New Energies, new possibilities

2024年3月27日、「NGK」ブランドでお馴染みの日本特殊陶業は「電気により水素を製造し、水素により電気を発電する」リバーシブルSOCシステムを開発したと発表、2025年度内の製品化を目指しているという。

【写真】リバーシブルSOCシステムをわかりやすい図解で見る

自動車やバイクに搭載されているエンジンは、おおまかに見て「吸気→圧縮→爆発→排気」を繰り返すことで動力を得ている。この4工程の中でもクルマを動かす力を発生させる「爆発」の部分で大きな役割を担っているのがスパークプラグで、混合気（燃料＋空気）に着火するための火花を発生させている、ガソリンエンジンに欠かすことのできない部品である。 このスパークプラグの世界市場でシェアナンバー1を誇るのが「NGK」のブランドで知られる日本特殊陶業だが、エンジンを搭載しない「クルマのEV化」により岐路に立たされている企業でもある。 ここ数年でEV化の機運は急速に高まったものの、ここから先は2050年のカーボンニュートラル実現に向けて緩やかに進んでいくのではないかという見方もある。実際、日本特殊陶業は2020年に発表した長期経営計画の中で、内燃機関向けの製品による売上は2030年後半をピークに減少へ転じると予測している。 こうした現状と未来予測をもとに、内燃機関以外の分野における事業拡大を推進するとともに、内燃機関に関連した事業売上の割合を2020年の82％から、60％（2030年）、40％（2040年）に段階的に引き下げていくとしている。スパークプラグ開発で培ったセラミック技術による医療機器や産業製品、半導体パッケージなど古くから展開されている事業の他に、新たな領域での挑戦も進んでいる。

월간수소경제 = 성재경 기자 | 일본 도쿄에서 지난해 열린 ‘FC EXPO’가 올해는 ‘H2&FC EXPO’로 간판을 바꿔 달았다. 연료전지(FC) 앞에 수소(H2)만 붙였는데도 전보다 그릇이 훨씬 커진 기분이 든다.

H2&FC 엑스포는 ‘스마트 에너지 위크’에 맞춰 도쿄 빅사이트 전시장에서 2월 28일부터 3월 1일까지 사흘간 열렸다. ‘ZERO-E THERMAL EXPO’를 한 공간에 붙여서 간 건 화력발전 시 탄소 감축을 위해 수소나 암모니아를 혼소하는 사업이 활발히 추진되고 있기 때문이다.

가와사키중공업만 해도 수소혼소를 위한 고효율 가스터빈 ‘L30’을 3분의 1 크기로 줄인 모형을 전시했다. 전시 규모만 놓고 보면 도요타, 혼다보다 컸다. 입구 안쪽에 큰 부스를 열고 액화수소운송선, 선박용 수소연료전지, 수소엔진을 적용한 오토바이 등 수소사업 전반을 소개했다.

디귿 자로 꺾인 서관 전시장을 한 바퀴 돌았지만 수소전기차는 80kW급 연료전지를 장착한 혼다의 CR-V가 유일했다. 이 차량은 애초에 플러그인 기능을 추가한 e:FCEV 수소전기 하이브리드 차량으로 기획됐다.

수소탱크 2개를 가득 채우면 최대 600km를 달릴 수 있다. 17kWh 배터리의 전기충전만으로 60km를 달릴 수 있고, 커넥터를 꽂아 전기를 쓰는 V2L 기능도 제공한다. 다만 불룩한 수소탱크 때문에 트렁크 안쪽 공간을 손해 본 건 아쉽다. 그래도 베스트셀러 모델이라 가격만 맞으면 상품성은 좋아 보인다.

도요타, 치요다화공 손잡고 수전해 사업 추진

차는 없지만 연료전지는 차고 넘친다. 메이커별로 엔진만 죽 도열해놓고 자동차 얘기를 하는 게 우습긴 하지만, 수소 전시회는 모터쇼와는 분위기가 다르다.

아이폰 출시를 계기로 IT 시장의 판도가 확 바뀌었지만, 수소 시장은 그렇게 돌아가지 않는다. 현대차 넥쏘나 도요타 미라이는 테슬라의 모델S급 파급력을 글로벌 시장에 각인시키지는 못했다.

선도 모델을 내서 시장의 주의를 끌고, 이를 통해 산업 생태계 전반을 새롭게 구축할 수 있으리라는 기대가 수소산업에는 잘 통하지 않았다. 수소란 기체는 한없이 작고 가볍지만, 그래서 더 다루기가 까다롭다.

새로운 기술을 개발하고, 법과 제도를 가다듬고, 대중을 설득하고, 리스크를 안고 투자를 이어가는 일련의 과정은 인내를 요구한다. 수소충전 인프라 구축만 해도 5G 통신망 구축과는 다른 차원의 시간과 노력이 필요하다.

36kg의 수소를 저장할 수 있는 도요타의 모듈형 저장탱크인 TC36.

도요타가 개발 중인 차세대 연료전지시스템.

연료전지시스템만 놓고 보면 도요타는 지난해와 똑같다. 전단지도 그대로 쓰고 있다. 1, 2년 만에 차세대 연료전지시스템을 내는 건 물리적으로 불가능하다. 이를 적용한 신차를 선보이려면 더 오랜 시간이 필요하다.

도요타도 현대차도 수소전기차 시장에서 재미를 못 봤다. 기대만큼 차량이 팔려야 연구개발 투자에 뛰어들 동력이 생기는데, 현실은 그렇지 못했다. 상용차 부문으로 소비처를 확대하고 싶지만, 연료전지시스템의 내구성을 내연기관 수준으로 올리고 가격을 떨어뜨려야 하는 숙제를 안고 있다.

올해 도요타 전시장은 덴소(Denso), 도요타통상, 도요타고세이, 아이신정기(AISIN) 같은 계열사에 힘을 싣는 방식을 취했다. 도요타고세이의 타입4 수소저장탱크 4개가 체결된 TC36이 대표적이다.


36kg의 수소를 저장할 수 있는 모듈형 저장탱크로 모니터를 통해 수소 잔량을 확인할 수 있다. 또 안전을 위한 수소누출감지기, 수소공급 차단밸브가 들어갔다. 총 무게는 1.3톤 정도로 지게차로 쉽게 들어서 옮길 수 있다. TC36, TC18 모델은 실증 중이고, 용량이 작은 TC4, TC8, TC10 제품도 개발 중이다.

바로 옆에 전시된 EODev GEH2는 연료전지 발전기다. 도요타의 70kW급 PEM 연료전지로 전기를 생산해 공급한다. 프랑스의 EODev(Energy Observer Development)라는 스타트업에서 개발한 제품으로, 재생에너지를 활용해 세계일주 항해 프로젝트를 이어온 ‘에너지 옵저버호’에 들어가는 연료전지시스템을 함께 개발하면서 인연을 맺었다. 지상용 수소발전기 모델 GEH2 외에도 선박용 수소발전기 모델 REXH2를 판매한다.

도요타는 올해 치요다화공건설과 손을 잡고 5MW(메가와트)급 PEM 수전해시스템 상용화에 나선다. 양산성을 고려해 미라이에 들어가는 연료전지와 동일한 크기의 스택을 사용하게 된다. 박스 모양의 400kW급 모듈 12개를 묶어 5MW를 구성한다.

도요타의 PEM 수전해 사업 추진 방향.

5MW급 설비 4개를 현장에 설치하면 20MW급 수소생산단지를 구축할 수 있다. 또 이를 20배로 늘리면 400MW급 사이트가 완성된다. 수소전기차 판매가 저조하고, 발전용으로도 큰 재미를 못 보고 있는 상황에서 PEM 수전해가 돌파구가 될 수 있다.

양사는 2025년부터 아이치현 도요타시에 있는 혼샤공장에 수전해시스템을 설치해 실증에 나선다. 향후 10MW급으로 확대해 시스템 검증, 제품 개발이 이뤄질 전망이다.

수소산업 이끄는 일본 ‘소부장’ 기술

일본은 ‘소부장’으로 통하는 소재부품장치 산업 선도국이다. 이 장점은 수소연료전지 기술에도 그대로 적용된다. 연료전지 스택만 해도 고분자전해질막, 전극용 촉매, 금속분리판, 공기확산층(GDL) 등 여러 가지 소부장 기술이 적용된다.

고베제강(KOBELCO)에서 생산한 ‘NC(나노카본 복합코팅) 티타늄’ 실물을 이번 전시회에서 처음 접했다. 1세대 미라이의 금속분리판으로 적용된 티타늄 압연 소재는 전도성이 좋지 않아 프레스 성형 후 별도의 표면처리 공정을 거쳐야 했다.


고베제강에서 개발한 ‘NC 티타늄’으로 내식성, 전도성이 뛰어나다.
고베제강은 이를 개선하기 위해 나노 크기의 탄소가 분산된 표면층을 도체로 갖는 산화티타늄 피막을 개발하기 시작했다. 2014년 2월에 연료전지용 분리막에 가장 적합한 소재인 NC 티타늄 개발에 성공했고, 2014년 11월부터 도요타와 NC 티타늄 양산기술 공동개발에 들어가 2세대 미라이 생산에 이를 적용한 바 있다.

“고베제강의 이 기술 덕분에 전도성과 내식성, 성형성이 좋은 티타늄분리판 기술을 확보할 수 있게 됐죠. 금속분리판 프레스 작업 후에 추가로 진행하는 표면처리 공정에 드는 시간과 비용을 생각하면 이 기술이 얼마나 중요한지 알 수 있습니다.”

전시장에서 만난 업계 관계자의 말이다. 도요타가 개발 중인 PEM 수전해 스택에도 고베제강의 NC 티타늄 분리판이 적용된 걸 알 수가 있다.

도요타의 PEM 수전해 스택은 400kW를 기반으로 한다. 

넥쏘의 연료전지 스택의 셀 개수는 440개지만, 미라이2 스택의 셀 개수는 330개에 불과하다. 스택의 개발 방향은 성능과 내구성을 높이면서 부피와 무게를 줄이는 데 있다. 그래야 값비싼 스택 가격을 떨어뜨릴 수 있다.

연료전지는 기술개발의 난이도가 높다. 기업의 역량을 하나로 모으고 여러 소부장 기업과 협력해야 한다. 현대차는 지난 2월 현대모비스의 수소연료전지 사업을 인수했다. 이는 연료전지시스템의 연구개발부터 제조까지 밸류체인을 일원화하는 데 목적이 있다.

이 움직임이 내년에 출시될 신형 넥쏘, 2027년 양산을 목표로 하고 있는 3세대 연료전지시스템 개발에 어떤 영향을 미칠지 주목된다.

고베제강은 신에너지산업기술개발기구(NEDO)의 수소 실증 과제에도 참여하고 있다. 액체수소의 냉열을 회수하는 중간유체기화기(IFV) 개발, 고순도 수소산소 발생기(HHOG) 개발, 또 이를 함께 운영관리하는 시스템 개발을 맡고 있다.

고베제강은 지난해 6월 자사 연구시설의 보일러로 천연가스에 5~20%의 수소를 혼소하는 실증을 진행했다. 2025년까지 IFV로 기화한 수소, 재생에너지와 연계한 HHOG로 생산한 수소를 산업용 연소로에 동시에 공급하면서 수소의 비용, 날씨에 따른 수전해 수소 생산량, 탄소배출량 등을 종합적으로 평가하는 실증을 마무리하게 된다.

일본의 촉매 회사인 다나카 귀금속공업도 부스를 열고 참가했다. 연료전지용 백금이나 백금합금 촉매, 천연가스를 개질해 수소를 생산하는 백금루테늄 촉매, 고내구성 PEM 수전해를 위한 양극용 이리듐 촉매 등을 선보였다. 귀금속 사용량을 줄이면서 고성능, 고내구성의 촉매를 개발하는 것을 목표로 하고 있다.

다나카는 중국의 수소 시장에도 본격 진출한다. 지난 2013년 중일 합작회사로 청두시에 설립한 청두광밍페이트귀금속의 자회사 공장에 생산설비를 마련하고 올여름부터 연료전지용 전극 촉매 생산에 나선다.

수소차·연료전지 동향 ① 일본 : ‘소부장’ 기술 강국의 저력 < 기획•연재 < FOCUS < 기사본문 - 월간수소경제 (h2news.kr)

クボタは3月28、水素燃料電池トラクタ（FCトラクタ）の新たな試作機を公開した。「水稲や畑作の本格農作業が可能であり、パワフルかつコンパクトでゼロエミッションを実現するトラクタ」をコンセプトに開発しており、試作機としては2号機となる。クボタ 取締役専務執行役員 研究開発本部長の木村浩人氏は「FCトラクタは2021年から開発を開始し、2023年夏に試作機の1号機を開発したが、

補助バッテリが大きく冷却性にも課題があり、実作業に適用できる状況ではなかったため、改善を進めてきた。今回の試作機では、農建機向けの水素燃料電池システムの研究促進、社会実装に向けた課題の抽出が狙いであり、日本だけでなく、世界を目指したFCトラクタになる。クボタの特徴であるコンパクトさを活かしながら、ゼロエミッションを実現したい」と述べた。 　実用化の時期については「不確定な要素がある」として、明確には言及しなかったが、「今回の試作機を用いて実証試験を行ない、2、3年で技術レベルを高めたい。だが、法規制やインフラの問題が市場投入の際には大きな障壁になると考えている。これらの課題が解決し、市場投入できる状況になれば、即座に投入することを基本姿勢として、技術開発を進めている」と述べた。無人化および有人化の両面から実用化を検討する考えも示した。 　想定している市場としては、水素を供給するインフラが整い、カーボンニュートラルの意識が高い先進国が中心になるとしている。 　今回開発した試作機の目標性能は、出力は44.1kW（60馬力）であり、エンジン機と同等の作業性を持たせ、耕うんや運搬、施肥散布作業などに活用できるようにする。作業時間は平均負荷率60%で4時間となっており、現行のエンジン機の約半分だが、「午前中いっぱいは使える水準」とした。また、エンジン機に比べて3分の1の極低騒音性を実現。夜間作業や市街地での作業も行ないやすい。エンジン振動がなく居住性が高いことも特徴だ。 　さらに、エンジン機では300時間稼働時には11.3tのCO2が排出されるのに対して、FCトラクタではCO2排出量はゼロになり、排出物は水だけとなる。環境にも配慮したトラクタを実現できる。なお、重量エネルギー密度は、バッテリ機の3倍となるが、エンジン機の6分の1程度になるという。 　また、試作機では、シャーシやトランスミッション部分などの基本プラットフォームは既存のトラクタを使用。横幅やホイールベースに変更はないが、天井部分に大型タンクを搭載しており、燃料電池を搭載するために前方部分が伸びているという。なお、大型タンクにはトヨタのMIRAI向けの水素タンクを3本搭載し、70MPaの水素を使用。約10分で満タンにでき、満タンでも7.8kgと軽量であるため、天井部に配置できる。「FCトラクタ向けにプラットフォームを見直せば、さらに小型化できるだろう」とも述べた。 　一方、実用化に向けたいくつかの課題も示した。 　技術的な課題としては、FCシステム技術の確立とともに、車体設計についての大幅な見直しや、タンク容量や形状、機器レイアウトの見直しが必要だとする。さらに、水素の安全性や信頼性の向上も重要な要素だと指摘した。 「現時点ではエンジン部分を水素燃料電池に置き換えているため、最適な設計にはなっていない。電動に適した車体プラットフォームの検討を開始している。別途研究を進めている自律型農機の技術を活用することでキャビンレスが実現でき、キャビン部分にタンクを設置することも想定できるため、スマートなデザインになる」と述べた。 　また、法規制面の課題も多いとする。水素燃料電池に関しては、高圧ガス保安法や一般高圧ガス保安規則、道路車両運送法のほか、水素貯蔵については建築基準法の影響も受けることになる。「現在の制度では水素タンクの取り外しができず、それを持ち運んで水素タンクに注入できないといった課題もある」と指摘した。 　さらに、インフラ面の課題としては、地方都市への水素ステーションの設置や、農作業現場への配送および供給手段についても検討する必要があるという。 「技術、法規制、インフラの観点における課題解決や、まだ気がついていない課題解決のためには、社内研究開発の加速や、社外パートナーとの連携が必要である。また、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）とともに、燃料電池トラクタの実用化に向けた実証実験を2024年春から国内数か所で実施し、この成果も実用化に反映したい」と述べた。 　クボタでは、研究開発トレンドとして、自動運転技術やデータドリブンによる「スマート」、電動化や資源循環、エネルギー回収などの「サーキュラ」、将来の農業の形を前提としたスマートビレッジや新コンセプト製品の開発、外部連携による「イノベーション」に取り組み、それぞれの頭文字をとった「SCI」をテーマに掲げている。 　とくに、「サーキュラ」では、機械・水・環境の各分野における研究開発を進行させており、短期的にはバッテリ式農建機の開発に注力しているほか、液中膜を活用した下水や生活排水の再生、水田からのメタン発生抑制、都市ごみからの有価金属回収などに取り組んでいる。また、中長期的には、FC式農建機やバッテリ式農建機、排ガスCO2分離回収システム搭載農機、農業残渣からのバイオ炭製造、CO2吸着材などの研究に着手。「農建機のカーボンニュートラル化は重要なテーマになっている」と位置づけている。 　農建機の脱炭素化では、2023年にバッテリ電動領域において、小型トラクタを欧州市場向けに展開。2024年には建機の市場投入を予定している。また、エンジンとモーターを組み合わせたハイブリッドエンジンの開発や、水素燃料電池によるFC電動、水素だけで稼働させる水素エンジン（HICE）などを開発。そのほか、バイオ燃料や合成燃料に対応したエンジンの開発も行なっている。今回発表したFCトラクタは、水素燃料電池を搭載したものとなる。 「BEV（バッテリEV）は、小中型機種向きであり、自動車向け車載技術が進化している領域である。だが、農建機に搭載するにはまだ開発要素が残っている。FCEV（水素燃料電池）は、中大型機種向きで、負荷が低い領域に適している。燃料やバッテリ、水素の重量に対して、出力する重量エネルギー密度が高いという特徴がある。また、高効率で、信頼性、快適性が高く、自動運転技術との相性も高い。先進国から普及していくことになるだろう。一方で、HICE （水素エンジン）は、中大型機種向きで、高出力を活かし、負荷率が高い過酷な環境に適応できるのが特徴となり、コスト面でのメリットもある。それぞれの技術の特徴を活かして製品化し、市場投入していくことになる」と述べた。

クボタ、水素燃料電池トラクタの新たな試作機を公開（Car Watch） - Yahoo!ニュース

CRRC 창춘철도차량이 시속 160km 최고속도 시험 운행에 성공했다.(사진=CRRC)
월간수소경제 = 성재경 기자 | 중국이 자체 개발한 수소연료전지 열차가 시속 160km의 최고속도로 시험 운행에 성공했다.

글로벌타임스(Global Times)는 CRRC 창춘철도차량(이하 ‘CRRC 창춘’)에서 입수한 자료를 토대로 “3월 21일 중국 동북부 지린성 창춘에서 최고속도로 시험 운행을 완료했다”고 보도했다.

CRRC(중국중차)는 중국 내 고속열차를 단독으로 공급하고 있는 국영기업이다.

시속 160km의 속도에 도달한 이 열차는 철도 운송 부문에서 수소에너지의 활용 가능성을 높일 뿐 아니라 중국 철도장비 제조 분야의 기술력과 생산력을 한 단계 높이는 데 일조할 것으로 보인다.

CRRC 창춘의 수소열차는 연료전지와 슈퍼커패시터, 배터리를 조합한 수소전기 하이브리드 방식을 통해 에너지 효율성과 유연성, 신뢰성을 크게 높였다. 1회 수소 충전으로 600km를 달릴 수 있다.

CRRC 창춘은 주요 부품에 대한 테스트뿐 아니라 에너지 소비, 신뢰성, 견인력, 제동력 등 다양한 테스트를 통해 영하 25℃~35℃에서 안정적으로 구동됨을 확인했다.

무탄소 배출 외에도 자동 시동과 출발·정지, 차고지 복귀 기능, 지능형 모니터링 시스템, 5G 통신 등을 갖추고 있으며, 4량의 열차에 1,500명의 승객을 태울 수 있다.

이번 실증의 성공은 중국이 구체적인 계획을 마련해 수소에너지 개발을 가속화하고 있는 가운데 나온 대표 성과에 든다.

중국 정부는 2025년까지 5만 대의 수소전기차 운행을 목표로 하고 있으며, 29개 지자체가 1,200개소 이상의 수소충전소를 구축할 계획이다.

지난해 중국 내 수소전기차 판매량은 2022년 대비 72% 증가한 5,800대에 달했다. 특히 작년 12월에는 1,500여 대의 월 판매량을 기록하며 역대 최고치를 기록했다.  

中 CRRC, 시속 160km 수소열차 시험 운행 성공 < 기술 < NEWS < 기사본문 - 월간수소경제 (h2news.kr)

출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)