일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2021.12.3

백화요란(百花燎亂)의 에너지 저장 기술
도쿄가스, 그린수소의 생산 비용 경감 추진
천연가스는 합성메탄으로

재생에너지 전력으로 물을 전기분해하여 얻을 수 있는 ‘그린수소’는 전력 저장 목적뿐만이 아니라 각종 연료 및 화학재료의 원료로도 폭넓게 사용될 수 있을 전망이다. 이처럼 전력 부문(섹터)을 뛰어넘는 수소의 용도 확대는 ‘크로스섹터(Cross Sector)’, 또는 ‘섹터커플링(Sector Coupling)’ 등으로 불린다. 국내에서도 이러한 크로스섹터의 움직임이 본격화되고 있다.

도레이(Toray)와는 별도로 PEM형 수전해(水電解)를 통해 이용하는 셀 스택을 인쇄 기술로 대량 생산해 수전해 장치의 대폭적인 저비용화, 더 나아가 그린수소 가격의 대폭 인하를 노리고 있는 곳이 도쿄가스이다. 도쿄가스는 현재 공급하고 있는 도시가스 가운데 천연가스(CH₄)를 2050년까지 모두 그린수소 유래의 ‘합성 메탄’으로 대체할 계획이다. 하지만, “실현을 위해서는 일본에서 아직 가격이 고공행진하고 있는 그린수소의 생산 비용을 큰 폭으로 낮출 필요가 있다”(도쿄가스 디지털이노베이션본부 수소·카본 매니지먼트기술전략부 수소·카본매니지먼트기술의 다카하타(高畑) 그룹매니저).

도쿄가스는 이것을 타사에 의존하지 않고 자체적으로 개발한 기술로 실현하려고 하고 있다. 그 전략은 이렇다. 우선 도쿄가스가 지금까지 개발해 실용화한 고체 고분자형 연료전지(PEFC)기술을 수전해에 전용. 그 셀 스택 양산기술을 반도체 장치 제조업체 스트린(SCREEN)과 공동으로 전자 디바이스를 저렴하게 대량 생산하는 Roll to Roll(R2R) 방식으로 개발하는 것이다.

-- 높은 비용의 원인은 귀금속만이 아니다 --
이 R2R 방식에서는 두께 수 십µm 이하의 불소계 PEM과 그 외의 셀 스택 부재를 각각 플렉시블 시트 위에 형성하고 이것들을 서로 붙여 적층해나간다. 적층 방법은 현재 검토 중으로, 스프레이 방식이나 전사법 등을 시험하고 있다.

R2R 방식의 주된 목적은 셀 스택 제조 관련 인권비의 대폭적인 절감이다. 도쿄가스에 따르면, PEM형 수전해 장치인 셀 스택은 현재 부재인 PEM과 촉매, 가스 확산층, 세퍼레이터를 작업자가 하나씩 수작업으로 적층해 제조하고 있다.

또 다른 PEM형의 제조 비용 상승 요인은 촉매가 비싸다는 것. 알칼리 수전해와 달리, 운전 시에 셀 내부에서 H⁺가 발생해 산성 환경이 되기 때문에 그 내성을 갖추기 위해 애노드에 산화일리듐(IrO₂), 캐소드에 백금(Pt)과 같은 귀금속을 이용할 필요가 있다. 도쿄가스는 PEM의 박막화와 IrO₂ 함유량 저감, 신규 재료 발견을 위한 재료 연구도 추진하고 있다.

도쿄가스는 전체 셀 스택의 제조 비용을 1/2 이하로 낮출 방침이다.

-- 연료전지로부터의 전용(轉用)이 과제 --
도쿄가스는 연료전지의 PEFC기술을 그대로 PEM형 수전해에 사용할 수 없다는 것도 해결해야 할 과제 중 하나라고 한다.

예를 들어, PEFC는 애노드 촉매와 캐소드 촉매에서 모두 Pt를 사용하지만 PEM형에서는 IrO₂를 사용한다. 가스확산층도 PEFC의 탄소와 달리 티타늄(Ti) 담지 탄소를 이용한다. 재료뿐만 아니라 재료의 경도 등 성질도 다르기 때문에 PEFC 제조법을 그대로 적용할 수 없어 적층 기술을 새롭게 개발할 필요가 있다.

개발 목표는 우선 2023년 3월까지 셀 스택 부분의 제조 및 재료 기술을 확립하고, 코스트의 대폭적인 절감을 도모한다. 이후, 셀 스택 이외의 장치에 대한 보조기기를 개발한다. 실용화되는 2030년대에는 “현재의 10~20만엔/kW에서 5만엔/kW까지 낮추고 싶다”(도쿄가스)라고 한다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.