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Nikkei X-TECH_2022.11.14

첨단 기술 뉴스 플러스
닛산, 의도적으로 연료전지에서 SOFC 개발
드론으로 기술을 단련해 자동차에 도입

“액체로 연료를 충전해 고효율로 전기를 생성할 수 있는 고체산화물형 연료전지(SOFC)를 실용화할 수 있게 된다면 이동체인 자동차에 유용한 에너지원 중 하나가 될 것이다”(닛산자동차의 가토(加藤) EV시스템연구소 주관 연구원).

닛산자동차가 향후 차량으로의 탑재를 위한 SOFC 개발에 주력하고 있다. SOFC는 도요타자동차의 연료전지차(FCV) 'MIRAI' 및 한국 현대자동차의 '넥소'가 채택하고 있는 고체 고분자형 연료전지(PEFC)와는 다른 기술을 기반으로 한 전원이다.

SOFC는 전해질에 지르코니아계 세라믹스를 이용한다. 고체 고분자막을 이용하는 PEFC의 작동 온도가 70~90℃인데 비해, SOFC의 작동 온도는 600~1,000℃로 높다. 이 때문에 연료의 내부 개질이 가능하고 에탄올 등 액체를 연료로 사용할 수 있다. 이론상 발전 효율도 PEFC의 30~40%에 비해 40~65%로 높다.

현재 FCV는 수소가스를 연료로 하기 때문에 70메가파스칼(MPa) 등의 고압탱크를 탑재할 필요가 있어 안전대책을 위한 비용이 많이 들 뿐만 아니라, 차량 실내공간도 어느 정도 희생할 수밖에 없다. 또한, 보급에 수소 충전 스테이션이라고 하는 고비용의 인프라 정비가 필요하다는 것도 큰 과제가 되고 있다.

반면, SOFC는 기존의 FCV가 안고 있는 과제를 해결할 수 있는 가능성이 있어 닛산이 거는 기대는 크다. 무엇보다 현재의 SOFC는 일부가 정치(定置)용 전원으로서 실용화되고 있지만, 차량 탑재에 응용하기 위해서는 해결해야 할 과제들이 많이 남아 있다.

가토 연구원은 SOFC의 과제에 대해 “작동 온도가 높기 때문에 기동에 시간이 걸린다. 차량 탑재 용도로는 기동에 오랜 시간이 소요되어서는 안 되기 때문에, 급속히 가열해도 깨지지 않는 내구성이 요구된다. 또한 차량에 사용하려면 크기와 무게, 그리고 중량당 에너지 밀도 등에 큰 폭의 개선이 필요하다”라고 말한다.

이를 위해 닛산은 신에너지산업기술종합개발기구(NEDO)의 프로젝트 '연료전지 등 이용의 비약적인 확대를 위한 공통 과제 해결형 산‧학‧관 제휴의 연구 개발 사업'에서 프로드론(나고야 시), 아쓰미테크(하마마쓰 시), 인테그레이션테크놀로지(사이타마 현) 등과 함께 드론용 SOFC 스택 개발을 진행하고 있다. 장시간 및 높은 페이로드(화물) 비행을 실현하는 SOFC 드론의 실용화와 다용도 활용을 위한 기반 기술 구축이 목표이다.

“이미 해외에서는 PEFC를 탑재한 드론이 실용화되고 있지만, PEFC는 대형화에 대응하기 어렵다. SOFC는 PEFC보다 25% 정도 효율이 높고, 세라믹스 베이스이기 때문에 경량화에 대한 잠재력도 높다. 세라믹스는 일본의 강점 기술이기 때문에 메이드 인 재팬으로 할 수 있다는 점도 좋다.(프로드론의 이치하라(市原) 상무이사)

그렇다면 닛산이 드론용 SOFC를 개발을 하는 이유는 무엇일까? “실제로 당사가 드론이나 eVTOL(전동수직이착륙기)를 개발하는 것을 상정하고 있는 것은 아니지만, 모빌리티 전용 에너지원의 하나로서 흥미를 가지고 있다.

드론은 중량 당 출력이 매우 중요하며, 이 점이 자동차와 비슷하다. 정치용 전원과 같이 파이프 라인으로 수소가스를 공급할 수 없는 독립된 시스템인 점도 공통적이다”(가토 연구원). 즉, 차량 탑재를 위한 SOFC 개발이라고 하는 목표를 위해 우선은 요구 특성이 비슷한 드론용으로 기술을 단련한다는 계산이다.

-- 대형화에 적합한 독자적인 구조 --
이번 NEDO 프로젝트에서 닛산은 SOFC 셀의 시작(試作)과 분석을 담당하고 있다. 그리고 아쓰미텍이 SOFC 모듈과 시스템을 개발하고 프로드론이 드론으로의 탑재성 등을 검토한다.

드론에는 소형부터 초대형까지 다양한 종류가 있으며, 이번 프로젝트에서는 중대형을 타깃으로 하고 있다. 이 영역이라면 출력과 중량의 균형으로 연료전지를 채택할 수 있다는 장점을 발휘할 수 있기 때문이다. 구체적으로 중형은 이륙 중량이 11.5kg, 페이로드가 최대 2kg인 기체로, 연료전지 스택은 무게 5kg, 출력 1.3kW이다. 대형은 이륙 중량이 30kg이고 페이로드가 8kg, 스택은 12kg, 출력 3.3kW를 상정하고 있다.

이 프로젝트는 2021년 8월에 개시되어 2023년 3월말에 종료될 예정(진척에 따라 2년간의 연장 가능성도 있음)이다. 올 7월에는 지금까지의 개발 성과가 보고되었다.

성과 보고서에 따르면, 닛산은 10㎠의 SOFC 셀을 개발. 아쓰미테크가 이것을 32장(16단×2장) 적층한 모듈을 개발해, 104W로 발전하는 것을 확인했다.

출력 밀도는 327mW/㎠로, 당초 목표였던 312.5mW/㎠ 이상을 달성했다. 또한, 이번에는 연료로서 100%의 수소가스를 투입했다고 한다.

닛산이 개발한 셀은 대형화에 적합한 '메탈 서포트' 기술에 그 특징이 있다. SOFC에서는 전해질에 지르코니아계 세라믹스가 사용되며, 메탈 서포트는 전해질 상하에 금속층을 만들어 낸다.

세라믹스는 열전도율이 낮기 때문에 급속도로 열이 가해지면 부분적으로 온도가 상승해 깨지기도 한다. 한편, 메탈 서포트는 금속층에서 열이 확산되기 때문에, 셀을 적층해 대형화했을 때 잘 깨지지 않게 된다고 한다. 금속 재료에는 산화에 강하고 고내열성이 있는 스테인리스강을 이용한다.

“약한 세라믹을 금속으로 서포트하는 것이다. 셀로서는 같은 두께이지만 세라믹 부분을 얇게 만들어 금속층을 만들어 냄으로써 급속 가열이나 진동에 대한 내충격성을 가질 수 있게 되었다"라고 닛산종합연구소 EV시스템연구소의 시오미(塩見) 선임연구원은 설명한다.

-- 차량 탑재 용도로 적어도 수 kW는 필요해 --
NEDO 프로젝트에서는 향후, 개발한 SOFC 모듈의 부탄가스를 이용한 발전 시험과 SOFC를 상정한 드론 기체 설계 등을 실시할 예정이다. 한편 닛산은 차량 탑재를 목표로 셀 대형화와 바이오에탄올 등 액체연료를 사용할 수 있는지에 대한 검증도 별도로 추진할 방침이라고 한다.

현 상황에서도 드론용일 경우, 10㎠의 셀을 적층해 충분한 출력을 실현할 수 있지만, “차량 탑재 용도로는 최소한 수 kW의 출력은 필요하다. 차량 크기에 따라서는 10kW 이상이 요구되는 케이스도 있다”(가토 연구원)라고 한다. 연료전지이기 때문에 셀을 적층함으로써 고출력화는 가능하지만, 소형 셀을 다수 적층하면 죽은 공간이 커져 출력 밀도가 저하되어 버린다. 따라서 차량으로의 응용에는 셀의 대형화가 필수이다.

또한 연료로써 액체를 사용할 수 있는지 여부는 편리성 등의 관점에서 매우 중요하다. “액체는 취급이 용이해 모빌리티에 탑재하기 쉽다. 한편, 연료를 액체에서 기화시키는 프로세스가 들어가야 하기 때문에 시스템의 기술 개발은 난이도가 높다”(가토 연구원)라고 한다.

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