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충전 시간 짧고 無 배기가스 '연료 전지'의 진격

[생생일본통] 일경 일렉트로닉스, 연료 전지 시장 전해
가시화된 新수소 사회, 저 백금화 기술 등도 소개
자료제공=해동일본기술정보센터 기자 helloddnews@daum.net 입력 : 2019.04.25|수정 : 2019.05.03
대덕넷이 매주 목요일 일본 과학기술 및 산업계 최신 동향을 소개하는 '생생일본통'을 연재합니다. 해동일본기술정보센터의 지원을 받아 일본의 기술서적과 정기간행물, 일본 정부 산업계 백서 등 다양한 정보를 번역해 제공합니다. 더 많은 최신 일본 기술정보는 해동일본기술정보센터 홈페이지를 통해 확인 할 수 있습니다.<편집자 주>

미래 에너지 문제와 공해 문제를 한꺼번에 해결할 수 있는 대안으로 연료 전지가 떠오르고 있다. 연료 전지의 기본 원리는 전기를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하는 것을 역이용해 수소와 산소에서 전기 에너지를 얻는 것이다. 연료 전지는 중간에 발전기와 같은 장치를 사용하지 않고, 수소와 산소의 반응에 의해 전기를 생산해 발전 효율도 매우 높다. 

일본 전기전자·정보통신 정기간행물 일경 일렉트로닉스(日経エレクトロニクス) 자료에 따르면 리튬이온전지(LIB·Lithium-ion Battery)를 사용했던 차량의 전원을 연료 전지로 대체하는 움직임도 나오고 있다. 대표적인 영역이 물류업. 연료 전지로 대체한 지게차는 배기가스를 방출하지도 않고, 충전에도 오랜 시간이 걸리지 않아 생산성이 급격히 증가한다는 내용이다. 

이 밖에도 가시화된 新수소 사회, 세계 곳곳에서 재생에너지로 수소를 제조하고 있는 동향과 '저 백금화' 기술 등이 소개됐다. 자세한 내용을 아래에 소개한다. 

◆연료 전지 덕에 24시간 일하는 지게차, 저온에도 강해

1997년 창업한 연료 전지 장치 개발업체인 미국의 'Plug Power'의 사례에서 볼 수 있다. 2012년까지는 거의 무명이었지만, 2013년 이후에는 미국 월마트, 아마존닷컴 등과 수십억 엔 규모의 대형 계약을 잇달아 체결했다. 

미국 컨설팅업체 딜로이트는 매년 가장 급성장한 기술 기업을 'Technology Fast 500'으로 뽑는데, 이 기업은 2015년부터 3년 연속 선정됐다. 리스트에 포함되는 기업은 대부분 IT 기업이다. IT와 다소 거리가 있는 기업, 게다가 창업 20년 이상의 기업이 선정되는 것은 극히 드물다.  

연료전지 지게차의 도입이 가파른 이유는 높은 가동률 때문이다. 통신 판매 서비스가 보급됨에 따라 물류 창고는 24시간 가동되는 경우가 많다. 납 축전지는 충전이나 교환에 시간이 걸리고 추가 인원도 필요하다. 영하 20도의 냉동 창고도 많은데 저온에 약한 리튬이온전지는 이러한 환경에 견디기 어렵다. 

자료에 따르면 연료 전지는 항속 거리가 길고, 수소 충전에 3~5분 밖에 걸리지 않고 저온에도 강하다. 월마트가 2014년 이후 순차적으로 납 축전지를 연료전지로 대체하기 시작하자 월마트와 경쟁하는 아마존닷컴도 연료 전지 지게차를 대량 도입하기 시작했다. 

연료 전지 지게차를 잇는 것은 드론이다. 드론의 경우는 전원의 중량 에너지 밀도가 이용의 성패를 가른다. 지금까지 리튬이온전지를 전원으로 한 드론 대부분은 항속 시간이 적재화물 없이 30분 정도다. 적재화물이 있으면 15분 정도 밖에 비행하지 못하기 때문에 항공사진 촬영 이외 실용화 사례가 적다. 연료 전지는 중량 에너지 밀도가 리튬이온전지의 5배 전후로 높다. 연료전지를 전원으로 하는 연료 전지 드론 중에는 적재화물이 있어도 2시간 비행이 가능한 제품도 속속 모습을 드러내고 있다. 

◆가시화된 新 수소 사회, 세계 곳곳서 재생에너지로 수소 제조

'수소 사회 2.0'이라고 불러야 할 새로운 수소 사회 건설이 시작됐다. 연료 전지와 함께 축전지나 재생에너지가 중요한 역할을 담당한다. 화석 연료에 의존하지 않는 에너지의 이용 비용이 지극히 낮은 사회를 실현하기 위해 세계 곳곳에서 움직이고 있다. 

'수소 사회'라는 말은 수십 년 전부터 있었다. 수소를 에너지의 주축으로 사용하는 사회다. 그러나 불과 몇 년 전까지의 수소 사회와 지금 말하는 수소 사회는 전혀 다르다고 할 수 있다. 수소 양산 프로세스가 이전과는 다르기 때문이다. 이전에는 천연가스, 즉 메탄(CH4)에 고온의 수증기를 써 수증기 개질이 수소의 주요 제조법이었기 때문이다. 

일본에서는 2019년 초 약 50GW의 재생에너지가 도입됐다. 규슈에서는 태양광 발전 출력이 높아 출력 제한을 거는 상황도 있었다. 

히로세 씨(도요타 선진기술개발 컴퍼니)는 "세계의 CO2 배출을 줄이기 위해선 발전시스템을 재생에너지로 할 필요가 있다"며 "출력 변동의 버퍼렁이 전제가 된다. 수소는 그 수단으로 유효하다"고 말했다. 

세계 각국에서 재생에너지로 수소를 제조하기 시작했다. 독일에서는 2018년 100MW 규모의 P2G(Power to Gas) 시설 관련 프로젝트가 2022년 전후로 다수 가동할 예정이다. 독일 정부는 2GW~3GW급의 P2G를 2030년까지 실현하는 것을 검토하고 있다. 

수소 사회 실현을 위한 연료 전지 기술, 물의 전기 분해 기술, 수소 저장 기술의 개발은 여전히 일본 업체나 연구기관이 리드하고 있다. 다만 미국과 중국이 맹추격 중이다. 연료 전지의 과제는 출력 밀도 등의 성능과 내구성을 함께 높이면서 동시에 비용을 낮춰가는 것이다. 

출력 밀도는 2000년 전후에는 챔피언 데이터로 약 1kW/L였지만, 2014년 말에 발매된 도요타자동차의 연료전지차(FCV)의 ‘미라이’는 3.1kW/L로 3배를 실현. 신에너지산업기술총합개발기구(NEDO)의 개발 로드맵에서는 2020년에 4.0kW/L, 2025년에 5.0kW/L, 2030년에는 6.0kW/L, 그리고 2050년에는 9.0kW/L로 높이는 목표를 제시하고 있다. NEDO는 연비의 기준이 되는 수소의 단위 질량에 대한 항속거리도 현재 '미라이'의 수소 5kg으로 항속거리 650km를, 2030년에는 800km, 2040년에는 1,000km로 늘릴 계획이다.

이 출력밀도나 '연비'의 향상으로 중요한 역할을 담당하는 것이 고체 고분자형 연료전지(PEFC)에서 이용되는 촉매 재료다. 현재로서는 주로 백금(Pt)이 이용되고 있다. Pt의 과제는 높은 비용과 미래에도 안정적인 공급을 유지하는 것이다.

Pt의 사용량은 ‘미라이’의 경우 대략 한 대에 30g이다. 현재 Pt의 가격은 약 3000엔/g이기 때문에 촉매에만 9만엔이 들었다. FCV용의 FC스텍 약 90만엔/대 중 10%를 차지한다. 특히 'MEA'라고 불리는 FC스텍의 중핵 부재의 제조 비용은 약 한 대에 20만엔으로, 1/2을 Pt의 비용이 차지하고 있다는 계산이 된다.

게다가 Pt의 가격은 앞으로 FCV가 보급됨에 따라서 급등할 가능성이 높다. 이를 피하는 자동차 회사의 전략은 저 Pt화 또는 Pt의 재활용이다. Pt는 현재의 가솔린차에서도 배기가스의 정화 촉매로서 한 대에 3~5g 정도가 사용되고 있다. FCV에서의 Pt 사용량을 그 정도까지 줄이는 것이 당면 목표다. 즉, 현재의 1/6~1/10로 한다는 것이다. PEFC에서는 전체의 반응 속도를 제어하는 정극(캐소드)으로 Pt 촉매를 많이 이용하기 있기 때문에 우선은 정극에서의 Pt 삭감에 초점을 둔다.

Pt화 연구의 주류라고 할 수 있는 것은 촉매 입자의 알맹이는 별도의 금속으로 하고 표면만을 Pt로 하는 '코어 셀 촉매'라는 기술이다. 도시샤대학 이공학부의 이나바(稲葉) 교수 연구팀이 2011년에 그 제조 기술을 개발하였지만 실용화에는 도달하지 못했다. Pt의 촉매 활성이 향상되는 이점이 있지만 Pt의 내구성이 저하된다는 과제도 있다.
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