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Nikkei X-TECH_2024.3.14

바이오 연료를 사용한 고체 산화물형 연료전지
닛산자동차의 SOFC 발전 시스템 선택

“바이오 에탄올을 사용한 고체 산화물형 연료전지(SOFC)에 의한 정치(定置)형 발전 시스템은 당사가 탄소중립(온난화 가스 배출량 실질적 제로)을 달성하기 위한 큰 축 가운데 하나가 될 것이다. 시간은 걸리겠지만, 미래를 내다보고 확실히 추진해나가고 싶다”. 닛산자동차의 무라타(村田) 상무 집행임원(파워트레인 생산기술개발 본부장)은 SOFC 발전 시스템의 본격적인 운용을 위해 힘을 쏟고 있다.

닛산은 ‘2050년까지 사업 활동을 포함한 자동차의 라이프 사이클 전체에서 탄소중립을 실현한다’라는 목표를 내걸고 있다. 예를 들면, 공장에서는 재생가능에너지로 발전한 전력과 외부로부터 구입한 재생에너지 전력, 연료전지로 만든 전력 등을 사용해 탄소중립의 실현을 목표로 하고 있다.

바이오 에탄올을 이용한 SOFC 발전의 본격적인 운용은 이러한 활동의 일환이다. 그 첫 번째 스텝으로 2월 28일, 닛산의 도치기(栃木)공장(도치기 현)에서 SOFC 발전 시스템의 시험 운용을 개시. 3월 6일에 이 시스템을 미디어에 공개했다.

현재의 출력은 3kW이지만, 2027년까지 5kW, 2029년까지 20kW로 출력을 높여나간다. 그 후, 국내외 공장에 SOFC 발전 시스템을 도입해 2050년에는 공장에서 사용하는 전력의 약 30%를 SOFC 발전으로 충당할 계획이다.

도치기공장의 시험 운용에서는 우선, 엔진의 알루미늄 합금제 실린더 헤드를 생산하는 주조 공장에서 이용하고 있다. 알루미늄 합금의 주괴(정련한 알루미늄 합금의 지금(地金))의 용해 및 유지에 사용되는 가스로를 SOFC 발전 시스템에 의한 전기로로 바꿔 주조 공정으로부터의 이산화탄소 배출량을 줄이는 것이 목적이다.

주조용 금형의 예열에도 이용하고 있다. 금형을 섭씨 400~500도로 가열할 때 지금까지는 가스버너를 사용했다. 이것을 전기 히터로 전환함으로써, 40%의 이산화탄소 절감이 가능해진다고 한다.

-- FCV용 시스템을 기반으로 개발 --
연료전지에는 도요타자동차와 혼다 등이 연료전지차(FCV)에 사용하는 고체 고분자형 연료전지(PEFC)도 있지만, 닛산은 SOFC를 선택했다. 정치형 발전 시스템과 함께 FCV로의 탑재를 위한 기술 개발도 추진하고 있다. 정치형 SOFC 발전 시스템의 운용을 통해 노하우를 축적, 향후 FCV로의 확대도 목표로 하고 있다.

고체 고분자를 전해질에 사용하는 PEFC의 작동 온도는 섭씨 70~90도이며, 연료에는 수소가스를 사용한다. 반면, 세라믹을 전해질로 사용하는 SOFC의 작동 온도는 섭씨 600~800도로 매우 높다. 이 때문에 연료의 개질(촉매를 이용해 수소 가스를 발생시키는 것)이 가능하고, 에탄올이나 액화 천연가스(LNG), 액화 석유가스(LPG) 등의 액체 연료를 사용할 수 있다.

또한 고온에서 작동하기 때문에 촉매 활성이 높아, 닛산의 SOFC는 70%의 발전효율을 실현할 수 있다. 닛산에 따르면, PEFC의 발전 효율은 60%라고 한다. 다양한 연료를 사용할 수 있고 발전효율이 PEFC보다 높다는 이유로 닛산은 SOFC를 선택했다.

닛산은 2016년, SOFC를 이용한 FCV를 공공도로에서 주행한 적이 있다. 이번 SOFC 발전 시스템은 2016년 FCV에 탑재한 시스템을 기반으로 개발했다. 연료의 개질 기술을 개선해 질소산화물(NOx)과 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 등의 배출량을 거의 제로로 했다.

발전용 액체연료에는 바이넥스(도쿄)와 공동 개발하고 있는 수수를 원료로 하는 바이오 에탄올을 이용했다. 수수는 에티오피아 원산 벼과의 한해살이 식물로, 한랭지나 건조지에서도 재배가 가능하다. 식용뿐만 아니라, 줄기는 에탄올 원료, 전체는 사료로도 쓸 수 있다. 줄기를 압축하고 남은 찌꺼기(버개스)는 바이오매스 발전에 이용이 가능하다. 또한, 뿌리의 이산화탄소 고정 능력이 삼나무의 10배에 달할 정도로 높다.

이러한 점 때문에 “수수는 바이오 에탄올의 원료로서 뛰어나다”라고 바이넥스의 아오키(青木) 대표이사는 강조한다. 바이넥스는 도쿄대학과 공동으로 바이오 에탄올에 적합한 수수의 품종 개량을 실시했다. 닛산의 SOFC 발전에는 이 개량 품종이 사용된다.

-- 호주에서 원료를 대규모 생산 --
하지만 닛산이 SOFC에 의한 발전량을 늘려나갈 경우, 수수의 안정적 조달이 과제가 된다. 닛산의 구로다(黑田) 차량생산기술개발본부 환경에너지기술과 부장은 “2050년에는 바이오 에탄올의 사용량이 연간 30만kL에 이를 것이다”라고 말한다.

30만kL의 바이오 에탄올을 생산하려면 수수를 재배할 5만 헥타르(500km²)의 광대한 농장이 필요하다. 이 점에 대해 바이넥스의 아오키 대표이사는 수수를 대규모로 재배하는 농장을 호주에서 확보할 전망이 섰다고 밝혔다.

-- 고온 작동으로 인한 약점 극복을 목표로 --
SOFC 발전의 본격적인 운용을 위해서는 수수의 안정적 조달 외에도 몇 가지 과제가 있다. 닛산의 무라타 본부장은 (1)고온으로 작동하기 때문에 급속 시동·정지가 어렵고, 셀의 내구성을 높이는 것이 어려운 점 (2)시스템의 점유 공간이 넓다는 점을 든다.

도치기공장에서 시험 운용중의 시스템은 전해질의 양면을 세라믹스로 지탱하는 ‘세라믹스 서포트’구조의 셀을 채택하고 있다. 세라믹은 열전도율이 낮기 때문에 빠르게 시동·정지시킬 경우 셀이 파손될 수 있어 내구성에 어려움이 있다.

첫 번째 과제인 시동·정지 시간 단축과 셀의 내구성을 높이기 위해 닛산은 개발 중인 '메탈 서포트' 구조의 셀을 채택할 계획이다. 전해질의 양면을 지탱하는 재료로 세라믹이 아닌 스테인리스강을 사용하는 것이다.

세라믹스보다도 열전도율이 높고, 녹이 잘 슬지 않으며 내열성이 우수한 스테인리스강을 사용함으로써 (1)의 해결을 목표로 한다. 향후 계획에서는 출력을 5kW로 올릴 때 메탈 서포트 구조의 셀을 사용. 출력 20kW의 발전을 실시할 때에는 메탈 서포트 구조의 셀을 내제(內製)할 예정이다.

2번째인 시스템의 점유 공간이 넓다는 과제에 대해서는 “모듈의 소형화·고효율화를 통해 공간 절약을 도모해나가겠다”라고 무라타 본부장은 말한다.

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