일본 산업기술종합연구소(추바치 료지-中鉢良治- 이사장) 무기(無機)기능재료연구부문(단노 마사노부-淡野正信- 연구부문장) 기능집적화기술그룹 스미 히로시(鷲見裕史) 주임연구원과 아츠미텍(시즈오카현 하마마츠시 소재, 나카지마 카즈미-中島和美- 사장)은 공동으로 컴팩트하이파워 연료전지시스템을 개발했다.

고체산화물형 연료전지(SOFC) 내부에서 순식간에 효율 좋은 LPG부분산화개질과 에탄올 수증기개질이 가능한 나노구조 전극재료와 운전제어기술을 개발했다. 발전시스템의 출력과 내구성을 향상시켰다.

SOFC는 연료전지 중에서 발전효율이 가장 높을 것으로 기대되지만 지금까지의 연구개발은 주로 정치(定置)형이 대상이었으며, 연료로는 메탄이 주성분인 도시가스가 쓰이는 경우가 대부분이었다.

산업기술종합연구소는 지금까지 재해ㆍ비상전원용으로 LPG로 발전할 수 있는 핸디(handy)연료전지시스템 개발을 추진해 왔으나, 근래에는 사물인터넷 디바이스와 이동체 등의 레인지 익스텐더(range extender: 항속거리 연장장치), 로봇이나 드론 등의 개발ㆍ보급이 예상되는 가운데 액체연료로도 개발 가능하고 보다 작은 크기로 고출력을 낼 수 있는 SOFC를 필요로 하기 때문에 컴팩트하이파워 연료전지시스템을 개발한 것이다.

LPG 주성분의 하나인 부탄을 SOFC에 직접 공급하면 전극성능이 급격히 떨어진다. 2013년에 개발한 핸디연료전지 시스템에서는 전극성능 저하를 억제할 수 있는 연료전지를 개발하고 400~600℃에서 부탄을 직접 공급하면 발전이 가능하게 했다.

하지만 600℃ 이하의 저온에서는 전극활성이 저하되기 때문에 수십와트급의 핸디사이즈(handysize)에서 상용전원에 필요한 100~수백와트급으로 확대하기 위해서는 전극반응이 순식간에 진행돼 고온에서 작동할 필요가 있다.

650℃ 이상의 고온에서는 전극표면에서 열화가 일어난다. 그래서 부탄 등의 탄화수소연료와 공기를 동시에 공급해 내부에서 수소와 일산화탄소 등으로 부분산화개질이 가능한 나노구조 전극재료를 개발했다. 또한 개질조건을 최적화한 운전제어기술 개발에 의해 수백시간 동안 연속으로 발전하거나 수백번 기동정지를 반복하는 것이 가능해질 전망이다.

이러한 나노구조 전극재료와 운전제어기술에 의해 650℃ 이상의 고온에서 발전할 수 있게 됐으므로 부탄을 직접 공급해 발전하는 것에 비해 3배 정도 증가한 출력을 얻게 됐다. 부피당 출력밀도도 약 3배로 증가해 소형화된 상태로도 고출력이 가능한 연료전지 모듈이 만들어졌다.

이 같은 성과를 바탕으로 100와트급 연료전지 모듈과 컴팩트하이파워 연료전지 시스템을 개발했다. 전극내부에서 연료를 개질하기 위해 순식간에 고효율의 전극반응이 진행돼 650℃ 이상의 고온에서도 발전할 수 있어서, 같은 크기의 연료전지 모듈 출력이 수십와트급에서 100와트급으로 약 3배 향상됐다. 이 모듈을 여러 개 설치해 수백와트~수킬로와트급 연료전지 시스템으로 확장할 수 있다.

이번에 개발한 연료전지 시스템은 전극 내부에서 연료를 개질해 기동용 버너를 탑재했기 때문에 외부개질기와 기동용 외부전원이 불필요하며, 단열재 등의 배치를 최적화해 크기가 상당히 작아졌다.