전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2019.3 특집 요약 (p20-49)

잠자던 연료전지의 실용화
특정 용도에서 급격한 시장 변화, 해외 기업이 리드

Part 1. 5분에 알아보는 연료전지

Q1: 연료전지(FC)란 무엇인가요? 리튬이온 이차전지(LIB)와는 어떻게 다른가요?
A1: 동작 원리는 리튬이온 이차전지와 같지만 부극재료가 정극재료로 산화될 때의 에너지를 전력으로서 추출한다. 연료전지는 수소가 산화되어 물이 되는 반응으로 천천히 연소시키는 것과 같다. 리튬이온 대신에 H이온이 움직여 방전(발전)하기 때문에 ‘H이온배터리’라고도 할 수 있다. 단, 실용화되고 있는 것은 충전이 불가능한 1차전지다.

Q2: 리튬이온 이차전지와 비교하여 어떤 특징이 있습니까? 충전이 불가능하다면 1회용인가요?
A2: 수소 자체는 가솔린의 3배의 연소에너지밀도를 갖고 있다. 연료전지시스템에서도 에너지밀도가 리튬이온 이차전지의 5배 전후로 높기 때문에 상당히 길게 사용할 수 있다. 당초 용량을 다 사용해도 버리는 것은 아니다. 왜냐하면 정극재료(산소)는 공기 중에 있어 없어지지 않는다. 기체인 부극재료(수소)도 다 사용하면 재충진하면 되기 때문이다.

Q3: 그 수소는 어디에서 오는 건가요?
A3: 물과 태양으로 만들 수 있다. 그리고 그 수소를 연료전지에서 사용하면 물로 되돌아간다. 태양광발전과 물의 전기분해(물전해) 장치, 연료전지는 태양 에너지를 물과 수소를 매개로 전력으로 변환하는 시스템이라고도 할 수 있다.

Q4: ‘연료전지’나 ‘수소사회’는 20년 전에도 ‘이제 곧 도래한다’는 말이 있었습니다. 이번에는 진짜입니까?
A4: 이전에는 확실히 시기상조였다. 최근에 와서 다양한 기술적인 요소나 사회적 배경이 모두 갖춰졌다. 예를 들면, ①출력밀도가 20년 전의 3배 이상 향상되었다. ②전지자동차(EV), 드론 등에 기대가 모아지면서 용도에 따라 항속거리 문제나 충전시간 문제가 심각했는데 연료전지가 그 해결책이라고 생각하는 사람들이 증가하였다. ③지금까지 연료로서 도시가스나 메탄올 등을 사용했는데, 수소로의 개질에 에너지의 일부를 사용하게 되는 과제가 있었다. 순수소를 직접 사용함으로써 연료전지 본래의 성능을 이끌어낼 수 있다. 그를 위한 인프라도 조금씩 정비되기 시작하였다. ④재생가능에너지의 잉여는 이전에는 ‘SF’였지만 지금은 일본에서도 현실이 되었다. 송전선 부족도 드러나고 있는 가운데 잉여 전력의 용도나 전력의 ‘운반수단’ ‘저장수단’으로서의 수요가 수소에서 나왔다.

Q5: 연료전지가 나오면 리튬이온 이차전지 등은 필요 없게 되는 건가요? EV와의 관계는 어떻게 됩니까?
A5: 그 반대다. 기술적으로 최적의 사용법이 다르기 때문에 이를 조합하여 사용함으로써 지금까지는 불가능했던 새로운 용도를 만들어내거나 쓸데없는 비용을 쓰지 않아도 된다. 지금 있는 연료전지차(FCV)의 대부분은 적지 않은 용량의 이차전지를 탑재하고 있어 절반의 EV인 것이 실태다. 보급에 있어서 중요한 ‘경제합리성’도 리튬이온 이차전지와 함께 사용함으로써 비로소 성립한다는 전망도 있다. FCV는 우선은 긴 항속거리와 높은 가동률이 중요한 차량(버스나 장거리 트럭, 지게차, 드론 등)부터 도입한다.

Q6: 일본이 기술에서는 앞서고 있다고 들었는데, 너무 빠른 것도 세계에서 고립되는 것은 아닌가요? 그 경우에 시장이 작을 것 같습니다.
A6: 확실히 기술적으로는 아직 일본 기업이 우위를 지키고 있지만 해외도 맹렬하게 쫓고 있다. 시장 개척이나 수소공급 인프라 정비 등에서는 오히려 해외가 앞서고 있다. 연료전지(FC) 지게차는 미국 아마존닷컴이나 월마트가 총 2만대를 도입하여 사용하고 있다. 일본은 대책은 빨랐지만 지금은 잠자다가 오히려 거북이에게 진 동화 속의 토끼가 되고 있다

Part 2. 시장개척
연료전지와 LIB를 철저 비교, 조합이 공영의 길

세계의 ‘전기자동차(EV) 시프트’ 흐름에 밀려 풍전등화와 같다는 견해도 있었던 연료전지차(FCV). 실제로는 특정 용도로 시장이 급격하게 형성되고 있고, 당황한 일본 업체가 추격하는 사태가 되었다. 앞으로 어떠한 용도에서 실용화가 진행될 가능성이 높을까? 일반적으로는 경쟁 기술이라고 볼 수 있는 리튬이온 이차전지(LIB) 와의 비교를 통해 공존공영의 길을 소개한다.

최근 1~2년새 LIB 및 LIB를 탑재한 전기자동차(EV)가 사회적인 각광을 받는 가운데, 이차전지를 개발하는 기술자나 연구자 사이에서 연료전지(FC)나 연료전지차(FCV)는 이미 설 자리를 잃었다는 견해가 확산되었다. 그러나 그 견해를 뒤집듯이 FC의 이용이 급격하게 확산되기 시작하였다. 그것은 기존의 이차전지로는 실현이 어려운 요구 조건이 있는 용도다. 그 중에는 이차전지를 사용했던 차량의 전원을 FC로 대체하는 움직임도 나오고 있다.

-- 창업한 지 20년 이상의 기업이 돌연 약진 --
용도 중 하나가 창고 등에서 주야를 불문하고 작업하는 지게차다. 이러한 지게차는 배기가스를 방출하지 않기 위해 일찍부터 전동화되었다. 단, 최근에 와서 지금까지의 구동용 전원에 이용하고 있던 납(Pb) 축전지를 FC로 대체하는 사례가 급증하고 있다. 이미 2만대를 초월하는 지게차가 ‘FC 지게차’가 된 것이다.

이 대체를 견인하는 것이 1997년 창업한 연료전지장치 개발업체인 미국의 Plug Power다. 2012년까지는 거의 무명이었지만 2013년 이후에 미국 월마트나 아마존닷컴 등과 수십억 엔 규모의 대형 계약을 잇달아 체결. 아마존닷컴에게는 출자도 받았다. 결과, 미국 컨설팅업체 딜로이트가 집계하는 미국에서 가장 급성장한 기술 기업 500사 ‘Technology Fast 500’에 2015~17년의 3년 연속으로 선정되었다. 이 리스트에 등장하는 것은 대부분이 실리콘밸리를 중심으로 한 IT기업이다. IT와 다소 관계가 없는 기업, 게다가 창업 20년 이상 경과한 기업이 선정되는 것은 극히 드문 일이다.

-- 24시간 ‘일할 수 있습니까?’ --
FC 지게차의 도입이 진행되고 있는 큰 이유 중 하나는 높은 가동률 때문이다. IT에 의한 통신판매서비스 등이 보급됨에 따라서 물류창고는 24시간의 가동이 요구되고 있다. 그러나 Pb 축전지는 충전이나 교환에 시간이 걸리고 추가 인원도 필요하게 된다. -20℃의 냉동창고도 많은데 저온에 약한 LIB에게는 견디기 어려운 환경이다.

그러나 FC는 항속거리가 긴데다 수소 충진에 3~5분밖에 걸리지 않고 저온에도 강하다. 월마트가 2014년 이후에 순차적으로 Pb축전지를 FC로 대체하기 시작하자 월마트와 경쟁하는 아마존닷컴도 FC 지게차를 대량 도입하기 시작하였다.

-- FC로 드디어 ‘사용할 수 있는’ 수준으로 --
FC 지게차의 뒤를 잇는 것은 드론이다. 드론의 경우는 전원의 중량 에너지밀도가 이용의 성패를 가른다. 지금까지의 LIB를 전원으로 한 드론의 대부분은 항속 시간이 적재화물 없이 30분 정도다. 적재화물이 있으면 15분 정도밖에 비행하지 못하기 때문에 항공사진 촬영 이외의 실용화 사례가 적다. 한편, FC의 대부분은 중량 에너지밀도가 LIB의 5배 전후로 높다. FC를 전원으로 하는 ‘FC드론’ 중에는 적재화물이 있어도 2시간 비행이 가능하다는 것을 어필하는 제품도 나오고 있다.

-- 장거리 주행에서 속속 실용화 --
-- 일본에서도 FC 열차 개발 재개 --
-- FCV에서도 추월당하다 --
-- 수소공급 인프라에서 ‘진정성’을 알 수 있다 --
-- 수소 스테이션에 1,000억엔 투자 --
-- 연율 30%의 시장 확대가 시작되다 --
-- LIB와의 경쟁에 이길 수 있는 포인트는? --
-- FC의 약점을 LIB로 커버 --
-- DRAM 또는 HDD만으로는 움직이지 않는다 --
-- LIB와 FC가 양수 발전을 위아래서 ‘협공’ --
-- LIB와 FC/수소의 2대 기술의 시대로 --

Part 3. 인프라 동향
가시화된 신∙수소사회, 세계가 재생에너지로 수소 제조

‘수소사회 2.0’이라고 불러야 할 새로운 수소사회 건설이 시작되었다. 여기서는 연료전지와 함께 축전지나 재생가능에너지가 중요한 역할을 담당한다. 화석연료에 의존하지 않는 에너지의 이용 비용이 지극히 낮은 사회를 실현하기 위해 세계가 움직이기 시작하였다.

‘수소사회’라는 말은 수십 년 전부터 있었다. 수소를 에너지의 주축으로서 이용하는 사회를 말한다. 그러나 불과 몇 년 전까지의 수소사회와 현재 말하고 있는 수소사회는 전혀 다르다고 말할 수 있을 정도로 내용이 다르다.

차이는 크게 2개다. 하나는 새로운 수소사회는 동시에 축전지가 거리에 편재하는 축전지 사회이기도 하다는 점이다. 리튬이온 이차전지 등의 축전지와 아울러 생각해야 비로소 경제합리성이 성립하기 때문이다. 도요타자동차도 축전지와 연료전지(FC)가 공존하는 사회를 그린다. 다른 하나는 수소 양산 프로세스가 이전과는 다르다는 점이다. 이전에는 천연가스, 즉 메탄(CH₄)에 고온의 수증기를 쐐서 개질하는 수증기 개질이 수소의 주요 제조법이었다.

이것으로는 수소의 조달 비용은 싸지지 않는다. 천연가스 비용에 개질 비용, 그리고 취급이 어렵기 때문에 이에 따르는 추가 비용이 더해지기 때문이다. 화석연료에 의존하는 상황도 바뀌지 않는다. 이점이 있다고 한다면 이산화탄소(CO₂)의 배출 장소를 개질 공장으로 한정할 수 있어, 미래의 CCS(Carbon dioxide Capture and Storge, 이산화탄소를 포집·저장) 기술로 CO₂를 크게 삭감할 수 있다는 가능성이 있다는 점 정도였다.

-- 재생에너지 급증으로 최고 유력 선택지로 --
이에 대해 새로운 수소사회에 있어서 수소는 재생가능에너지로 발전한 전력으로 물을 전기분해(물전해)하는 것이 메인 시나리오다. 전력을 수소 가스로 변환하기 때문에 ‘Power to Gas(P2G)’라고도 불린다. 이것도 전부터 이야기되어 왔지만 최근 수년 전까지는 실현성이 낮은 ‘SF’였다.

그러나 지금은 가장 유력한 선택지가 되었다. 특히 해외에서는 재생가능에너지가 가장 발전 비용이 낮은 에너지가 되어, 전력 가격이 마이너스가 되는 것도 빈번하게 일어나고 있다. 일본에서도 2019년 초에 약 50GW의 재생가능에너지가 국내에 도입되고 있다. 규슈에서는 태양광발전 전력이 너무 많아 출력 제한을 거는 상황이 되었다.

지금 수소사회를 추진하는 관계자의 대부분이 이 재생가능에너지의 잉여 전력을 사용한 P2G로 수소를 양산할 수 있다는 사실을 진지하게 이야기한다. 세계의 수소사회 건설을 추진하는 벨기에의 수소협의회(Hydrogen Council)의 발기인인 도요타 선진기술개발컴퍼니의 히로세(広瀬) 씨는 “세계의 CO₂ 배출을 줄이기 위해서는 발전시스템의 대부분을 재생가능에너지로 할 필요가 있다. 단, 출력 변동의 버퍼링이 전제가 된다. 수소는 그 수단으로서 대단히 유효하다”라고 말한다.

-- 수소 제조 러시가 시작되다 --
구체적인 시도도 이미 시작되었다. 2019년 1월 31일에는 후쿠시마현 산업기술총합연구소의 재생가능에너지 100%로 제조한 CO₂프리 수소를 도쿄로 운반하여 연료전지차(FCV)를 주행시켰다. 이것은 2020년 7월에 후쿠시마현 나미에마치(浪江町)에서 본격 가동을 예정하고 있는 P2G의 연구시설 ‘FH2R’의 사전 선전이기도 하다.

이러한 움직임은 해외에도 있다. 독일에서는 2018년에 100MW 규모의 P2G 시설 관련 프로젝트가 2022년 전후로 다수 가동할 예정이다. 독일 정부는 2GW~3GW급의 P2G를 2030년까지 실현하는 것을 검토하고 있다.

-- 분산형 P2G도 동시 전개 --
-- 재생에너지 도입량 500GW도 상정 가능 --
-- ‘잉여’ 수소가 자동차나 화학 공장으로 --
-- 축전지가 수소를 싸게 한다 --
-- 편의점이나 호텔에서 FC 발전 --
-- 가스터빈도 수소로 이용 --

Part 4. 최 첨단기술
진행되는 ‘저 백금화’기술, 소형기기에서는 Pt리스 실현

연료전지나 물전해, 수소저장기술의 개발 역사는 길다. 단, 보급을 위한 개발은 아직 도중이다. 해외와의 개발 경쟁도 치열해지고 있다. 그래도 국내에서 여러 개의 기술이나 재료에서 브레이크스루가 이어지고 있다. 최근 촉매의 저 백금(Pt)화나 Pt리스화, 수소흡장합금에 있어서 새로운 재료 등을 소개한다.

수소사회 실현을 위한, 연료전지(FC) 기술, 물의 전기분해(물전해) 기술, 수소저장 기술의 개발은 여전히 일본 업체나 연구기관이 리드하고 있다. 단, 해외 특히 미국이나 중국이 맹추격하고 있다. 리드를 유지해 나가기 위해서는 현재 상태에서 답보하고 있을 여유는 없다. FC의 과제는 출력 밀도 등의 성능과 내구성을 함께 높이면서 동시에 비용을 낮춰나가는 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.

-- FCV 보급 시에는 Pt가 급등 --
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.

현재, Pt의 사용량은 ‘미라이’의 경우 대략 한대에 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 한대에 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 한대에 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.

현재, 저 Pt화 연구의 주류라고 할 수 있는 것은 촉매 입자의 알맹이는 별도의 금속으로 하고 표면 만을 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 과제가 있기 때문이다.

-- 카본리스로 저 Pt화 실현 --
한편, 내구성 향상을 목표하는 연구에서 대폭의 저 Pt화를 실현할 수 있는 연구 성과가 나왔다. 야마나시대학 연료전지나노재료연구센터의 가키누마(柿沼) 교수 연구팀은 내구성이 떨어지는 요인으로서, Pt의 나노입자를 담지하는 카본계 재료가 FC의 기동 시나 정지 시에 발생하는 약 1.5V의 고전위에서 물과 반응하여 부식이 일어나 Pt의 담지력이 저하된다는 사실에 주목. 그 해결책으로서 Pt의 담체 재료를 지금까지의 카본블랙(CB)에서 Nb-SnO₂로 변경하였다.

-- 제품에서 정극의 Pt리스화 실현 --
-- 저출력 용도에서 제품화 --
-- 지게차, FCV에의 채용 목표 --
-- 전압에서 Pt 이상의 재료 발견 --
-- 주택의 태양광 패널의 전력으로 수소 --
-- 1000사이클에서도 열화 거의 없음 --
-- 수소의 고밀도화/저장기술은 일장일단 --
-- 연소되지 않는 합금을 원한다 --
-- 충진 시의 필요 온도 대폭 저하 --

 -- 끝 --