연료전지 스택 핵심부품 ‘분리판’, 대량 생산 길 열려

프레스 성형을 위한 분리판 설계도(좌) 및 제작된 모듈. (자료제공: KIER)

한국에너지기술연구원(KIER. 원장 김종남)은 고온에너지전환연구실 유지행 박사 연구팀이 국내 최초로 프레스 금형을 이용한 스탬핑 금속분리판기술 개발을 통해 2kW급 고체산화물연료전지스택을 제작·운전하는데 성공했다고 1월 27일 밝혔다.
제3세대 연료전지라 불리는 고체산화물연료전지(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)는 600～1000 ℃ 정도의 고온에서 작동되는 연료전지로서, 도시가스를 사용하는 연료전지 중 가장 효율이 높고 연료 개질기가 단순해 시스템 수명이 늘어나며, 복합발전이 가능하다는 장점이 있다
연료전지 스택은 연료극-전해질-공기극으로 구성된 단위전지, 금속분리판, 밀봉재 등으로 이루어진 기본부품이 반복 적층된 형태이다. 전기화학반응을 통해 직류전류를 발생시키는 스택은 자동차의 엔진과 같은 핵심 부품으로, 연료전지의 내구성과 초기 투자비용을 결정하는 매우 중요한 요소이다.
연료전지 스택에 사용되는 금속분리판은 수십 개의 단위전지 사이를 전기적으로 연결하는 연결재인 동시에 연료와 공기를 각 단위전지에 공급하는 매니폴드의 역할을 하는 핵심 부품이다. 금속분리판은 연료와 공기의 흐름을 제어하기 위한 미세 유로를 포함하도록 제작돼야 해 단위전지와 함께 가장 높은 가격비중을 차지한다.
금속분리판은 공기 및 연료 주입부를 포함하고, 표면에는 기체의 흐름을 유도하는 가스채널이 필요하기 때문에 초기 개발단계에서는 기계적 가공으로 유로 패턴을 만든다. 하지만 건물발전용 연료전지의 가격경쟁력을 높이고 부피를 최소화하기 위해서는 프레스 금형을 이용해 금속분리판을 성형하는 양산기술 적용이 필수적이다.
이러한 가운데 유지행 박사 연구진은 두께 1mm의 국산 분리판 소재(POSCO, STS460FC)를 스탬핑해 제작한 요철구조의 분리판 기술을 통해 80개의 단위전지와 분리판으로 구성된 2kW급 고체산화물연료전지 스택 개발에 성공했다.
연구진은 프레스 금형을 이용하여 두께 1mm 이하의 금속박판을 스탬핑하기 위해 분리판 상면과 하면에 엠보싱 형태의 돌기를 교차로 배열해 분리판 양면에 유로를 형성했다. 이와 동시에 단위전지가 안착되는 프레임도 여러 개의 레이어를 브레이징 접합함으로써 양산성과 품질 신뢰성을 동시에 확보할 수 있는 분리판 모듈기술을 개발했다.
스탬핑 분리판 기술은 기존의 기계가공에 비해 제조비용을 1/10 이하로 낮추고 공정시간을 1/100 이하로 줄일 수 있어 연료전지 가격 저감 뿐 아니라 개발기간도 획기적으로 단축시킬 수 있다. 또한, 여러 개의 금속 레이어들을 브레이징 접합해 모듈화하는 단계에서 부품의 불량을 사전에 확인함으로써 연료전지 스택의 불량으로 인한 문제를 사전에 예방할 수 있으며, 연료전지 시스템의 운전-정지의 반복과정에서 연료와 공기의 누설을 최소화할 수 있는 기술이 적용됐다.
연구진이 개발한 2kW급 고체산화물연료전지 스택은 각 단위 셀들이 균일한 성능을 보였으며, 핫박스 모듈에 적용해 200시간동안 성공적으로 운전함으로써 상용화 가능성을 확인했다. 개발된 스택기술은 건물용 연료전지 뿐 아니라 발전용 고효율 연료전지에도 활용이 가능할 것으로 기대한다.
연구원에서 개발한 2kW급 스택은 포스코에서 개발한 연료전지용 금속분리판 소재를 이용해 ㈜세종공업의 금형기술과 ㈜동일브레이징의 브레이징 접합기술을 통해 제작됐다. 국내 고온형 연료전지는 대부분 해외 기업에서 수입하는 상황에서 국산 소재와 부품기술을 적용해 개발됐으며, 국내에서는 처음으로 양산기술이 적용된 분리판을 사용해 개발됐다는 점에 의의가 있다.
연구책임자인 유지행 박사는 “개발된 기술은 도시가스를 사용하는 고온형 연료전지의 핵심 부품으로써 시스템 개발의 걸림돌이었던 스택 국산화와 가격경쟁력을 높이기 위한 혁신적인 기술로 스택원천기술 개발을 통해 연료전지 실용화를 앞당기는 노력을 할 것“이라고 밝혔다.
이번 연구는 산업통상자원부 소재부품기술개발사업 및 에너지기술개발사업, 연구원 기본사업, 중소벤처기업부 산연협력기술개발의 지원으로 수행됐으며 기술개발을 통해 특허출원을 완료했다. 연구원은 개발된 고온형 연료전지 스택기술을 건물용 연료전지 시스템에 적용하기 위해 ㈜범한퓨얼셀과 공동연구를 수행하고 있다.