New Energies, new possibilities

もはや“枯れた技術”で改善の余地が小さいと考えられてきたアルカリ水電解（AWE）技術でブレークスルーがあった。プロトン電解膜（PEM）形と呼ばれる方式を大きく超える水電解効率を実現する可能性がある。つまりは、安いグリーン水素の生産につながる。また、次世代水電解技術ともいわれるアニオン電解膜（AEM）形水電解にも応用できるという。

自動車会社の技術者も驚く

　この技術を開発したのは、同志社大学大学院理工学研究科教授である盛満正嗣氏の研究室。2024年7月にパシフィコ横浜で新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）が開催した「NEDO水素・燃料電池成果報告会2024」で初めて発表した。「日本の主要な自動車会社の人もこの成果に驚いていた」（盛満氏）

　開発した技術は、水電解の酸素発生（OER）極（アノード）に用いる触媒材料で、ビスマス（Bi）、ルテニウム（Ru）を主成分とする酸化物材料「BRO」だ。これまで、AWEではニッケル（Ni）もしくはNiと鉄（Fe）の化合物がアノードの触媒として主に使われていた。

　NiやFe系の触媒は、PEM形で用いる酸化イリジウム（IrO2）といったアノードの触媒に比べて安価である一方で、過電圧†が大きく、しかも電流密度を高めようとするとさらに過電圧が急激に上がってしまう課題があった。

　盛満氏の研究室は、2021年ごろからこのAWE向けアノードに用いる触媒の開発に取り組んでおり、これまでは、ナトリウム（Na）添加のBRO（NBRO）やマンガン（Mn）添加のBRO（MBRO）を開発してきた（図1）。いずれも、「パイロクロア構造」という、A2B2O7（AおよびBは金属元素）という結晶構造を基本とする酸化物材料に属する。

[画像のクリックで拡大表示]

図1　同志社大学が過去に開発したNBROの構造

黄色い球がNa、赤い球がO、青い球がRu、緑色の球がBi（出所：同志社大学／NEDO）

　今回の新触媒は「これまで空気電池向けに開発したものをAWEに転用してみた」（盛満氏）成果だという。これも、パイロクロア構造のBROの一種だが、添加材料は現時点では明らかにしていない。

同志社大がアルカリ水電解で技術革新、超低過電圧の触媒を開発 | 日経クロステック（xTECH） (nikkei.com)

OKUMA　DRONE（福島県大熊町、李顕一社長）は、飛行ロボット（ドローン）に搭載する新たな水素燃料電池（FC）の開発に着手した。現在活用しているFCを国産化し、大学・機関の技術を用いてセルの触媒層に貴金属を使わずに低コスト化する。まず1キロワット、3キロワット級のFCを開発し、定置型を非常用電源や基地局などとして使用。年内にドローンに搭載したプロトタイプ機の完成を目指す。 OKUMA　DRONEは水素FCを搭載したドローンを開発する。英インテリジェントエナジーが開発した水素FC4基と帝人製の水素高圧タンクを、6枚羽根のドローンに搭載。40キログラムのペイロードを積んで15分飛行する機体を開発、実証している。この水素FCを国産化してコストを大幅削減するため、福島県の補助も受けて開発する。 FCスタックのセルは、電解質膜と触媒層、ガス拡散層で構成する。触媒層は貴金属の白金をセラミック担体に担持しているが、均等な白金担持が難しいため歩留まりが悪く、コスト高要因になっている。この触媒層を国内調達可能な白金の代替材料を用い、従来とは異なる方法で製造する。ユアサ商事が製造・量産で協力する。 まず定置型FCを移動発電機として工事現場で、非常用電源として家庭や病院などで事業化する方針。同FCを搭載したドローンのペイロードは、実証中のドローンと同様の40キログラムを目指す。開発したFCスタックは2025年初から内外の展示会に出展する。 OKUMA　DRONEは水素ステーションでドローンへの燃料供給を実現するため、福島県水素ステーション連絡協議会（福島県浪江町）にも参加。日本自動車研究所（JARI）と共同で実用化開発に着手している。水素ステーションの充填ユニットに減圧装置を付けて高圧水素を減圧して活用する仕組みで、認証を取得して実用化を目指す。

低コスト水素燃料電池…OKUMA DRONE、ドローン搭載用開発（ニュースイッチ） - Yahoo!ニュース

Natural hydrogen: European interest heats up, France leading the way.

Potentially massive quantities of naturally produced hydrogen were discovered in France last year. Since then, prospectors across Europe have been on the lookout for more deposits and are calling for greater public support for their efforts.

Earlier this month, the European Court of Auditors heavily criticised the EU’s “unrealistic” targets for low-carbon hydrogen, which the Court considers to be “driven by political will”.

Irrespective of whether the targets were appropriate or not, the continent remains well short of hydrogen supplies which are supposed to store energy, produce alternative fuels or replace gas in industrial applications, as part of the EU’s journey to carbon neutrality.

In this context, there is growing interest in natural hydrogen, produced by underground chemical reactions. According to the latest studies, it is cheaper, less carbon-intensive than hydrogen produced from renewables or nuclear power, and potentially abundant.

For all these reasons, the so-called ‘natural’, ‘geological’, ‘native’ or ‘white’ hydrogen was the subject of a media boom in June 2023 when an estimated deposit of 45 million tonnes of hydrogen – more than twice the amount expected to be consumed annually in the EU by 2030 – was discovered in the north-east of France.

Since then, research and exploration permits have multiplied across Europe. In France, President Emmanuel Macron announced “massive investments” to explore the potential of this energy source.

A year of progress in France

The signs are promising. Five months after the discovery in the French northeast, the first exploration license was issued in November for a site in the south-west of the country, with drilling foreseen within two years.

Five other permits are currently being processed for sites across France. However, other projects are shielded by industrial confidentiality, Christophe Rigollet, a geologist at the CVA group consulting company, which is involved in several of these projects, told Euractiv.

He said the European authorities should ask oil and gas companies to make available their data on the state of the continent’s subsoil.

After the Nouvelle-Aquitaine (south-west) and Brittany (north-west), Bourgogne Franche-Comté (center-east) should soon be launching a review of its subsoil, Rigollet said.

The regional interest is spurring on national interest, as evidenced by Macron’s direct involvement and the funding in early July of a national project to improve methods of identifying the resource.

More broadly, the government launched a study last April to identify high-potential areas. The first results are expected in late 2024 – early 2025, according to Nicolas Gonthier, head of earth2, a cluster of European organisations focused on natural hydrogen.

European level

While France is the driving force, the rest of Europe is not far behind, with more than a dozen projects scattered across the continent.

In the east of Germany, a project is currently under appraisal by French company 45-8 Energy. In the north-east of Spain, drilling on the first site in the country to receive a permit should begin before the end of the year.

Last November, a British mining company announced an exploration contract in Eastern Europe without specifying the location. In Albania, French researchers discovered a potentially large deposit in February, while Finland’s authorities have published a map showing the concentrations of natural hydrogen in several gas wells.

In Poland, the authorities put in place the legal framework for natural hydrogen exploration last September, although no projects have yet been identified.

Other projects are also under development in Iceland, Serbia, Sweden, Norway, Ukraine, and Kosovo.

Mapping and support 

In its working programme for 2024, Clean Hydrogen, an EU-led public-private partnership supporting hydrogen activities, plans to fund a mapping study on the potential of natural hydrogen at the European level. Earth2’s Nicolas Gonthier, like other stakeholders, would like the project to be launched before the end of 2024.

Today, the scientific community does not yet have the fully appropriate methodology for assessing Europe’s hydrogen potential, acknowledges CVA’s Rigollet.

Moreover, this is a preliminary step before a ‘label’ for natural hydrogen in the EU’s green taxonomy rules, which determines which investments can be considered as ‘sustainable’ – something stakeholders are calling for and the Commission has hinted at.

“There is no credible data yet”, a European Commission representative said in response to a Euractiv request for comment.

However, in February, EU Energy Commissioner Kadri Simson acknowledged the possibility that the EU’s taxonomy definition of low-carbon hydrogen – less than 3.38 kilos of CO2-equivalent per kilo of hydrogen – “could include natural hydrogen”.

Streamlining administrative processes, such as permit issuing, and increasing public subsidies, could also contribute to the sector’s momentum, according to researchers and sectoral players.

While some policy measures can be taken now, it will be some time before natural hydrogen’s full potential is known. First European drillings, in France, are not expected before the end of 2028 at the earliest.

Source:Hydrogencentral

Researchers at the Fraunhofer Institute for Environmental, Safety, and Energy Technology UMSICHT and Ruhr University Bochum have discovered that carbon-based bipolar plates can be a more cost-efficient and scalable alternative to the titanium bipolar plates typically used in PEM electrolysis.

The focus of their investigation was a new carbon-based bipolar plate developed and patented by Fraunhofer UMSICHT. It consists of a thermoplastic polymer-bonded carbon matrix with conductive additives such as carbon black and is produced using a powder-to-roll process. This material and production method enable continuous manufacturing of an easily processed and welded bipolar plate, already commercially used in redox flow batteries.

The researchers subjected this carbon-based bipolar plate and a titanium bipolar plate to comprehensive ex-situ and in-situ tests. The ex-situ tests included electrochemical corrosion studies, scanning electron microscope analysis, and weight loss measurement to assess real-world suitability and parameter choices. During in-situ tests, the plates underwent accelerated aging tests with alternating current densities between 1 and 3 A cm⁻² for over 500 hours.

The scientists have published their results under the title ‘Bipolar Plates in PEM Water Electrolysis: Bust or Must?’ in the journal ‘Advanced Energy Materials’. In essence, they have discovered that the carbon-based bipolar plate has an ageing rate in the low µV h⁻¹ range and thus shows promising performance. This means that it can certainly compete with titanium bipolar plates and represents a much more cost-effective alternative. Another advantage: due to its material properties such as weldability, it enables completely new designs for PEM electrolysers. The potential to replace titanium bipolar plates in the PEM electrolysis stack and make electrolysis scalable at the same time is therefore definitely there. The task now is to further investigate and, if necessary, optimize the new material in order to further reduce the costs of electrolysis and thus make the production of green hydrogen more economical.

Source:Hydrogentechworld

월간수소경제 = 성재경 기자 | 장항과 군산을 잇는 동백대교에 이르자 먹구름 사이로 해가 난다. 간밤에 쏟아진 폭우로 불어난 물이 금강 하구를 누런 황톳빛으로 물들이고 있다. 

다리를 건너 새만금방조제 쪽으로 달리자 군산국가산단이 나온다. HD현대인프라코어에서 국책과제로 개발한 수소연소엔진을 단 맥쎈 카고트럭을 처음으로 눈앞에서 마주한다. 시동 버튼을 누르자 400마력이 넘는 11리터급 엔진이 기동을 한다. 

카메라를 어깨에 두르고 트럭 옆자리에 간신히 오른다. 진동과 소음이 의외로 작아 내심 놀란다. 과속방지턱을 사뿐히 넘어 주행 트랙으로 향한다. 대형 스크린 같은 큰 창으로 빗물에 젖은 풍경이 다가온다. 물기를 짜낸 회색 구름이 아이싱 주걱으로 바른 생크림처럼 하늘을 덮고 있다.

타타대우상용차의 트럭 라인업은 크게 대형트럭인 맥쎈(MAXEN), 중형트럭인 구쎈(KUXEN), 준중형 트럭인 더쎈(DEXEN)으로 나뉜다. 2022년 1월에 출시된 ‘맥쎈’은 그 이름처럼 크고 무거운 헤비급 차량이다. 

“맥쎈은 유로6D 배기가스 규제를 충족하는 디젤 파워트레인을 적용하고 있어요. FPT(피아트 파워트레인 테크놀로지)의 커서(Cursor) 시리즈 엔진을 주력으로 하면서 HD현대인프라코어의 엔진을 일부 적용하고 있죠. 맥쎈 카고트럭에 적용된 수소엔진은 HD현대인프라코어에서 개발했어요. 11리터급 HX12 엔진으로 최대출력은 408마력, 토크는 1,700뉴턴미터(Nm)에 이르죠.”

수소엔진을 단 맥쎈 6×4 카고트럭 개발을 이끌고 있는 타타대우상용차 최용철 제품설계그룹장의 설명이다. 트럭에 탑재한 수소탱크는 국내 최대인 185리터 제품을 적용했다. 일진하이솔루스에서 인증을 받은 타입4 탄소복합 탱크로 기체수소 7.4kg을 충전할 수 있다. 

“총 7개의 수소탱크를 갖추고 있어요. ‘캡백’이라고 해서 운전석 뒤쪽에 세로로 적층해서 5개의 탱크를 쌓고, 나머지 2개는 사이드에 하나씩 장착했죠. 탱크 7개 용량을 모두 합쳐 1,295리터, 그러니까 100% 충전을 하면 약 52kg의 수소를 채울 수 있어요. 탱크 개수를 최대한 늘려 최소 500km 이상 주행거리를 확보하는 데 중점을 두고 개발을 진행하고 있죠.”

수소는 부피를 많이 차지한다. 700바(bar) 고압으로 압축해도 디젤연료 대비 체적이 약 3.5배나 크다. 부득이하게 캡 뒤쪽 공간 일부를 수소탱크에 내어줄 수밖에 없다. 짐칸으로 보면 약 800mm가 줄어 화물 적재 공간을 그만큼 손해 보게 된다. 

시험실로 들어온 맥쎈 트럭을 살펴본다. 트럭에 들어간 엔진은 큰길 건너에 있는 HD현대인프라코어에서 개발했다. 올해 1월에 엔진을 들여와 5월에 장착을 마무리했다. 

“본격적인 차량 주행평가에 앞서 수소충전 시 문제점, 편의성, 안전성에 대한 평가를 진행하고 있어요. 국내 최초로 적용된 수소엔진차량인 만큼 새롭게 적용된 수소연료공급계, 차량 제어시스템에 대한 기본 작동시험을 우선 진행하고 있죠. 8월 말까지 기본 평가시험을 마무리하고 9월부터는 주행시험에 나설 계획입니다.”

주행연비 평가, 동력성능 평가, 소음이나 진동 여부를 알아보는 NVH(Noise, Vibration, Harshness) 평가, 냉각 시스템, 연료공급계의 안전성 시험, 실차 내구시험 등을 이때 진행하게 된다. 엔진음, 진동만 해도 아직 최적화가 이뤄지지 않았다. 향후 튜닝을 거쳐 문제점을 잡아내서 보완하면 디젤차량보다 더 부드럽고 뛰어난 승차감을 확보할 수 있을 것으로 본다.

“기존 디젤 시스템을 기반으로 연료 변경에 따른 엔진, 연료공급시스템을 우선 변경해서 적용했어요. 배기가스 규제가 까다로워지면서 상용차 업체들은 저마다 각자의 방식으로 탄소배출량을 저감하기 위한 친환경차 개발을 고민하고 있죠.”

포트분사 방식 직렬 6기통 엔진 적용

한 직원이 차량 전면의 보닛을 열고 틸팅 레버를 작동시킨다. 캐빈이 앞쪽으로 천천히 들리면서 앞바퀴 안쪽에 있는 수소엔진의 상부가 드러난다. 

엔진의 형상이 눈에 익다. 작년 11월 HD현대인프라코어 군산공장의 연구동에서 본 바로 그 엔진이다. 포트분사(Port Fuel Injection, PFI) 방식을 적용한 직렬 6기통 엔진으로 6개의 점화플러그가 상단에 툭 불거져 있다. 

이날 현장에는 수소연소엔진 개발을 주도한 HD현대인프라코어 유덕근 미래동력시스템개발팀장도 함께 자리했다. HD현대인프라코어는 버스용으로 개발된 CNG엔진(GX12)을 기반으로 HX12 수소엔진을 개발했다. 

“상용차, 건설기계에 적용하기 위한 11리터급 수소연소엔진 개발 과제에 타타대우가 함께 참여하고 있죠. 엔진 동력계상 검증된 수소엔진을 탑재했기 때문에 경험상 동일한 연소효율을 보여줄 것으로 봅니다. 최대 엔진효율은 44%로 과제 목표치를 달성했어요. 이제 차량에 탑재된 상태에서 성능 검증 등의 결과를 바탕으로 운행특성에 따라 주요 운전점에서 효율을 추가하는 방향으로 개선하는 일이 남아 있죠.”

HD현대인프라코어는 동일한 엔진을 버스, 30톤급 크롤러 굴착기에도 탑재해 실증에 나설 계획이다. 지난 6월에는 범한자동차와 수소엔진을 탑재한 버스 개발에 대한 협약을 맺고 킥오프 만남도 가졌다. 내년 초에는 버스 탑재가 가능할 전망이다.

“타타대우 카고트럭에 첫 번째 수소엔진을 탑재한 점은 의미가 커요. 차량에 엔진을 탑재하려면 목표 성능과 배출가스 기준을 만족해야 하고, 기본적인 내구성도 갖춰야 합니다. 향후 차량 주행평가를 거쳐 엔진의 본격적인 양산과정을 밟게 되는데, 배출가스 수준이 유럽의 무공해 자동차(Zero Emission Vehicle) 기준에 부합해야 하죠. 현재 법적으로 무공해차(1종 저공해차)에 전기차, 연료전지차만 들어가는데, 이제 내연기관차도 무공해차에 포함되는 길이 열리는 셈이죠.”

최용철 그룹장이 이 말에 고개를 끄덕여 호응한다. 환경부가 주도하는 공공부문의 무공해차 보급 확대 정책에 대응하려면 제도의 틀 안에서 ‘1종 저공해차’에 들어야 한다. 현실적으로 매우 중요한 대목이다.

일단 분위기는 좋다. 지난 6월 유럽에서 전기차, 연료전지차와 더불어 무탄소 연료를 사용하는 내연기관(수소엔진) 차량의 무공해차 인정 기준을 발표했다. 그 기준을 보면 트럭은 1톤의 짐을 1km 이동시키는 데 3g의 CO2 배출(3g/tkm), 버스는 사람 한 명을 1km 이동시키는 데 1g의 CO2 배출(1g/pkm), 엔진 기준으로는 1시간에 1kW 출력을 내는 동안 1g의 CO2 배출(1g/kWh)을 만족하면 무공해차로 인정하기로 했다.

“유럽은 조만간 이를 법제화해서 공표하게 될 겁니다. 지금 제조사들과 보조금 논의를 하고 있고, 우리도 이 흐름을 따라가게 되겠죠. 현재 국내 수소연료전지 버스나 트럭에 4억 원이 넘는 보조금을 지원하고 있는 걸로 알아요. 수소엔진을 적용하면 같은 비용으로 더 많은 차량의 탈탄소화에 기여할 수 있죠. 수소 수요가 늘면 충전소 수도 그만큼 늘어나고 적자 해소에도 도움이 될 겁니다.”

상용차는 주행거리가 매우 중요하다. 트럭만 해도 1년에 10만에서 15만km를 운행하는 차량이 수두룩하다고 한다. 

“고객의 눈높이는 내연기관 차량에 맞춰져 있어요. 트럭은 100만km, 버스는 83만km 운행이 기본입니다. 이 조건을 충족하지 못하면 고객에게 차량을 인도하기가 어려워요. 내연기관에 기반한 산업 구조를 지닌 대부분의 차량 제조사들이 수소엔진 개발에 관심을 보여왔고, 이 시장에 적극적으로 대응하려는 움직임을 보이고 있죠.”

유덕근 팀장은 “글로벌하게 보면 상용차(트럭·버스)나 건설기계 장비·엔진 제조사들은 모두 수소엔진을 개발하고 있다”라며 “유럽과 미국이 적극적으로 외부 미디어를 통해 알리고 있고 중국의 경우에는 외부 노출이 거의 없지만, 5~7개 업체에서 수소엔진이 탑재된 차량을 개발하고 있는 것으로 안다”고 말했다. 

1종 저공해차 지정, 충전 문제 해결은 숙제

차량의 충전은 하이넷이 운용하는 군산지곡 수소충전소를 이용한다. 하지만 충전소를 이용하는 일이 만만치가 않다. 최용철 그룹장의 얼굴에 근심이 가득하다.

“현재 상용차용 수소충전소 용량 기준이 50kg 이하로 설정이 되어 있더군요. 탱크 내용적으로 치면 1,200리터가 한계로 잡혀 있어요. 1,295리터(약 52kg)를 적용한 수소엔진 카고트럭은 통신 자체가 안 됩니다. 현재 예약을 하고 찾아가서 비통신 상태로 충전을 하기 때문에 시간이 많이 걸리죠. 안전상의 이유로 풀충전도 안 되고요.”


캡백과 사이드에 총 7개의 탱크를 장착, 최대 1,295리터(약 52kg)의 수소를 채울 수 있다.
디스펜서의 충전용량과는 별개로 애초에 통신 자체를 막아둔 터라 문제가 될 수 있다. 

“충전 시 안전 확보 면에서 통신 문제는 매우 중요합니다. 그나마 다행인 것은 최근 부안에 있는 수소충전소를 방문해서 충전을 했는데, 차량과의 통신이나 충전에 아무런 문제가 없었어요. 27kg 충전에 약 15분이 걸릴 정도로 충전속도도 만족할 만한 수준이었습니다.”

충전소 통신 문제는 안전과 편의성에 큰 불편을 야기할 수 있다. 빠른 시점에 충전소, 충전기 제작업체가 협의의 장을 마련해서 이 문제를 바로잡을 필요가 있다.

수소엔진 적용 차량의 출시 시점은 내년 4분기로 예정하고 있다. 일단 적은 물량으로 시작해 고객과 함께 차량군 관리(Fleet management) 평가를 진행할 계획이다. 고객의 불편사항, 성능 개선에 필요한 항목을 반영해서 2027년에는 양산체계를 갖춘다는 목표를 세워두고 있다.

“본격 양산체계로 전환하려면 연료 분사계, 공급계, 제어계, 터보차저 등 핵심 요소 부품을 양산용으로 전환해서 성능을 재검증하고 내구시험을 진행하는 과정을 거쳐야 합니다. 기존 디젤엔진 차량 대비 비용 상승은 불가피해요. 수소탱크가 워낙 고가인 데다 소량생산인 엔진의 연소시스템, 연료공급계 부품 등이 차량가를 높이는 요인이 되죠.”

소비자의 지갑을 열려면 경제성이 뒷받침돼야 한다. 1종 저공해차에 들어야 보조금 혜택, 세금 감면을 받을 수 있고, 소비자가 무공해차를 선택하는 유인책이 된다는 점에서 앞서 풀어야 할 과제라 할 수 있다.

수소엔진트럭은 내연기관의 탈탄소화에 기여할 수 있다. 1종 저공해차에 들어야 가격 경쟁력을 갖출 수 있다. 
“현재 상용화되어 있는 수소저장시스템 기술로는 1회 충전 후 주행가능거리가 디젤차량 대비 아직 부족한 상황이죠. 다만 수소저장 방식, 하이브리드 구동에 대한 많은 연구개발과 시험이 진행 중입니다. 액화수소 충전 방식도 여기에 들죠. 같은 용량의 탱크에 더 많은 수소를 한 번에 저장해 주행거리를 늘릴 수 있으니까요.” 

국내에서도 올해부터 액화수소 플랜트가 가동되기 시작했다. 또 수소연소엔진, 전기모터, 배터리를 조합한 하이브리드 기술을 적용해 디젤과 동등하거나 이를 뛰어넘는 1회 충전 주행가능거리를 확보할 수 있다. 

“연료전지차와 수소엔진차는 각각의 장단점이 있어요. 현대차도 수소엔진차 기술을 들여다보고 있을 테고요. 두 가지 차량 모두 시장에서 제 역할이 있다고 봅니다. 충전 인프라가 충분히 갖춰지고 대량생산의 대중화 단계로 넘어가면 차량 가격도 크게 떨어지겠죠. 그때를 보고 가야지요.”

주차장으로 걸어가는 길에 본 타타대우상용차의 슬로건이다. 무엇이든 나르고 어디든 달리겠다는 의지를 담고 있다. 

수소는 지구 어디에나 넘쳐나지만, 이 수소만 쏙 빼서 활용하는 일은 만만치가 않다. 이 허들을 넘는 일은 쉽지 않지만, 그러하기에 더 큰 성취감을 얻을 수 있다. “멱살 잡고 하드캐리 하자”는 말이 괜히 있는 게 아니다

트럭으로 들어온 수소엔진 ① 타타대우의 맥쎈 카고트럭 < 기획•연재 < FOCUS < 기사본문 - 월간수소경제 (h2news.kr)