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[e Autopos 언박싱 4] 무코팅 분리판소재 세계최초 적용, 스테인리스 Poss470FC!

자동차 산업에도 친환경 바람이 불고 있다. 다가올 그린모빌리티 시대를 대비해 포스코는 친환경차 통합 브랜드 ‘e Autopos’를 선보였다. e Autopos에는 포스코의 어떤 기술력과 솔루션이 숨어 있는지 그 면면의 이야기들을 뉴스룸이 특집 시리즈로 전한다.

e Autopos 언박싱, 이번 편은 기나긴 대장정의 화려한 마무리가 될 ‘수소연료전지’ 편이 되겠다! 그동안 e Autopos의 ‘차체 및 섀시 솔루션 ⇒ 구동모터 솔루션 ⇒ 배터리팩 강재’라는 여정을 지나고 나니, e Autopos의 전문가가 된 것 같은 기분 뿜뿜!

이번 시간에는 외부에서 공급된 수소와 산소를 반응시켜 연속적으로 전기를 생산하는 ‘수소연료전지’에 대해 알아보려 한다. 그럼, e Autopos의 마지막 언박싱! 지금부터 시작해 볼까?

차체 / 섀시 - 기가스틸, 1500MART, 980XF, 1180TRIP 등. 구동모터 - Hyper NO. 배터리팩 - Roll Formed Side Frame. 수소연료전지 - Stainless Poss470FC POSCO e Autopos

수소와 공기 중 산소의 전기화학반응을 이용해 전기와 열에너지를 직접 생산해내는 고효율의 수소연료전지. 친환경 미래 발전 시스템으로 수소전기차에 적용되는 연료전지(PEMFC, Proton-exchange membrane fuel cell)는 내연기관차의 ‘엔진’ 역할을 수행한다.

수소를 생산하고 연료로 사용할 때 매우 주요한 역할을 하는 것이 바로 ‘분리판’ 이다. 분리판은 수소와 산소의 이동통로로서, 전기전도성이 높고 부식에 강해야 하기 때문에 뛰어난 기술력이 요구된다. 분리판에는 수소를 생산하는 데 들어가는 ‘수전해 분리판’과, 수소전기차와 같이 수소를 연료로 사용하는데 들어가는 ‘연료전지 분리판’으로 나뉘는데, 이번 시간에 알아볼 부분이 바로 ‘연료전지 분리판’이다.

l 무코팅 분리판소재에 세계최초 적용된 스테인리스 Poss470FC!

수소연료전지 셀(Cell) - 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기와 열을 생산, 분리판 (Bipolar Plate) - 수소와 공기의 통로 역할을 하고, 단위 셀에서 생성된 전기를 연결해 주며 기계적 지지 역할을 함. 가혹한 사용환경으로 부식에 강한 스테인리스강이 적용됨. 공기, 냉각수, 수소기체 순환. 수소기체, 냉각수, 물 공기

▲수소연료전지 구조

수소연료전지 내부는 셀(Cell)을 쌓은 스택(Stack)과 분리판으로 구성된다. 셀에서 생성된 전기를 연결해주고 기계의 지지 역할을 하는 분리판(Bipolar Plate)을 자세히 한번 살펴보자. 수소와 공기의 통로 역할을 하는 분리판에는 외부의 험한 사용 환경에도 부식에 강한 스테인리스강이 적용된 것을 알 수 있다.

포스코가 독자 개발한 고Cr 스테인리스강 Poss470FC를 분리판 소재에 적용함으로써 내식성을 충분히 갖추게 되었고, 포스코 고유의 후처리 기술로 표면 전기전도성을 확보하면서 코팅 공정을 생략할 수 있게 되었다.

여기서 잠깐!

*스테인리스강
크롬(Cr) 함량이 10.5~12wt% 이상인 잘 녹슬지 않는 성질을 갖는 합금강. 약 2nm의 매우 얇은 부동태(不動態) 피막 Cr2O3가 얇고 치밀하여 외부 산소의 침입이 어려워서 일반 대기환경에서 잘 녹슬지 않는다.
스테인리스강과 탄소강의 산화피막 특성 비교. 스테인리스강 Cr2O3 Base Metal -피막이 얇고 치밀하여 외부 산소의 침입이 어렵다 -일반 대기환경에서 녹이 잘 슬지 않는다. 탄소강 Fe-Oxicle 층 Base Metal -피막이 두껍고 다공질(多孔質)이어서 외부산소의 침투가 용이하다 -일반 대기환경에서 쉽게 녹슨다

*Poss470FC
POSCO Stainless Steel 470 Fuel Cell, 접촉저항이 강하고 내식성이 높다.
주요특성 (접촉저항성,내식성)

l Poss470FC, 넌 누구니

e Autopos 수소연료전지 분리판 탄생이 있기까지 혁혁한 공을 세운 Poss470FC 를 좀 더 파고 들어볼까. 포스코는 2006년부터 연료전지 분리판 개발에 착수해, 2018년 수소전기차 ‘넥쏘’에 적용된, 초고내식 스테인리스 스틸 분리판 소재인 ‘Poss470FC’를 개발하고 상용화하는데 성공했다.

Poss470FC의 가장 큰 성공비결은 앞서 언급한 포스코 고유 후처리 기술을 통한 코팅 공정 생략이다. 이쯤에서 연료전지 분리판 소재의 변천 추이를 살펴볼 필요가 있다.

과거 비용이 높고 충격에 약한 흑연을 많이 활용했으나 현재는 내식성이 확보된 금속소재에 표면 전기전도성을 부여하고자 코팅 처리를 하고 있다. 하지만, 코팅 소재로 귀금속을 많이 사용하다 보니 소재 자체의 가격이 높고, 추가적인 코팅 공정을 필요로함으로써 가공 비용도 덩달아 증가하게 된 것.

반면, Poss470FC는 포스코 고유 후처리 기술로 표면 전기전도성을 확보함으로써 코팅 공정을 생략할 수 있는 강점을 지닌다. 훌륭한 내식성과 성능이 우수하면서도 비용은 금 코팅 316L의 절반, 카본 코팅 티타늄의 40%밖에 들지 않아 가격경쟁력까지 높일 수 있었다.

제품의 크기도 줄이면서 혁신적인 소재로 평가받고 있는 Poss470FC는 국제스테인리스스틸협회 (ISSF, International Stainless Steel Forum) 2018년 신기술상(New Technology Award) 부문 금상을 수상했으며, 2019년 한국공학한림원 ‘대한민국 산업을 이끄는 산업기술성과 15선’에 선정되기도 했다.

2016년 북미국제모터쇼(NAIAS) 기술전시회 포스코 부스에 전시된 Poss470FC 연료전지 분리판

▲2016년 북미국제모터쇼(NAIAS) 기술전시회 포스코 부스에 전시된 Poss470FC 연료전지 분리판

l 연료전지가 전류를 일으키는 메커니즘

연료전지 발전의 메커니즘은 물의 전기분해의 역방향으로 진행된다. 즉, 물에 전기를 흐르게 하면 수소와 산소가 발생하지만, 연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시킨다. 연료극에서 수소는 수소이온과 전자로 나누어진다. 전해질의 고분자막은 수소이온만을 통과시키고, 막 안쪽의 음극에는 전자가 남게 된다. 수소이온은 공기극의 산소와 결합하여 물이 되며, 이 양극 사이의 전위차에 의하여 전류가 발생하게 된다.

연료전지 작동원리

▲연료전지의 작동원리

*연료극(Anode) 반응식 : H2 → 2H+ + 2e-
*공기극(Cathode) 반응식 : ½ O2 + 2H+ + 2e- → H2O
*총반응식 : H2 + ½ O2→ H2O + 전기 + 열 에너지

이상, e Autopos 수소연료전지 편까지 총 4회에 걸친 연재는 아쉽게도 여기서 마무리! 그동안 뉴스룸을 통해 차체/섀시 강판, 구동모터용 에너지 고효율 강판, 배터리팩 강재 및 배터리용 소재, 수소연료전지 분리판까지 함께 살펴보니 ‘e Autopos’ 성공에 대한 자신감도 함께 뿜뿜! 친환경차의 미래는 그린모빌리티 시장의 선두주자 ‘e Autopos’, 그리고 포스코가 함께 한다.