KISTI 산업정보분석실 김기일 (Tel: 02-3299-6033  e-mail: kimkiil@kisti.re.kr)

수소연료전지 자동차용 분리판의 역할  
수소연료전지 자동차용 분리판(Bipolar Plate, BP)은 연료전지에 공급되는 연료인 수소, 산소(또는 공기)를 가스흐름채널(Gas flow channels)을 통해 기체확산층(Gas Diffusion Layer, GDL)에 공급하거나, 반응의 결과 형성된 생성물인 물을 외부로 배출시키는 역할을 수행한다. 바람직한 분리판은 연료물질이 섞이는 것을 방지하여야 하며, 음극(Anode)에서의 수소산화반응의 결과 발생한 전자를 양극(Cathode)로 전달하는 전자전도체(Electron Conductor)이자, 반응의 결과 발생한 열을 잘 전달시킬 수 있는 높은 열전도도를 가져야 하며, 비교적 저렴한 생산단가로 가공할 수 있는 재료여야 한다. 

수소연료전지 자동차용 분리판은 연료의 원활한 공급과 물, 열, 전자의 배출통로로 연료전지 스택제조를 위한 핵심소재부품이다.

수지함침 흑연판의 대체소재로는 탄소복합체(Carbon Composite) 분리판을 들 수 있다. 탄소복합체 분리판은 일반적으로 탄소와 수지 혼합물을 틀에 부어 몰딩공정을 통해 제조되므로, 가격이 저렴하며 대량생산에 적합하지만, 전기전도도와 열전도도가 낮은 단점을 가지고 있다. 또한, 스테인레스 스틸 재질의 금속분리판의 경우, 가공/주물/몰딩 등을 통해 제조되며, 전기 및 열전도도는 매우 높은 반면, 부식에 약한 단점이 있어 이를 보완하기 위해 표면처리나 코팅, 합금 등의 방법으로 그 단점을 극복하고자 하나, 자동차 연료전지 구동 중 발생하는 수소/산소 간의 압력차로 인한 휨현상을 막는 데는 치명적 어려움이 있다.

이러한 문제점들로 인해, 현재 연료전지 시장 진입 단계에서는 수지함침 흑연판의 사용이 필수 불가결하지만, 향후 탄소복합체나 고강도 금속분리판의 단점들이 기술적으로 해결된다면, 탄소복합체와 고강도 금속분리판의 사용 비중이 현재보다 더 높아질 전망이다.

급성장이 예상되는 시장 동향
2012년 Pike Research 보고서에 의하면, 2015년 수소연료전지 자동차 초기 시장은 완성차 제조는 한국과 일본이 주도하며, 판매 시장은 유럽 및 미국이 될 예정이다. 수소연료전지 자동차 스택의 핵심부품 가격 비율은 연간 생산량에 따라 유동적으로 변하며, 연간 10만 대 이상 수소연료전지 자동차가 생산될 경우, 스택에 대한 각 핵심 부품의 가격 비율이 크게 변하지 않는다.

2014년 Frost&Sullivan 보고서에 따르면, 2022년 수소연료전지 자동차 생산량은 전 세계 자동차 시장의 2%인 연간 25만 대로 전망된다. 2022년 Frost&Sullivan 예측치 기반으로, 80kw급 수소연료전지 자동차(2022년 추산 예상 판매가격/대=5천만 원)가 연간 25만대가 생산될 경우, 연료전지스택은 전체 자동차가격의 60%를 차지하며, 그 연료전지스택 가격 중 20%가 분리판 가격비율이며, 결과적으로 자동차 한 대당 분리판의 가격 비율은 12%(60%✕20%)이며, 차량 한 대당 가격이 평균 5천만 원임을 감안할 때, 수소연료전지 자동차 분리판의 가격은 600만 원/대로 추산할 수 있다.

수소연료전지 자동차 개발 전문가 의견에 따르면, 미국이나 유럽에서도 수소연료전지 자동차를 개발하고는 있지만 당분간 수소연료전지 자동차 시장은 한국의 현대차와 일본의 토요타가 5대5 비율로 점유할 것으로 예측하고 있으며, 2015년 한국과 일본에서 각각 240대씩 합계 500여 대 내외의 수소연료전지 자동차가 생산될 것으로 전망하고 있다.

2015년 수소연료전지 자동차용 분리판 시장 규모는 30억 원 내외(국내 시장 15억 원 추정)에 그칠 전망이지만, Frost&Sullivan 발표 자료에 따르면, 2022년에는 25만 대가 생산되어, 수소연료전지 자동차용 분리판의 세계 시장 규모는 총 1.5조 원 규모로 형성될 전망이다.

상용화 검증만 이루어진다면, 아래 그림에서와 같이, 연평균 성장률 수백 %에 달하는 시장의 급성장이 예상된다.

국내의 경우, 분리판 시장은 대기업을 중심으로 주도하고 있는 반면, 강소기업은 에이스산업의 약진이 돋보인다. 탄소계 분리판 시장은 탄소분말 몰딩법을 기반으로 현재 한국타이어가 주도하고 있는 반면, 에이스산업에서도 박막성형이 가능한 비교적 높은 전기전도성을 갖는 탄소복합체 분리판 개발에 성공하여 시장 진입을 노리고 있다.

전 세계적으로 분리판 시장은 미국 Dana사와 일본 Nisshinbo사가 세계 선도기업이며, 국내에서는 현대하이스코, 포스코, 한국타이어, 에이스산업 등이 활발히 시장에 참여하고 있다.    

높은 가공성을 보이는 금속분리판의 경우, 상용 스테인리스강 표면에 내식성 및 전기전도성을 향상시키기 위해 코팅처리기술을 적용한 현대하이스코의 금속분리판이 현대자동차의 연료전지 자동차에 적용되어 현재 장기운전평가가 이루어지고 있는 상황이다. 그 밖에 포스코에서는 금속분리판 가격절감을 위해 니켈을 사용하지 않음과 동시에, 표면코팅처리하지 않는 새로운 합금을 개발하여 스탬핑기술을 통해 유로를 성형하고 있다. 하지만 금속분리판의 경우, 유입연료의 압력차에 의해 분리판이 휘어지게 되고, 스택이 틀어지는 문제점이 있어 이러한 문제점을 해결할 수 있는 기술개발이 선행되어져야 할 것으로 보인다. 

시장 활성화를 위한 선결과제 및 전략
2014년부터 일본의 자동차 전문회사인 Toyota와 한국의 현대자동차가 특히 연료전지자동차 상용화를 의하여 분리판에 많은 기술개발자금과 인력을 투자하고 있다. 현 시점에서 가장 효과적인 분리판 소재로는 탄소계이지만, 박막성형의 어려움 및 전기전도도 향상요구 등의 이슈를 여전히 가지고 있다. 

금속분리판에 대해 지속적인 수요가 이루어지고 있는 상황이지만, 금속분리판 사용 시 동반되는 차량 중량 증가에 따른 연비 저하, 부식성, 상대적으로 높은 열팽창률 등의 문제점이 선결되어야 하며, 분리판은 연료전지자동차 스택에서 반드시 있어야만 하는 핵심부품으로써 국가경쟁력 증대와 세계시장확대를 위해 정부 차원에서의 지원이 필요하다.

국내의 기술 개발/지원은 소재적 접근법과 이론설계적 접근법이 양쪽 방향으로 동시에 이루어져야 한다.

현존 분리판 성능향상을 위한 소재적 선결과제로는 스택용 나노복합구조를 기반으로 한 초소수성 유기소재 부품기술, 분리판의 기계적 물성 및 내열성 향상 기술, 탄소복합체 분리판 박판화 성형기술, 탄소복합체 분리판의 전기전도도 향상을 위한 표면처리기술, 금속분리판 소재기술 등을 들 수 있다. 또한 이론설계적 선결과제로는 빠른 기체전달 및 기체투과방지, 발수설계를 위한 유체유동구조 이해를 위한 3차원 유로설계기술 및 분리판 열화도 분석기술 등이 있다. 

국내 연료전지 시장은 최종 완성차 제조업체인 현대자동차에서 주도하지만, 분리판과 같은 부품에 대해서는 계열사인 현대하이스코가 개발을 주도하고 있고, 현재의 기술수준에서는 금속분리판의 즉각적인 사용에 한계가 있다. 따라서 현 단계에서는 가장 상용화에 근접한 탄소분리판 사용이 필수적이지만, 수지함침 흑연판으로는 해외제품에 비해 가격경쟁력이 매우 낮으므로, 탄소복합체 분리판을 기반으로 시스템 투입/기술 보완하는 방식이 가장 적합하고, 이 방향으로 기술개발이 이루어지는 것이 가장 바람직하다.