소부장 결실, 연료전지 핵심부품 국내서 대량생산 시작~

- 에너지연, 고강도˙고내구성 분리판 기술 기업에 이전, 양산시작

- 연료전지 탄소복합체 분리판 양산 체계 구축

- CNT를 필러로 사용 분산 및 강화기술 개발을 통해 스택의 기계적/전기적 물성 증대

- 원료기술 및 성형기술 개발을 통한 분리판 양산화 달성

■ 연료전지의 핵심 부품이자 대부분 수입에 의존했던 탄소 복합체 분리판*이 국내 연구진에 의해 원천 기술이 개발되어 중소기업 기술이전 및 지속적인 협력 끝에 국산화의 길을 열었다.

* 분리판(Bipolar Plate): 연료전지의 음극(수소)과 양극(산소)을 분리하고 전극에 공급되는 수소와 산소의 유로 역할, 전기화학 반응으로 생성된 전류를 부하에 전달하는 역할을 담당하는 부품으로 전기전도성 및 기계적 강도가 우수하며 부식에 강한 소재로 일반적으로 탄소계열 또는 귀금속이 코팅된 금속판이 사용된다.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남, 이하 ‘에너지연’)은 고온에너지전환연구실 정두환(UST 교원) 박사 연구진이 확보한 발전용건물용 연료전지 분리판 제조 원천기술의 ㈜씨엔티솔루션(대표 서정국) 기술이전과 에너지연의 산업연계형*, 성공후불제* 사업 공동연구를 통해 탄소 복합체 분리판 양산 체계를 구축했다고 밝혔다.

* 산업연계형: 기업 현장의 기술수요를 전문가와 매칭시켜 산업발전과 에너지환경분야 등 사회적 문제 해결에 지원

* 성공후불제: 코로나19 장기화 속 중소기업의 수요기술을 신속 지원해 기업의 신규 사업 진출 및 매출발생 지원

□ 친환경적이며 높은 효율로 발전건물수송 등 여러 분야에 걸쳐 개발적용되고 있는 연료전지의 상용화를 위해서는 소형화, 고밀도, 경량화 등을 위한 기술개발이 필요하다. 특히 분리판은 여러 개의 단위전지를 연결해 스택의 골격을 구성하는 핵심 소재로, 스택 가격의 30%, 무게의 80%를 차지해 비용절감과 무게로 인한 에너지밀도 감소 문제를 극복해야 한다.

■ 이러한 상황을 인식해 연구진은 탄소나노튜브*를 이용해 고강도고내구성의 탄소 복합체 분리판을 개발했다. 기존 탄소나노튜브가 첨가되지 않는 흑연 분리판과 비교해 가볍고 높은 전도도와 강도를 가지며, 후가공 공정이 필요 없고 제조공정이 간단해 가격 저감과 양산화에 유리하다.

* 탄소나노튜브(Carbon NanoTube, CNT): 육각형 벌집모양의 탄소결합구조인 흑연판(graphene sheet)이 원통형으로 감겨진 구조로 속은 비어 있고 표면적은 넓은 특징을 갖는다.

□ 연구진이 개발한 탄소 복합체 분리판은 탄소나노튜브를 첨가한 흑연을 필러(Filler)로 사용해 다양한 수지와 건식습식 혼합 공정을 거쳐 탄소나노튜브 복합체 분리판 중간 소재를 생산한다. 분말 또는 입상의 중간 소재를 열가압 성형 틀에 넣어 압력과 가열을 통해 최종 탄소나노튜브 복합체 분리판이 만들어진다.

□ 연구진이 개발한 기술은 각각의 몰드를 활용해 수요기업에서 요구하는 발전건물수송 등 다양한 분리판 제조가 가능하다. 또한 전기전도도 250(S/cm), 굴곡강도 67Mpa 이상을 얻어 미국 에너지부(US DOE)에서 제시한 기술적 목표를 150% 이상 달성했으며, 260oC 고농도 인산 내구성시험에서도 전혀 부식이 없어 저온과 중온 발전용 및 건물용 연료전지 스택재료로 사용할 수 있는 성과를 이루었다*.

* US DOE 2025 Target: 미국 에너지부 Hydrogen & Fuel Cell Program에서 목표로 하는 차량용 연료전지의 정량적 목표(2025년), 전기전도도 100(S/cm), 굴곡강도 40(MPa) 이상

■ 연구진은 2018년 6월 원천기술을, 2021년 4월 양산기술을 ㈜씨엔티솔루션에 기술이전해 에너지연의 원천양산기술과 기업의 생산기술을 접목했으며, 에너지연 연구진들의 연구지도를 통해 탄소 복합체 분리판 양산 체계를 구축할 수 있었다

□ 현재 ㈜씨엔티솔루션은 연간 15,000개의 분리판을 만들 수 있는 설비를 갖추고, 개발 첫해 5억 원의 매출을 기록했다. 현재 25만개 양산설비를 구축 중이며 올해 상반기에 완료할 예정이다.

■ 이 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 되었으며 정부가 추진 중인 탄소중립 실현을 위한 연료전지 보급률 달성에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.

□ ㈜씨엔티솔루션 서정국 대표는 “에너지연에서 기획진행하는 각종 연구사업을 통해, 우수한 연구 인력의 도움을 바탕으로 성공적으로 기술 개발 및 사업화를 진행할 수 있었다.”고 말했다.

□ 한편, 이번 연구는 나노융합 2020 사업(우수연구성과 사업화지원사업) 및 에너지연의 자체사업인 2020 성공후불제, 2021 산업연계형 과제의 일환으로 수행됐다.