 연료전지 핵심부품 상용화 및 대량생산 시작 높은 강도와 내구성 가진 분리판…소부장 결실
탄소 복합체 분리판(Bipolar Plate)은 연료전지의 핵심 부품이자 대부분 수입에 의존했던 소재다. 분리판은 연료전지의 음극(수소)과 양극(산소)을 분리하고 전극에 공급되는 수소와 산소의 유로 역할, 전기화학 반응으로 생성된 전류를 부하에 전달하는 역할을 담당한다. 전기전도성 및 기계적 강도가 우수하고 부식에 강해야 하기 때문에 대개 탄소계열 또는 귀금속이 코팅된 금속판이 사용된다. 최근, 국내 연구진이 분리판 제조 원천기술을 개발해 중소기업 기술이전까지 진행함으로써 국산화의 길을 열었다.
정리 이창호 기자 자료 한국에너지기술연구원
 CNT 복합소재 분리판 시제품
한국에너지기술연구원(에너지연)은 최근, 고온에너지전환연구실 정두환(UST 교원) 박사 연구진이 확보한 발전 및 건물용 연료전지의 분리판 제조 원천기술을 ㈜씨엔티솔루션에 이전하고, 에너지연의 산업연계형 및 성공후불제 사업 공동연구를 통해 탄소 복합체 분리판 양산 체계를 구축했다고 밝혔다. 산업연계형은 기업 현장의 기술수요를 전문가와 매칭시켜 산업발전과 에너지 및 환경분야 등 사회적 문제의 해결을 지원하는 육성책이고, 성공후불제는 중소기업의 수요기술을 신속하게 지원해 기업의 신규 사업 진출 및 매출발생을 지원하는 제도다.
수소 연료전지의 핵심 부품 분리판 연료전지는 친환경적이며 높은 효율을 갖고 있다. 이에 관련 기술이 활발하게 개발되고 있고, 발전 분야를 비롯해 건물 및 수송 등 여러 분야에 걸쳐 적용되고 있다. 그러나 연료전지의 상용화와 보급 확대를 위해서는 소형화와 고밀도화, 경량화 등이 요구된다. 특히, 분리판은 여러 개의 단위전지를 연결해 스택의 골격을 구성하는 핵심 소재로, 스택 가격의 30%, 무게의 80%를 차지한다. 따라서 분리판의 비용절감과 무게로 인한 에너지밀도 감소 문제를 극복해야 하는 과제가 있다.
이러한 상황을 인식해 연구진은 탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT)를 이용해 높은 강도와 내구성을 갖는 탄소 복합체 분리판을 개발했다. CNT는 육각형 벌집모양의 탄소결합구조인 흑연판(graphene sheet)이 원통형으로 감겨진 구조를 가진 소재다. 속은 비어 있고 표면적은 넓은 특징을 갖는다. CNT가 첨가되지 않는 기존의 흑연 분리판과 비교해 가볍고 높은 전도도와 강도를 가지며, 후가공 공정이 필요 없다. 따라서 제조공정이 간단해 가격 저감과 양산화에 유리하다.
 한국에너지기술연구원 연구진이 CNT 탄소복합체 분리판의 기계적 물성을 측정하고 있다.
탄소나노튜브로 강도와 내구성 높여
기술의 주요내용과 특징을 좀 더 자세하게 살펴보면 이렇다. 연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 전기와 물을 만드는 장치로서, 분리판은 수소 연료전지의 핵심 부품중의 하나이다. 분리판의 역할은 여러 개의 단위전지들로 구성된 연료전지 사이의 가스 혼합을 방지하고 분리판 자체에 형성되어있는 유로를 통해 연료와 반응가스(공기 혹은 산소)를 일정하고 균일하게 공급하는 역할을 한다. 현재까지 주로 사용되고 있는 분리판은 금속 분리판 또는 흑연 블록을 이용한 분리판이 주로 사용되고 있다. 금속 분리판의 경우 연료전지 내부의 전기화학반응으로 인해 부식의 우려가 있고, 흑연 블록을 이용한 분리판의 경우 후처리(표면 및 유로 기계가공)시간 및 비용에 대한 문제점을 가지고 있다. 이에 연구진은 사출과 가압 공정으로 제작한 분리판으로 후처리에 대한 비용을 줄이고 분산된 CNT를 첨가해 CNT 복합소재 분리판을 제조하였다.
연료전지용 탄소계 분리판은 흑연블록에 수지를 함침 시켜 기계가공으로 유로를 형성시켜 사용해왔다. 그러나 흑연블록으로 가공된 분리판은 내부식성, 화학적 안정성 및 전기전도성이 우수하다는 장점이 있는 반면, 쉽게 깨어지는 단점과 유로 형성을 위한 기계 가공이 필요하다. 이로 인해 생산성과 가격 면에서 경쟁력이 떨어지는 문제가 있었다. 국내의 경우는 대부분 이와 같은 방식으로 분리판을 제작하고 있어 높은 가공비가 발생할 수밖에 없다.
이러한 흑연계 분리판의 문제점을 해소하기 위한 대안으로 고온고압 및 사출성형으로 고분자/탄소 복합체 분리판을 생산하는 연구와 금속재 분리판에 대한 연구개발이 진행돼 왔다. 탄소 복합체 분리판의 경우 해외 선진업체들을 중심으로 활발한 개발이 이루어져 현재 세계 유수의 연료전지 스택에 탄소 복합체 분리판이 사용되고 있다.
탄소 복합체 분리판은 전기 전도성 흑연 분말과 고분자 수지를 혼합해 원하는 유로를 압축 성형해 제조할 수 있으므로 분리판 제조시간과 비용을 크게 낮출 수 있다. 또한, 비중이 흑연이나 금속에 비해 낮아 경량화가 가능하고 내부식성이 우수한 장점을 가지므로 장시간 운전이 요구되는 건물용이나 분산전원용으로 활용할 수 있다.
그러나 흑연 중심의 탄소 복합체 분리판은 내부식성과 강도를 증가시키는데 그 한계가 있다. 연구진은 이를 개선하기 위해 CNT 등의 나노탄소소재를 이용해 고강도 고내구성의 탄소 복합체 분리판을 제조했고, 이를 통해 기존 CNT가 첨가되지 않는 흑연 분리판과 비교해 높은 전도도 및 강도를 가질 수 있었다.
US DOE 기술 목표 150 % 달성
연구진은 CNT를 첨가한 흑연을 필러(Filler)를 다양한 수지와 건식·습식 혼합 공정을 거쳐 CNT 복합체 분리판 중간 소재를 생산한다. 그리고 분말 또는 입상의 중간 소재를 열가압 성형 틀에 넣어 압력과 가열함으로써 최종적으로 CNT 복합체 분리판이 만들어진다.
연구진이 개발한 기술은 각각의 몰드를 활용해 수요기업에서 요구에 따라 발전이나 건물, 수송 등 다양한 용도의 분리판 제조가 가능하다. 또한 전기전도도 250 s/㎝, 굴곡강도 67 Mpa 이상을 얻어 미국 에너지부(USDOE)에서 제시한 기술적 목표(US DOE 2025 Target)를 150 % 이상 달성했다. 미 에너지성의 기술 목표가 제시하는 ‘수소 및 연료전지 프로그램’(Hydrogen & Fuel Cell Program)은 차량용 연료전지의 정량적 목표(2025년)로 전기전도도 100 s/㎝, 굴곡강도 40 MPa 이상을 제시하고 있다. 그리고 연구진의 기술은 260 oC 고농도 인산 내구성시험에서도 전혀 부식이 없어 저온과 중온의 발전 및 건물용 연료전지 스택재료로 사용할 수 있다.
산업부, 신기술 인증
원천기술은 2018년 6월에, 그리고 양산기술은 2021년 4월에 ㈜씨엔티솔루션에 이전됐다. 이 과정에서 원천기술과 양산기술은 ㈜씨엔티솔루션의 생산기술과 접목되었고, 에너지연 연구진들의 지도 및 협력을 통해 탄소복합체 분리판 양산 체계를 구축할 수 있었다고 한다. ㈜씨엔티솔루션은 연간 1만 5,000개의 분리판을 만들 수 있는 설비를 갖추고, 개발 첫해에만 5억 원의 매출을 기록했다. 현재 구축하고 있는 25만개 양산설비도 곧 가동될 전망이다.
연구진이 개발한 기술은 2021년 9월 ‘전기전도도와 강도가 향상된 수소연료전지용 CNT 복합소재 분리판제조 기술’로 산업통산부장관으로부터 ㈜씨엔티솔루션과 에너지연이 공동으로 신기술인증을 받았으며, ㈜씨엔티솔루션은 100대 강소기업에 선정되는 쾌거를 달성했다.
고온에너지전환연구실 정두환 박사는 “성공적인 기술이전을 통해 대부분 수입에 의존하고 있는 탄소 분리판의 국산화가 가능하게 되었다”며 “정부가 추진 중인 탄소중립 실현을 위한 연료전지 보급률 달성에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다. ㈜씨엔티솔루션 서정국 대표는 “에너지연에서 기획하고 진행하는 각종 연구사업을 통해, 우수한 연구 인력의 도움을 바탕으로 성공적으로 기술 개발 및 사업화를 진행할 수 있었다”고 말했다.
 NET 기술 인증서(좌) 및 강소기업 인증서(우)<Energy News>
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