일본에서의 고체산화물 연료전지의 개발동향

福井武久 (주)栗本鐵工所 창조기술연구소 소장
張炳國 독립행정법인 물질재료연구기구(NIMS) 주간연구원

1. 서론
연료전지（Fuel Cells）는, 연료가 가지고 있는 화학에너지를 직접 전기 에너지로 변환하는 발전(發電)시스템이다. 직접발전 때문에, 소규모에서도 높은 발전효율이 가능하고, 양질의 배가스에 의한 코제네레이션과 가스터빈과의 콘바인드가 가능하고, 가정용에서부터 분산형 전원(電源)용까지 큰 용량을 갖는 우수한 발전시스템으로서 기대되고 있다.
일본에서는 1970년대부터 연구가 시작되어, 현재 가정용 코제네레이션으로서의 실용화가 개시되고 있다. 각종 연료전지 중에서, 고체산화물형 연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cells)는 고온작동 및 가스터빈 콘바인드에 의한 높은 발전효율과 고출력 및 연료다양화의 가능성 등의 우수한 특징을 지니고 있기 때문에, 연구개발이 진전되어 왔다. 지금까지의 개발결과, 수십kW급 시스템과 200kW급 가스터빈 콘바인드 시스템의 개발 및 가정용 코제네레이션의 실증연구(실용화 전단계의 연구)까지 도달하였으며, 실용화를 목표로 한 연구가 본격화 되고 있다.
본문에서는 일본의 신에너지 산업기술 총합개발기구（NEDO)의 지원하에 진행된  일본의SOFC연구개발의 역사, SOFC고성능화 개발성과의 일례 및 최신의 개발동향에 대하여 소개하고자 한다.

2. 일본에서의 SOFC연구개발의 역사
2-1. SOFC연구개발의 변천
일본에서 SOFC의 연구개발은 국가프로그램(문라이트계획)의 주요테마로 자리매김하여, 통산성(현재의 경제산업성)의 지도하에, 1974년부터 본격적인 기초연구가 시작되었다. 그후, SOFC의 연구개발을 가속시키기 위하여, 경제산업성의 위탁을 받은NEDO가 1989년에 프로젝트(제 1기 고체전해질형 연료전지 발전시스템의 연구개발)을 발족시켜서 본격적으로 SOFC의 연구개발이 시작되었다.
그 이후도, NEDO의 지원하에, 연구개발이 지속되어, 현재의 SOFC 실증화 개발에 이르고 있다. 1989년 이후의 NEDO지원하에, SOFC프로젝트의 연구변천과정을 아래에 요약하였다.
1989-1991년 고체 전해질형 연료전지 발전시스템의 연구개발 (제1기)
　　　　　　 － 100W급 스택개발
1992-2000년 고체 전해질형 연료전지 발전시스템의 연구개발 (제2기 전기, 후기)
                       － 평판형 수kW스택·모듈개발과 요소기술개발
2001-2004년 고체 전해질형 연료전지 발전시스템의 연구개발 (제3기)
                      － 평판형에 원통형을 추가하여, 수kW스택·모듈개발을 지속연구
2004-2007년 고체 산화물형 연료전지 시스템 기술개발
                       － 모듈 개발에서 시스템 개발로 전환
2007-2010년 고체산화물형 연료전지 실증연구(진행중)
                       －교세라가 중심이 되어 가정용 SOFC시스템의 실증
2008-2012년 고체산화물형 연료전지 요소시스템 기술개발(진행중)
                      －시스템개발의 성과를 토대로 하여, 시스템을 실현시키기 위한 요소개발（운전기술, 신뢰성 형상, 저코스트화）의 연구 시작

2-2. 고체전해질형 연료전지 발전시스템의 연구개발의 개요 (그림 1 참조)
1990년 당시, SOFC개발은, 미국 웨스팅하우스（WH)사（현 시멘스웨스팅하우스）가 먼저 시작하여, 원통종호형(원통형의 세로 줄무니형)셀을 이용한  모듈시스템이 개발되었다. 그 당시, 일본에서는 전력메이커 각사가, SOFC시스템에 의한 화력발전대체, 전력이용을 목적으로 하여, 공동으로 WH사 제품의 SOFC 모듈의 발전시험을 실시하였다. 그 후, WH사의 원통종호형 셀에 대항하여, 제2기 고체전해질형 연료전지 발전시스템 연구개발 프로젝트（1992－2000年)에서는, SOFC의 전력이용을 목표로, 평판형 셀을 채용한 고온작동, 고출력, 콤팩트를 지닌 수kW급 모듈의 개발을 목표로 하였다. 모듈개발에는 산요전기(三洋電機)와 후지전기(富士電機)가, 요소기술개발에는 미쯔비시중공업(三菱重工), 전력중앙연구소(電中硏), 무라타 제작소(村田製作所), JFCC (일본화인 세라믹센타)가 참여하였다. 그러나, 평판형 셀에서는 1000도에서 고온작동에 의한 셀·스택, 인터 코넥터및 씰의 노화, 신뢰성 문제및 열특성 문제(내열성, 열팽창의 정합, 열충격등) 때문에, 성능, 수명면에서 프로젝트의 목표를 달성할 수 가 없었다.
2001년부터 개시된 제3기 연구개발에서는, 평판형과 더불어 원통형 셀을 개발대상으로 하여, 수kW급 모듈개발이 진행되었다. 또한, 개발체제는 크게 변경되어, 산요전기(三洋電機), 후지전기(富士電機), 무라다 제작소(村田製作所) 대신에, 토토(TOTO), 미쯔비시 중공업 고베공장 나가사끼공장 (三菱重工（神戶と長崎）), 츄부전력(中部電力), 도쿄가스(東京gas)가 프로젝트에 참가하였다.
각 참가 기업의 셀형상과 개발특징을 아래에 요약하였다.
쪾토토：원통종호형 셀, WH사와 같은 디자인, 저코스트화가 가능한 습식제조를 채용
쪾미쯔비시 중공업（나가사끼공장）：원통횡호형(원통형의 가로 줄무니형)셀, 진전된 원통형 셀,
쪾미쯔비시 중공업（고베공장）과 츄부전력：평판·MOLB(일체적층형 SOFC, Mono-block-Layer-Build SOFC)형 셀, 독자의 파형평판구조
쪾도쿄가스：평판·아노드 서포터 셀, 고성능화와 내열충격성을 목표
한편, 제2기에서는 평판형 SOFC을 이용한 고온작동·콤팩트·고적층 대용량 집중발전 시스템에 의한 화력발전대체가 주요한 목적이었지만, 제3기에서는 그 화력대체가 경감되어, 분산형 발전을 의식한 개발쪽으로 방침이 변경되었다.

2-3. 고체 산화물형 연료전지 시스템 기술개발의 개요 (그림 1 참조)
제3기 고체전해질형 연료전지 발전시스템의 연구개발의 성과에 의하여, 수kW급 모듈개발부터 10kW급과 200kW급 SOFC시스템 개발이 2004년부터 시작되었다.
이 고체산화물형 연료전지 시스템 기술개발에는, 도쿄가스의 평판형 아노드 서포터SOFC가 참여되지 않았고, 미쯔비시 중공업(고베공장)의 MOLB형 평판형SOFC도 프로젝트 도중에 중지되었고, 고온작동 평판타이프의 연구도 중단되었다. 이 대신에, 중간온도작동 평판형SOFC（LSGM：LaSrGaMgO3과 ScSZ：Sc2O3안정화 ZrO2전해질을 사용）및 원통형 아노드 서포터 SOFC가 추가 되었다.
2007년까지 지속된 이들 연구에서는, 하디치(日立)/토토(TOTO), 미쯔비시(三菱) 머트리얼/ 간사이(間西) 전력, 신일본제철(新日鐵)/아큐멘토릭스(Acumentrics)가 10kW급의 코제네레이션 시스템을, 미쯔비시(三菱)중공업이 원통횡호형 셀을 이용한 200kW급 SOFC―마이크로 가스터빈 콘바인드 시스템을 개발하여, 발전실증화에 이르렀다. 

3. 셀·스택의 고성능화 연구개발
제2기 고체전해질형 연료전지 발전시스템의 연구개발이 진행되고 있을 무렵, 일본에서의 SOFC개발에는 많은 변화가 생겼다.
고온작동의 어려움 때문에, 일본에서도 원통형 셀 개발이 활발해짐과 동시에  중간온도에서 작동하는 SOFC개발이 서서히 개시되었다. 그 개발에서, 아노드 서포터 타이프와 새로운 전해질(ScSZ과 LSGM）의 적용 및 고성능전극 대한 성과가 있어서, SOFC의 고성능화, 저온작동화, 내구성의 향상이 달성되어, SOFC셀스택·시스템 개발의 진전에 기여하였다. 여기에서는 저자가 그 당시에 담당한 SOFC 고성능화 개발 성과의 일부를 소개하고자 한다.

3-1. 미크론 구조제어에 의한 SOFC의 고성능화
SOFC는 복수의 세라믹부재로 구성되어, 발전성능과 특성은 구성부재의 미크론 구조에 크게 의존한다. 따라서 그 구조를 제어함으로서, SOFC의 발전성능과 내구성 향상을 달성할 수가 있다. 예로서, SOFC의 Ni-YSZ（Y2O3안정화ZrO2）연료극의 경우, 발전성능 향상을 위해서는 Ni과 YSZ입자와의 연결성 및 균질한 다공구조가 필요하고, 특히, 열적안정을 위해서는 Ni입성장 제어가 중요하다. 이러한 미크론 구조의 제어에 의하여, 전극성능과 고온에서의 내구성 향상이 가능하다.
분무 열분해법을 이용하여 합성한 NiO-YSZ 복합입자의 SEM사진과 그 입자의 내부구조를 관찰한 TEM사진을 그림 2에 나타내었다1). 그림 2에서, 이 복합입자는 1μm정도의 구형입자이고, NiO입자를 YSZ입자가 피복한 코아셀 구조로 된 것을 알 수가 있다. 이와 같은 코아셀형 복합입자를 원료로 사용함으로서, Ni입자로 형성되는 네트워크를 YSZ미립자가 감싸고 있는 다공체 구조를 형성하고 있다. (그림 31)）.
또한, 1년간에 걸친 1000도에서의 발전시험 결과, 이러한Ni-YSZ연료극을 가진 SOFC는 고온노화가 거의 없고 장시간의 안정작동을 달성하고 있으며（그림 42)）, 미크론 구조 제어의 효과가 있음을 잘 보여주고 있다.

3-2. 분체기술과 SOFC의 고성능화
SOFC의 성능, 내구성과 신뢰성 향상을 위해서는, 위에서 설명한 것 같이, 구성부재의 미크론 구조제어 및 조성의 최적화가 효과적이고, 지금까지 많은 연구개발이 진행되고 있다. 분무 열분해법처럼 특수한 합성법이 아니라도, 최신의 분체장치를 이용한 원료분체의 제조와 조제 등의 분체기술이, 이러한 SOFC연구개발에 활용되고 있다. 
예로서, 제트밀과 매체교반밀에 의한 미분쇄, 풍력분급에 의한 입경제어와 고속교반에 의한 정밀혼합등의 분체기술을 구사하여, SOFC의 구조제어가 실현되고 있다.
그 개발성과의 일례로서, 미분쇄와 정밀혼합등을 활용하여 제작한Ni-YSZ 연료극을 그림 5에 나타내었다3). 이Ni-YSZ연료극에서는 분무열분해법을 적용하여 제작한 연료극 구조와 유사한 미크론 구조가 실현되었고, SOFC의 고성능화가 달성되었다3,4).
또한, 공기극의 미세화와 전해질의 박막화 등의 셀의 구조제어에도  분체기술은 유효한 방법이고, 그림 6에 나타낸 아노드 서포터 셀은 700도에서 저온작동을 보여주고 있다4).
이상에서와 같이 분체기술은 현재 연구되고 있는 SOFC실용화 개발에 필수불가결한 요소기술이 되고 있다.
4. SOFC 개발최신동향（그림 7참조5-9)）
2004부터 2007년에 걸쳐서, 고체 산화물형 연료전지 시스템 기술개발에는, 기술진전에 의해, SOFC시스템의 개발과 실증발전(전력생산)에 도달하고 있다. 그러나 SOFC의 도입, 보급에는 아직은 내구성과 신뢰성 및 저코스트화, 기동정지등의 운전성능의 향상이 필수 불가결한 요소이며, 이러한 당면과제를 해결하기 위하여, SOFC 시스템 요소기술개발(2008－2012년)의 단계로 연구가 이행되고 있다.
특히, 가정용 SOFC코제네레이션의 도입을 목적으로 한 SOFC실증연구（2007－2010년）도 진행되고 있고, SOFC실용화를 목적으로 한 개발도 이루어지고 있다.
한편, 이러한 실증연구에서는 교세라가 독자적으로 개발한 아노드 서포터 관상 평판형 셀을 이용한 0.7kW급 SOFC코제네레이션이 주요대상이고, 오오사카 가스와 도쿄가스와의 공동연구에 의해 시스템이 개발되고 있다. 또한, 가스회사뿐만 아니라, 도요타자동차와 아이신정기(精機) 회사도 시스템 개발에 신규 참여하고 있으며, 일본에서는 우선 가정용 SOFC의 실용화의 가능성이 보여지고 있다.

５．맺는말
일본의 SOFC개발 역사, 고성능화 개발의 성과 예 및 현재의 개발동향을 소개하였다. 일본에서는 많은 기업, 연구기관에서 진행되고 있는 SOFC시스템의 실증성과를 도입과 보급단계로 연결시키기 위하여, 실용화 개발연구가 NEDO를 중심으로 현재 활발히 전개되고 있다. 특히, 가정용 코제네레이션의 소형 고효율 발전시스템으로서의 실증개발이 선행되고 있고, 금후의 실용화가 기대되고 있다.

참고문헌
1) T. Fukui et al., Electrochem. Solid-State Lett., Vol.1, p.120-122 (1998).
2) T. Fukui et al., J. Power Sources, Vol.110, p.91-95 (2002)
3) K. Murata et al., JCEJ, Vol.37, p.568-571 (2004).
4) K. Murata et al., J. Power Sources, Vol.145, p.257-261 (2005).
5) 大阪가스HP：http://www.osakagas.co.jp/rd/sheet/206.html
6) 교세라HP：http://www.kyocera.co.jp/news/2007/0103.html
7) 三菱머트리얼HP：http://www.mmc.co.jp/corporate/ja/02/05/01-01.html
8) 開西電力HP：http://www.kepco.co.jp/rd/organization/synthesis_sofcpj.html
9) 三菱重工技報, vol.45, No.1, 27-30 (2008)

그림 1. 일본에서의 SOFC개발의 변천(NEDO프로젝트)
그림 2. NiO-YSZ복합입자의 SEM사진（좌측）, TEM사진（우측）
그림 3. Ni-YSZ연료극의 SEM사진
그림 4. 장시간 발전시험 결과
그림 5. Ni-YSZ연료극의SEM사진 (a;저배율, b;고배율)
그림 6. 아노드 서포터 셀의 단면SEM사진
그림 7. 일본의 SOFC 개발 동향

福井武久(Takehisa Fukui)
㈜栗本鐵工所　기술개발본부 구리모또창조기술연구소 소장
주소 ; 2-8-45, Shibatani, Suminoe-ku,
       Osaka, 559-0021, Japan
e-mail: ta_fukui@kurimoto.co.jp
오오사카대학 공학박사
전문：고온형 연료전지, 입자복합화 기술, 나노재료기술

장병국
독립행정법인 물질재료연구기구 나노세라믹센타 주간 연구원
주소 ; NIMS, 1-2-1 Sengen, Tsukuba,
       Ibaraki 305-0047, Japan
e-mail: JANG.Byungkoog@nims.go.jp
연세대학교 요업공학 학사, 석사
동경대학 공학박사　
전문：세라믹 프로세싱、나노재료, 나노코팅