수소(또는 직접메탄올) 연료전지용 세라믹-금속 복합 분리판

윤 영 수_ 가천대학교 화공생명공학과 교수

이 석 희_ 가천대학교 화공생명공학과 연구교수

1. 서 론

20세기 인구증가, 삶의 기준 향상, 공업과 교통 시스템이 발전함에 따라 전 세계 에너지 소비가 상당히 증가했다 [1]. 전 세계에서 사용 중인 에너지 시스템으로는 주로 화석연료를 태우는 것을 기본으로 한다. 화석연료의 주된 소비는 온난화, CO2, NOx, SOx, volatile organic chemical(VOCs), 미세입자와 같은 물질들을 만들어 환경문제를 야기 시킨다. 이런 문제들의 관점에서 현재 더 효과적인 에너지 변환 장치의 발전과 활용은 지금의 에너지 수요를 맞추기 위해서 필요로 한다. 연료전지는 기존의 에너지 원천 보다 더 효율적이다. 그리고 연료전지에서 나오는 열을 이용 열 병합을 할 수 있어 80%보다 더 높은 효율을 가지고 있다 [3]. 연료전지에서 연료의 화학에너지는 연소 없이 직접 열과 전기로 변환된다. 그 결과 연료전지는 내연기관 또는 열기관의 카르노 사이클(Carnot cycle)의한 최대 효율에 제한을 받지 않는다. 수소는 연료전지에서 가장 이상적인 연료로 고려된다. 또한 순수한 수소를 연료로 사용한다면 CO2, NOx, SOx, 미세입자 같은 공기 오염을 일으키지 않는다. 탄소가 기본이 되는 연료로부터 수소가 개질 될 때, 기존의 에너지 원천보다 40-60%보다 적은 CO2를 배출한다 [1, 2]. 바람과 태양을 사용하여 수소가 생산 될 때 CO2의 배출은 완벽하게 제거할 수 있다. 여러 종류의 연료전지들 사이에서 PEMFCs(Polymer Electrolyte Mem-brane Fuel Cells)는 많은 주목 받고 있다. 수소 연료전지는 높은 효율과 전력밀도, 낮은 작동 온도, 빠른 초기 작동은 W에서 MW급까지 전력을 필요로 하는 휴대용 장치, 자동차, 군사용 통신 장비, 주거용 장치 등 매우 다양한 분야에서 응용될 수 있다 [3].

2. 수소 연료전지의 구성

수소 연료전지의 단위전지에서 발생되는 기전력은 매우 작기 때문에 수십 수백 개의 단위전지를 적층시켜 스택을 구성하여 제작한다. 이때 스택을 구성하는 단위전지의 개수와 크기에 따라 다양한 범위의 출력을 낼 수 있다. 단위전지의 주요 구성요소는 Fig. 1에 나타난 바와 같이 고분자전해질 막, 전극(촉매 층), 가스확산층 그리고 스택을 구성하기 위한 분리판 등으로 이루어져 있으며 각각의 역할과 특징 등은 다음과 같다.
연료전지에서 전기화학 반응은 그림1에서와 같이 연료극(Anode)에서는 산화반응과 공기극(Ca-thode) 에서의 환원반응으로 구성된다. 두 개의 전극은 전해질 고분자막에 의해서 서로 분리되어 있다. 연료극과 공기극 양쪽 모두에 가장 좋은 촉매는 백금이다. 수소 연료전지의 개발 초기 에는 촉매에 28 mg/cm2의 백금이 사용되었다. 하지만 최근에는 출력을 증가시키고도 0.2 mg/cm2까지 감소했다. 백금 촉매는 상당히 작은 입자로 만들어 이것보다 큰 탄소 분말의 표면에 부착 시킨다. 탄소 기반은의 분말은 XC72가 널리 이용되고 있다. 연료전지용 수소 이온 전도성 고분자 전해질 막은 연료전지의 성능을 결정짓는 연료전지의 매우 중요한 핵심요소이다. 1968년 Du Pont사의 Nafion 막이 개발된 이후, 연료전지용 전해질로 고분자 전해질 막이 본격적으로 사용되었다 [4]. Nafion 막은 수소이온 전도도가 크며, 밀도가 낮고 기계적 강도가 우수할 뿐만 아니라, 연료전지 내 심각한 산화 및 환원분위기에서도 화학적으로 매우 안정하여 60,000시간 이상의 내구성을 지니고 있다 [5]. 하지만 저습, 고온(90℃이상)에서는 함수량의 감소로 인한 이온전도도의 감소와 복잡하고 어려운 제조 공정으로 인한 높은 생산비용 등의 문제점이 있기 때문에 현재, Nafion 막을 대체할 우수한 고온 특성 및 저가의 새로운 고분자 전해질 막에 대한 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 가스 확산층은 전극 바로 다음에 위치하면서 전극에 연료 및 공기를 공급해주는 역할을 한다. 가스 확산층은 고분자 전해질 막에 적당한 수분이 존재하도록 조절해주기 위해 꼭 필요한 구성요소로 공기극에 과량의 수분이 존재하는 것을 막아주기 위해 그 위에 테프론과 같은 방수제로 표면처리하기도 한다. 보통 100-300 μm 정도의 두께를 가지고 있으며 다공성 carbon paper, cloth, felt 등으로 만들어진다. 수소 연료전지의 분리판(bipolar plate)은 고분자 연료전지 스택 내에서 연료극에서 생성된 전자를 공기극 쪽으로 전도해주는 집전판 역할을 하는 전기전도성 판으로서 스택의 핵심부품이다. 한쪽 면에는 연료극의 가스유로가 새겨져 있고, 다른 쪽 면에는 공기극의 가스유로가 생겨져 있기 때문에 양극판 또는 유로판(flow field plate)으로 불리기도 한다. 분리판은 연료극 및 공기극에 각각 연료와 산화제를 공급해주는 통로를 제공해 주는 동시에, 전지운전 중에 생성된 물을 제거해주는 배출통로의 역할도 한다. 그리고 연료전지의 운전 시 발생하는 열을 효과적으로 방출하여 일정한 온도의 운전조건을 유지하기 위한 냉각판의 역할도 겸하고 있다. 또한 MEA를 지지해 주는 중요한 역할을 한다.

3. 수소 연료전지 분리판 개발필요성

수소 연료전지는 스택, 개질기, BOP(balance of plant) 등의 구성품으로 나누어지는데, 그 중 스택은 수소와 산소를 반응시켜 전기를 얻는 자동차 의 엔진과 같은 역할을 하는 구성품으로 전해질, 전극, 분리판 등의 부품으로 되어있다. 그림 2는 고분자전해질형 연료전지 스택의 부품별 중량비와 가격비를 나타낸 것으로, 가볍고 가격이 저렴한 분리판이 개발된다면 연료전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있을 것으로 예상된다.

4. 수소 연료전지 분리판의 요구조건

1. 연료전지의 효율을 높이기 위해서는 분리판의 전기 전도도를 높여 전압 손실이 최소화가 되도록 해야 한다. 일반적으로 연료전지가 1 A/cm2의 전류로 작동한다고 가정하면, 충분한 효율을 위해서는 전압 손실이 10mV/plate 이하가 되어야 한다. 이를 스택을 구성하는 분리판의 저항으로 계산하면 각 plate 당 10-20 mΩ·cm2 사이어야 하는데 이는 금속과 몇몇 반도체의 저항 값과 비슷한 수준이다 [4].
2. 가스 투과율이 매우 낮아야 한다. 분리판의 한 쪽 면은 수소가 흐르고 다른 한 쪽 면은 공기가 흐르는데 이런 연료가스들의 누설은 안정성 및 효율에 직접적인 연관이 있으므로 수소와 공기의 흐름을 완벽하게 분리해야 한다. 일반적으로 연료전지는 1 A/cm2의 전류로 작동 시 전극 표면의 단위 면적 당 2.1 X 10-5 mole/sec1와 수소와 접하게 된다. 따라서 안전성 및 효율에 영향을 미치지 않는 범위인 0.5%의 누설률을 고려할 경우, 분리판의 최대 가스 투과도는 1.0 X 10-4 cm2/sec·cm2 수준이 되어야 한다 [4].

3. 제조 단가가 낮아야 한다. 현재 분리판 재료로
가장 널리 사용되는 graphite의 경우, 원재료의 값은 저렴한 편이지만 분리판으로 제조 시 공정이 복잡하여 제조 단가가 매우 높아 수소 연료전지의 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있다. 따라서 분리판 제조비용 단가를 줄일 수 있어야만 연료전지의 대중적인 상용화가 가능하며, 미국 에너지성의 분리판 상용화 목표 가격은 $10/KW이다 [6].
4. 작동 조건이 가압 상태이며 연료 가스의 유출을 막기 위해 스택 간 밀착을 시키게 되는데 이러한 힘을 지탱해야 하기 때문에 충분한 기계적 강도 및 내구성이 요구된다. 50 MPa이상의 강도를 가져야만 한다.
5. 수소 연료전지에 사용되는 고분자 전해질 막은 술폰산(sulfonic acid)기를 포함하고 있는 강산 분위기다. 따라서 분리판으로 사용할 재료는 이러한 강산 분위기에서의 우수한 내식성이 요구된다.
6. 수소 연료전지는 단위전지를 여러 층으로 쌓아 스택을 만들어 사용하는데, 분리판은 스택의 단위전지 사이에 반복적으로 사용되기 때문에 스택의 전체 무게 및 부피에서 분리판이 차지하는 비율은 매우 크다. 현재 연료전지 시스템의 4kg/kW 정도로, 이 중 분리판이 차지하는 무게 비율은 약 30% 정도다.
7. 수소 연료전지의 성능 및 내구성은 운전온도에 민감하므로 분리판은 운전 시 발생하는 열을 효과적으로 방출할 수 있도록 열전도도가 우수해야 한다.
8. 수소 연료전지의 물 관리는 분리판의 의해서 이루어진다. 분리판과 물의 접촉각이 작으면 물을 배출하는데 어려움이 있어 이를 위해서 물과의 접촉각이 90°에 가까울 정도로 표면장력이 커야 한다.

더 자세한 내용은 월간세라믹스 1월호에서 확인하실 수 있습니다.