[월간수소경제 성재경 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남)이 국내 최초로 프레스 금형을 이용한 스탬핑 금속분리판 제작기술 개발을 통해 2kW급 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택을 제작해 운전하는 데 성공했다.

연료전지 스택에 들어가는 금속분리판은 수십 개의 단위전지 사이를 전기적으로 연결하는 연결재인 동시에 연료와 공기를 각 단위전지에 공급하는 매니폴드의 핵심 역할을 한다. 금속분리판에는 기체 연료와 공기의 흐름을 제어하는 미세한 유로를 포함하고 있어 단위전지와 함께 스택에서 가장 높은 가격 비중을 차지한다.

금속분리판은 공기와 연료 주입부를 포함하고 있으며, 표면에 기체의 흐름을 유도하는 가스 통로가 필요해 초기 개발단계에서는 기계 가공으로 유로 패턴을 만든다. 

하지만 건물‧발전용 연료전지의 가격경쟁력을 높이고 부피를 최소화하기 위해서는 프레스 금형을 이용한 양산기술의 적용이 꼭 필요하다.

에너지연 고온에너지전환연구실 유지행 박사팀은 두께 1mm의 국산 분리판 소재(포스코, STS460FC)를 스탬핑 방식으로 제작한 요철구조 분리판 기술을 통해 80개의 단위전지와 분리판으로 구성된 2kW급 SOFC 스택을 개발하는 데 성공했다.

스탬핑 분리판 기술은 기존 기계가공에 비해 제조비용을 1/10 이하로 낮추고 공정시간을 1/100 이하로 줄일 수 있어 연료전지 가격 절감뿐 아니라 개발기간을 크게 단축시킬 수 있다.

또한, 여러 개의 금속 레이어들을 브레이징(brazing) 접합해 모듈화하는 단계에서 부품 불량을 사전에 확인할 수 있고, 연료전지시스템의 운전과 정지를 반복하는 과정에서 연료와 공기의 누설을 최소화할 수 있다.

연구진이 개발한 2kW급 SOFC 스택은 각 단위 셀들이 균일한 성능을 보였으며, 핫박스 모듈에 적용해 200시간 동안 성공적으로 운전해 상용화 가능성을 확인했다. 개발된 스택 기술은 건물용 연료전지뿐 아니라 발전용 고효율 연료전지에도 활용이 가능할 것으로 기대된다.

이번 연구는 포스코에서 개발한 연료전지용 금속분리판 소재를 이용해 ㈜세종공업의 금형기술과 ㈜동일브레이징의 브레이징 접합기술을 통해 제작됐다. 국내 고온형 연료전지를 대부분 해외 기업에서 수입하는 상황에서 국산 소재와 부품기술을 적용했다는 점에 큰 의의가 있다.

연구책임자인 유지행 박사는 “도시가스를 사용하는 고온형 연료전지의 핵심 부품으로써 시스템 개발의 걸림돌이었던 스택 국산화와 가격경쟁력을 높이기 위한 혁신 기술”이라며 “스택 원천기술 개발을 통해 연료전지 상용화를 앞당기는 노력을 이어가겠다”고 말했다.

에너지연은 이번에 개발된 고온형 연료전지 스택 기술을 건물용 연료전지 시스템에 적용하기 위해 범한퓨얼셀과 공동연구를 수행하고 있다고 전했다.