 비표면적 증대효과, 활성화율 증대효과를 나타내기 위해서는 나노입자의 특성이 원하는 화학조성을 갖고 있으며, 고순도이고, 입자크기가 1~50nm 정도의 범위내에 있어야 하나 종래의 입자 합성법 기술에서는 입자크기가 수 ㎛정도로 크기 때문에 신기능의 발현이 불가능하다. 이와 같은 현상을 해결하기 위해서는 액상 합성법이나 기상합성법 등의 입자합성법의 기존 개념을 넘은 나노입자의 합성법 개발 및 이에 의한 합성기구의 체계적인 반응기구의 규명이 반드시 필요하다.
○ 나노분말 제조기술을 이용한 고온 나노소재 연구개발은 현재 미국을 비롯한 일본 및 유럽에서도 연구의 초기 단계이며 미래 산업을 선도할 유망기술로서 선진국들은 기술이전을 기피하는 전략기술이다. 특히 제조된 나노 분말을 이용하여 연료전지용 전극 소재로의 응용을 통하여 혁신적 기능을 갖는 고효율 연료전지의 개발이 필요하다.
○ 전극의 특성 향상을 위한 나노 코팅기술은 재료의 종류나 응용분야에 따라 달리 적용되기 때문에 시행착오적 기술의 한계가 나타나게 됨에 따라 이들 개별적으로 축적된 코팅 기술을 총합적으로 활용한 새로운 코팅재료 및 기술의 개발이 요구되고 있다.
○ 향후 수소경제 사회로의 진입을 위한 다각적인 노력과 연구가 수행되고 있으며 그 중 연료전지에 거는 기대는 크다 할 수 있다. 현재 고체산화물 연료전지 기술은 마이크론 크기의 분말을 이용한 연구에 집중되고 있어 나노기술을 이용한 고효율화 연구는 매우 의미 있는 연구로 이의 개발의 성공에 따라 보급환경은 예측이 불가능할 정도로 매우 넓다고 할 수 있다. 고체산화물 연료전지의 고성능화를 위하여는 나노기술의 적용이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 우수한 특성을 갖는 고 신뢰성 신형 전극 소재와 제조 공정의 핵심기술을 개발하고자 한다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
● 평관형 연료극 지지체 (Flat tube anode support) SOFC 스택 모듈 개발
○ 출력용량: 2.0 kW, 운전시간: 1,000 시간, 수명: 10%/1,000h 이하, 사용 연료 : H₂
○ 스택 구성 전극 및 전해질 소재의 최적공정 개발
○ 평관형 SOFC 스택 모듈 설계 및 제작기술 개발
○ 평관형 SOFC 스택 적층 및 운전기술 확보
● 가압 SOFC 핵심원천기술 개발
○ 복합 발전용 가압 연료극 지지체 원통형 SOFC 단전지 기술 개발
○ 가압 SOFC 단전지 시스템 설계 제작 기술 확보
○ 가압 SOFC 시스템 운전 기반 기술 확보
● 소형(이동전원용) SOFC 발전장치의 핵심 BOP 시스템 개발
○ 연소기 및 폐열 회수 시스템
- After burner, Compact 열교환기, WHRS (폐열 회수 시스템) 개발
○ 디젤/물 혼합 개질 시스템 : 3유체 노즐 이용 직접 분무식 개질 구조
○ 소형 SOFC 발전용 고효율 전력변환 기술 개발 : PCS 고효율 전력변환 달성
○ 소형 분산 발전형 BOP 제어기 개발 : 컴팩트형 제어기 하드웨어 및 BOP 최적 제어 기술 구현
● NT를 이용한 SOFC용 전극 소재 및 공정기술 개발
○ 전도도 : 103 S/cm 이상, 강도 : 150 MPa 이상, 열싸이클 특성평가 : 3,000 회, 전극의 내구성 : 2,000 시간 이상
○ 평관형 셀의 대형화 및 기계적 내구성 증진
IV. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
● 평관형 연료극 지지체 SOFC 요소기술 개발 및 1kW급 SOFC 스택 모듈 개발
- 고성능 평관형 단위전지 제작 공정 개선
공기극으로서 현재 사용되던 LSM 대신 성능이 약 20% 향상된 LSCF 를 공기극으로 적용했다. LSCF 를 공기극 코팅으로 적용시 전해질인 YSZ 와의 반응 및 내구성이 상당히 감소함으로서 YSZ 위에 CGO 층을 코팅하고 LSCF 를 코팅해 주어야 한다. 기존 진공 슬러리 코팅법을 적용해 YSZ 및 CGO 코팅을 해주고 그 위해 LSCF 1 layer 를 코팅함으로서 평관형 단전지 성능이 향상되고 공정이 상당히 간소됨을 확인할 수 있었다.
- 고성능 단위전지 전류집전 공정 확립
평관형 단전지 공기극 전류 집전의 경우 셀 양 경계부분에 세로로 약 3가닥의 지름이 1mm인 Ag wire 를 삽입해 전류 집전을 최대화했다. 한 셀에서 6가닥의 Ag wire 가 나오며, 2셀의 경우 12 가닥의 Ag wire 가 나오는데 각 앞단 상대극 (연료극인 경우는 공기극에, 공기극인 경우는 연료극에)에 금속 지그를 부착해서 접촉 저항을 상당히 줄여주고 Au paste를 발라주어 최적의 접촉 상태를 유지했다. 평관형 단전지 연료극인 경우 기존의 방법에 0.5mm Ni felt 를 구입해 1mm Ni wire 에 일정 간격으로 spot welding 해서 felt 를 고정하고 연료극 4 hole에 Ni paste를 삽입했다. hole 을 통과한 Ni wire는 브레이징 된 금속 캡에 welding 됐다.
- 세라믹/금속 접합 (brazing) 유도 코일 및 brazing 용 유도 가열로 최적화
유도 브레이징 시 유도 코일의 형상이 브레이징 결과에 중요한 영향을 미침을 확인했다. 3배로 용량이 증다된 유도 가열로를 이용할 경우와 유도 코일을 최적화함으로 브레이징 결과에 동일한 영향을 나타냈다. 또한, 금속으로서 티타늄이나 텅스텐으로 만들어진 보조발열체를 도입함으로서 브레이징시 균일한 가열이 일어났으며, 세라믹 벽돌에 의한 단열이 이루어짐으로 한층 더 향상된 브레이징 공정이 이루어 질수 있었다.
- 평관형 SOFC 단위번들 구조 최적화/IkW급 연료극 지지체 평관형 SOFC 스택모듈개발
1차년의 경우 병렬 연결된 셀이 상당히 rigid 한 금속 주름관으로 연결되어 연료 챔버와 연결시 셀에 손상이 가는 문제가 발생하여 연료 챔버와 셀 사이 밀봉이 잘 이루어 지지 않아서 성능이 감소되거나 연료기체의 누출에 의한 위험이 발생하였다. 따라서 금속 주름관의 길이를 증가하여 flexibility 를 증가시켜 금속 캡과 연료 챔버 체결시 가스 밀봉이 확실히 이루어 질 수 있도록 했다. 또한, 그에 따른 연료 챔버 설계도 개선하여 SOFC 단위번들의 구조 및 성능 향상을 도모할 수 있었다. 이를 바탕으로 한 1kW급 연료극 지지체 평관형 SOFC 모듈을 설계 제작했다 (1kW급 스택 모듈 설계 : 800℃ 운전시 920W의 성능을 달성함).
● 가압 연료극 지지체 원통형 단전지 제조 기술 개발
가압형 연료극 지지체 원통형 셀 물성 파악 및 가압 운전시스템 설계
3.5기압까지 가압시 340 ㎽/㎠의 출력 달성
● SOFC를 활용한 분산형 혹은 RPG System을 개발
본 연구는 SOFC를 활용한 분산형 혹은 RPG system을 개발하는 것을 목표로 한다. 첫해년도인 당해 연도에서는 RPG 용 SOFC system의 설계 기술 확립을 시스템의 구성을 설계하고 또한 주요 구성품을 설계, 제작하는 것을 목표로 하였다.
소형용 고체산화물 연료전지 (SOFC) 발전시스템은 연료 전처리부, 공기 예열부, 연소기, 연료전지본체, 전력변환 및 시스템 제어부, 열 회수부로 구성되며 발전시스템의 출력은 연료전지 스택뿐만 아니라 reformer 효율. 폐열 회수 장치(연소기, 열교환기)에 좌우된다. 소형 SOFC 발전시스템의 실용화를 위해서 다음과 같은 Hot Box 내 BOP시스템의 핵심 요소기술을 개발하고 세부 결과를 얻었다.
1. 스텍의 유로를 열유동 해석을 통해 설계 하였다.
2. RPG 용 SOFC 시스템 목적에 맞게 열관리가 되는 시스템을 제안하였다.
3. ATR 개질기를 개발하였고, 전환 효율 99%,개질기 효율 75%를 달성하였다.
4. 열교환기 및 연소기의 통합 모듈 개발에 성공하여 system compact 기술을 얻었다.
5. 종합실험 결과가 시스템 효율은 75% 정도 이였고 향후 HOT BOX 가 완성되고 열이 좀 더 차단되면 시스템 효율은 85%에 달할 것으로 보인다.
● 가정용 SOFC 연료전지 발전 시스템용 전력변환장치와 연료전지 BoP제어장치를 설계
본 연구에서는 가정용 SOFC 연료전지 발전 시스템을 위한 전력변환장치와 연료전지 BoP제어장치를 설계하였다. 전력변환장치는 DC-DC 컨버터와 고주파 링크 단상 DC-AC 컨버터로 구성된다. 연료전지의 낮은 출력전압을 효과적으로 승압하기 위해 3상 전류형 하프-브릿지 DC-DC 컨버터를 제안하였다. 3상 전류형 DC-DC 컨버터는 일종의 3상 부스터 컨버터이기 때문에 낮은 입력전압을 효과적으로 승압하여 변압기를 권선비를 줄일 수 있으며, 입력 인덕터의 크기와 스위치의 도통손실을 줄임과 동시에 연료전지로부터 유기되는 출력전류 리플을 저감시킨다. 또한, 전압 클램핑 회로는 각 스위치에 걸리는 전압을 제한할 뿐 아니라 1차 측의 모든 스위치가 영전압 스위칭을 하게함으로써 스위칭 손실을 줄여 컨버터의 효율을 향상시킨다. 또한, 본 연구에서는 연료전지 발전시스템을 위한 전력제어기법을 제안하고 여기에는 전원과 부하간의 전력흐름을 제어하는 전력제어전략과 연료전지용 DC-DC 컨버터를 위한 디지털 제어기법이 포함된다. 제안된 전력제어전략에 의해 연료전지는 V-I특성곡선과 효율곡선에 의해 정의되는 고효율 운전구간에서 동작 된다. 연료전지용 DC-DC 컨버터는 디지털 제어기법을 이용하여 연료전지의 출력전류를 제어한다. 디지털 제어기법은 이동평균 디지털 필터를 도입하여 연료전지로부터 유기되는 저고조파 전류, 특히 120Hz 성분을 제거하고 예측 전류 제한기를 이용하여 연료전지 스택으로 공급되는 연료량(수소 또는 공기)에 의해 계산된 전류 제한치 이내로 연료전지 출력전류를 제한하여 연료전지 과부하상태를 피하고 내구성 향상을 도모한다. BoP용 제어장치는 고성능 DSP를 사용하여 프로토형태의 제어보드를 설계 및 제작하였다. 제어장치는 DSP 프로세스(TMS320F2812)와 디지털 I/O, PWM, ADC, DAC, CAN, RS232C등이 한 모듈로 구성되며, 필요에 따라서 RS232C를 통해 두 모듈로 확장할 수 있도록 설계하였다.
열차폐 코팅기술로 많이 사용되고 있는 EB-PVD법을 이용하여 음극기판에 ScSZ 전해질 막을 증착하여 치밀한 전해질 막을 증착하였다. EB-PVD법으로 제조된 박막전해질은 1150℃에 이르는 공기극 소결 공정이나 900℃ 가량의 연료전지 작동조건에서 주상구조가 벌어지는 결함이 발생하는 문제점이 발견되었으며, 이를 해결하기 위해 음극기판의 가소결온도와 후열처리 조건을 조절하였다. 그 결과 SOFC용 전해질로서 충분한 치밀도를 갖는 ScSZ film 을 Ni-YSZ 음극지지체 위에 제조하여 900℃에서 1.0W/㎠ 이상의 높은 출력밀도를 보이는 단위셀 제조 기술을 확보하였다. NT를 이용한 나노 전극 개발에 앞서 기본적으로 사용하게 될 spin-coat 방법으로 기본적인 button cell을 제조하고 Cell 성능 측정을 하였다. 가소결 온도에 차이를 두어 1000℃, 1100℃, 1200℃의 세가지 조건에서 만들어진 시편으로 이후 공정은 동일하게 진행하여 Cell을 만들었고 각각의 Cell 특성을 비교하였다. 전해질 코팅 후 가장 많은 수축률을 보인 1000Y의 경우가 전체적으로 낮은 성능을 보여주었고 1100Y나 1200Y의 경우도 1000Y보다는 높은 출력을 보이고 있지만 900℃라는 높은 온도에서만 높은 출력을 보일 뿐 700℃ 정도의 낮은 온도에서는 1000Y와 큰 차이를 보이지 않았다. 기본적으로 spin-coat를 이용한 SOFCs button cell 제조에 큰 문제가 없고 일정 수준 이상의 출력을 얻을 수 있음을 확인한 만큼 이후 진행될 실험에서는 spin-coat에 영향을 주는 변수들을 조절하여 전해질 및 공기극의 코팅층 두께를 일정하게 유지할 수 있는 방법과 원하는 만큼의 두께를 얻을 수 있는 변수를 찾아나가야 할 것이며 실험의 목표였던 NT를 이용한 나노 전극을 음극지지체와 전해질 사이에 코팅해서 cell의 성능을 높이고 700℃ 정도의 낮은 온도에서도 충분한 출력을 얻을 수 있도록 연구를 추진할 계획이다.