JTEKT는 환경순환성이 뛰어난 포름산을 유효하게 활용한 새로운 연료전지의 연구개발을 추진하고, 이것을 실용화하기 위해 일본 최초의 50W급 기능 실증테스트기를 개발했다. 2018년부터 연료전지분야에 정통한 가나자와대학교(金澤大學)의 쓰지구치 타쿠야(?口拓也) 준교수와 직접 포름산형 연료전지의 공동연구를 추진해왔으며, 이번에 성과를 얻게 되었다. JTEKT는 해당 직접 포름산형 연료전지 “J-DFAFC(JTEKT-Direct Formic Acid Fuel Cell)”를 탄소 중립을 실현하는 요소 중 하나로 삼아, 탈탄소 사회의 실현과 지속 가능 발전 목표의 달성에 기여할 방침이다.

▲ 직접 포름산형 연료전지의 기능 실증테스트기(50W급)

JTEKT는 Environmental Challenge 2050을 목표로, “저탄소 사회의 구축, 순환형 사회의 구축” 등 다섯 가지 항목의 환경지침을 내걸고 있다. 이 대응의 일환으로 자동차부품, 베어링, 공장기계와 같은 기존 사업의 틀을 뛰어넘어 탈탄소 사회 실현 대한 대응으로 “제조, 사용, 재활용”의 관점에서 신에너지를 연구하고 있다.

일반적인 신에너지 자원으로는 수소, 암모니아, 알코올 등이 있지만, JTEKT는 환경순환성이 뛰어나고 에너지밀도가 높은 포름산에 주목했다.

이런 상황 속에서 연료전지분야에 정통한 가나자와대학교의 쓰지구치 준교수와 2018년부터 직접 포름산형 연료전지의 공동연구를 시작하고, 산학연계를 통해 연구를 가속화함으로써 이번에 연구성과를 얻게 되었다.

포름산은 공업분야에서는 수지나 초산 제조 시의 부산물로도 생산, 유통되며 주로 축산 및 농업분야에서 사용되고 있다. 하지만 사용분야가 한정적이며 에너지 자원으로는 이용되지 않고 있다.

포름산의 분자구조는 HCOOH이며, 수용액은 연소 및 폭발의 가능성이 없어 안전성이 뛰어나며 환경순환성이 높다는 점에서 다른 발전용 연료에 비해 취급 용이성, 환경 측면에서도 뛰어나다.

또한 앞으로 인공광합성으로 대표되는 이산화탄소와 물의 반응으로 합성되는 포름산의 활용도 기대할 수 있다. JTEKT는 이처럼 환경순환성이 뛰어난 포름산을 연료로 사용해 발전에 이용할 수 없을까, 즉 신에너지 자원으로 활용할 수 없을까 하는 생각으로 연구를 추진해왔던 것이다.

직접 포름산형 연료전지(J-DFAFC)는 고체고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell, PEFC)의 일종으로 연료로써 수소가스와 알코올 수용액이 아니라 포름산수용액(HCOOH)과 공기중의 산소(O₂)를 사용해 발전하는 연료전지다.

음극(애노드)에 공급된 포름산 수용액이 촉매를 통해 이산화탄소(CO₂)로 분해되고, 그 사이 수소이온(H+)과 전자(e-)를 생성, 생성된 전자는 외부회로를 통과하고 수소이온은 전해질막을 통과해 양극(캐소드)에 도달한다. 그 다음 산소와 반응하여 물(H2O)을 생성하는 것이다. 이와 같은 일련의 화학반응을 통해 전력이 발생한다.

◆ 발전원리
이번에 개발한 기능 실증테스트기는 가나자와대학교의 독자적인 팔라듐 촉매(Pd/C)기술, JTEKT의 기존사업을 통해 쌓아온 재료 및 표면처리기술, 분석기술, 제조기술 등을 활용해 발전 효율을 향상시켰다.

배터리 사이즈는 9cm(사각형)이며, 셀을 여러 장 적층한 구조로 메탄올을 이용한 연료전지보다 높은 최대출력밀도 290mW/cm²를 달성했다. 저소음, 저진동으로 가동할 수 있으며 액체형 연료전지의 특징을 살린 장시간 발전도 가능하다.

▲ 발전 셀 외관

현재 수백 W급의 연료전지 개발을 추진하고 있으며, 사내에서의 이용을 계획하고 있다. 나아가 1kW급 개발을 추진하여 상품화를 목표로 한다. 조명, 통신용 전자기기 등의 전원을 비롯하여 비상용 전원, 원격지 전원, 나아가 주택과 시설 등지에서 사용하는 소형 분산전원 등의 용도를 고려하여 출력밀도 향상, 전력 안정화의 기술 개발을 추진해나갈 방침이다.