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‘그린 수소’를 저렴하게 대량 생성 -- 물분해장치의 메가 팩토리, 알칼리형 물전해 장치 부활
  • 카테고리화학/ 신소재/ 환경·에너지
  • 기사일자 2020.6.19
  • 신문사 Nikkei X-TECH
  • 게재면 online
  • 작성자hjtic
  • 날짜2020-06-28 21:23:28
  • 조회수116

Nikkei X-TECH_2020.6.19

‘그린 수소’를 저렴하게 대량 생성
물분해장치의 메가 팩토리, 알칼리형 물전해 장치 부활

자연 에너지를 활용하여 생성한 수소(H2)를 기본적인 연료나 화학 재료로서 이용하는 ‘수소 사회’를 목표로 하는 움직임과 기술의 연구 개발이 급속도로 가속화되어 왔다. 정확히 말하자면, 수 년 전부터 수면 아래에서 진행되어 온 여러 가지 활동이 시장에 모습을 드러내기 시작했다.

-- 벤처 기업이 돌연 Ford를 넘어섰다 --
그 중 하나가, 연료 전지(Fuel Cell) 구동의 트럭(FC 트럭)등을 개발하는 벤처 기업인 미국 Nikola(니콜라, 구Nikola Motor, 2014년 창업)의 움직임이다. Nikola는 2020년 6월 4일에 주식시장의 미국 나스닥에 상장했다. 그러자 주가가 단기간에 30달러 대에서 한 때 95달러까지 약 3배로 상승. 기업 가치는 상장 전의 수억 달러(수백억 엔)에서, 단번에 100배 가까운 약 3.7조엔으로 확대되었다. 이것은 미국 Ford Motor(포드 모터)의 기업 가치(시가 총액)인 약 2.7조엔을 크게 상회하는 수준이다. Nikola의 시가 총액은 그 후 2.5조엔 전후까지 떨어졌다가 다시 주가 상승 조짐이 나타나고 있다.

Nikola는 맥주 대기업인 벨기에 ANHEUSER-BUSCH(안호이저 부시)로부터 FC 트럭 800대의 리스 이용을 수주했으며, 수주액은 100억 달러(1조엔 초과)가 된다. 다만, 차량의 양산에는 이르지 못한 Nikola가 이만큼 지지를 받게 된 것은 세계적으로 수소에 대한 기대가 높아지고 있기 때문이라고 할 수 있다.

-- 물에서 수소를 만드는 장치를 구입 --
상장 하루 전에 Nikola는 세계적인 '수전해'(水電解, 물 전기분해) 장치 대기업인 노르웨이 Nel(넬)에 세계 최대 규모의 알칼리형 수전해 장치 5기를 발주했다. 이 장치는 수산화칼륨(KOH) 수용액에 전압을 인가해 H2를 생성시키는 장치이다.

Nikola가 발주한 것은 1기로 최대 3,880Nm3/시, 또는 최대 8톤/일의 H2를 생성하는 세계 최대급의 수전해 장치다. Nikola는 이것을 미국 내에서 ANHEUSER-BUSCH의 FC 트럭이 주행하는 도로의 요소(要所)에 수소 스테이션으로 설치하고, H2를 그 자리에서 생성해 FC 트럭에 공급할 계획이다.

Nm3=표준 상태(0℃, 1기압)에서의 기체 부피. 노멀 입방미터 또는 노멀 입미 등으로 읽는다.

-- 100년 전 등장도 경합에 패배 --
전력과 물에서 H2를 발생시키는 기술은 이미 20세기 초에 대규모로 실용화된 기술로서, 발생시킨 H2를 대기 중의 질소(N2)와 합성해 암모니아(NH3), 나아가 화학비료(유안)를 제조하는데 사용되고 있었다. 이른 바, 하버 보슈법이다.

그러나, 수전해에 의한 수소의 생성 효율은 지금까지는 매우 낮고 비용이 높기 때문에 그 후에 등장한 천연가스를 약 800℃의 수증기에 넣어 개질(改質)함으로써 수소를 추출하는 기술에 실패한 적이 있다.

수전해 장치가 각광이 다시 받고 있는 것은 재생 에너지가 주력 전원이 되는 시대가 다가오고 있기 때문이다. 이 시대에서는 전력 저장 수단으로서 H2가 중요하며 또한 H2는 이산화탄소(CO2)를 배출하지 않는 ‘재생 가능 수소’ 또는 ‘그린수소’가 바람직하다. 단, 경제 합리성을 확보하기 위해서는 수전해 장치에 의해 H2 생성의 비용을 천연가스 개질에 의한 수소와 동등하거나 또는 그 이하로 하는 과제에 재도전해야 한다.

-- 드디어 경제산업성의 목표를 클리어 --
이 비용의 벽을 깨는 기준으로서 경제산업성의 로드맵이 내거는 목표치가 2030년 시점에서 5.2만엔/kW 이하다.

이 목표치를 크게 깬 것이 이번 Nel의 장치다. Nikola에 의한 이번 5기 장치의 구입액은 총액 3,000만 달러(약 32억엔) 이상이며 1기 당 600만 달러 이상이다. 1기는 최대 17.07 MW의 출력이므로, 출력 1 kW 당 350 달러(약 3만 7,500엔)를 상회한다. 이는 경제산업성의 2020년의 목표 비용의 1/2의 수준으로, 2030년 목표 또한 크게 밑돈다.

Nel은 앞으로도 Nikola 등으로부터의 대량 발주가 계속 될 것으로 보고 노르웨이에 이 같은 수전해 장치를 양산하는 ‘메가 팩토리’를 건조할 것이라고 발표했다. 장비의 가격은 더욱 내려갈 가능성이 높다.

-- 전류 밀도가 50배로 --
수전해 장치에 있어서의 H2 생성 비용을 한층 더 큰 폭으로 절감하는 연구 개발의 사례도 등장했다. 미국 Duke University가 2020년 5월에 발표한 기술로서 알칼리형 수전해 장치에 대해 기존의 50배 전류 밀도로 H2를 생성할 수 있다.

구체적으로는, H2를 발생시키는 음극의 재료로서 폭이 3μm미만인 니켈(Ni)의 섬유를 랜덤 하게 얽힌 ‘Ni 마이크로화이버 펠트’를 이용할 경우, 전류 밀도를 최대 25 A/cm2(전해 전압 3.6V)까지 높일 수 있게 되었다고 한다.

지금까지, 알칼리형 수전해 장치의 과제는 이와 같은 전류 밀도가 낮은 것이었다. 장치의 제조 비용은 비교적 저렴하지만, 흘려 보낼 수 있는 전류 밀도가 매우 낮아 생산성도 낮으며 H2의 제조 비용이 고공 행진으로 이어지고 있었다.

지금까지의 전류 효율로서는 특수한 음극 재료를 이용함으로써 얻은 3.9 A/cm2(전해 전압 3.5V)라는 챔피언 데이터(최고 기록치)가 있지만 실용적으로는 0.5 A/cm2 전후(전해 전압 약 2V)였으며 이것은 지난 20년간 거의 변함 없다. 경제산업성의 개발 로드맵에서는 2020년에 0.7A/cm2, 2030년에 0.8A/cm2의 실현을 목표로 하고 있다. 다시 말해 10년에 0.1포인트 향상한다면 잘 된 상황이었다. 이것이 갑자기 25A/cm2가 된 셈이다.

-- 기포가 빠지기 쉬운 것에 주목 --
전류 밀도가 낮았던 이유는 음극에서 발생하는 H2의 기포 자체가 물이 음극이나 그 촉매와 접촉하는 것을 방해하기 때문이다. 이 문제는 단순한 듯 하면서도 오랫동안 큰 진전이 없었다.

Duke University의 돌파구는 음극 재료의 비표면적(比表面積) 증대뿐만 아니라, 동시에 쉽게 기포가 빠지는 것을 최적화한 데 있다. 비표면적을 최대화하는 것만이라면 섬유가 가는 나노 섬유를 사용하면 좋은 것으로 알려져 있다. 그런데, 실제로는 기포에 의해 율속 반응이 되어 버린다.

한편, 일반적인 다공질 Ni재료를 이용하면 비표면적이 너무 낮아 기포 생성률 자체가 높아지지 않는다. Duke University는 Ni 마이크로 화이버에 의한 펠트가 비표면적과 쉽게 기포가 빠지는 것으로 밸런스가 좋다고 한다.

-- H2의 생산성은 6.7배 --
그러나 전류 효율이 50배여도 H2의 생산성은 50배가 되지 않는다. 전류 밀도를 높이는 것은 전해 전압을 높이는 것이기도 하다. 그리고 전해 전압을 높이면 장치에 투입한 전력량에 대한 발생 수소의 열에너지의 비율, 즉 에너지 효율이 저하하기 때문이다. 그 결과, ‘수소의 생산성은 기존의 알칼리형 수전해 장치에 비해 6.7배’(Duke University의 논문)로 안정적이다.

이번 마이크로 Ni 화이버 펠트의 비용이 어느 정도 장치에 영향을 줄지는 명확하지 않았지만, 재료 자체는 비금속인 Ni에 불과하며 제조도 비교적 용이하다고 보여진다. 새로운 전극만으로 장치의 가격이 큰 폭으로 상승한다고는 생각하기 어렵다. 즉, 수소의 생산성 향상의 대부분은 그대로 수소의 제조 비용 절감에 반영될 가능성이 높다고 할 수 있다.

-- PEM형에 대해서도 우위에 --
Duke University의 기술은 수전해 장치의 큰 트랜드에도 영향을 미칠 가능성이 있다.  이 장치에는 알칼리형 외에 PEM(Polymer Electrolyte Membrane)형으로 불리는 타입이 있다. 그 최대 차이는, 전극간을 이동하는 캐리어가 알칼리형에서는 수산화물이온(OH-)인데 반해, PEM형에서는 프로톤(H+)인 점이다. 고체 고분자형 연료전지(PEFC)의 ‘충전’ 때와 같은 반응으로, PEFC 기술을 일부 유용할 수 있는 특징이 있다.

PEM형의 장점은 음극이 수용액에 젖어 있지 않으며 수소 기포가 반응의 율속 요인이 되지 않는다는 점에서 약 2A/cm2로 비교적 높은 전류밀도 장치가 실용화되어 있다. 다만, 장치 가격은 알칼리형의 2~3배로 비싸다. H+의 농도가 높은, 즉 전극이나 이온 투과막이 강한 산성 환경에 놓여짐으로써 산에 강한 백금(Pt) 등의 고가의 촉매 재료가 필요했기 때문이다.

그런데도 생산성이 알칼리형의 약 4배로 높은 것으로부터, 향후의 수전해 장치의 주류는 PEM형이 된다는 견해가 우세했다. 실제, 도시바 등이 개발하고 있는 것도 PEM형이다.

Duke University에 의하면, 새로운 음극을 이용한 알칼리형 수전해 장치는, 기존의 PEM형과의 비교에서도 H2의 생산성이 1.7배 높다고 한다. 실용화된다면 장치 가격이 높은 PEM형의 우위성은 없어지게 된다.

-- 태양광으로 직접 수소 생성 --
물 전기 분해 장치는 전력으로 구동하는 물을 분해하는 기술이다. 이 전력에 태양광 발전의 출력을 쓴다면 간접적으로 태양광으로 수소를 발생시키는 셈이다.

한편, 태양광으로 전력을 통하지 않고 직접적으로 수소를 발생시키는 기술도 개발되고 있다. 인공 광합성 기술의 일종이기도 하다. 이 기술에서도 최근 큰 진전이 있었다.  신슈(信州)대학 등 산학 연합의 연구 조직은 2020년 6월, 태양광의 자외역(紫外域) 파장으로 외부 양자 수율이 96%로 매우 높은 광촉매를 개발했다. 기존에는 약 50%가 최고치였다.

큰 폭으로 수율이 향상한 것은 광촉매가 다른 결정면에 다른 촉매를 성막(成膜)함으로써 빛의 조사(照射)로 생긴 전자와 구멍을 공간적으로 분리해 재결합을 막았기 때문이라고 한다.

무엇보다 이번에는 광촉매의 밴드 갭이 3.2 eV로 넓어, 자외선 밖에 이용할 수 없다. 단지, 밴드 갭이 작은 재료로 같은 캐리어의 공간적 분리가 되면 가시광선의 대부분에서 높은 양자 수율을 실현해, 태양광 발전 유래의 전력으로 수전해(水電解) 하는 것보다 고효율적으로 수소를 생성할 수 있게 될 가능성이 있다.

 -- 끝 --

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