궁극의 수소사회 완성, 소재·부품에 달렸다

수소충전소가 100개가 보급된 일본에서 다년간의 운영경험을 토대로 궁극의 수소사회로 나가기 위해서는 수소 관련 제품의 소재 및 부품의 완성도가 뒷받침되지 않고서는 수소사회를 완성한 수 없다는 것을 세계 최대의 수소연료전지 박람회가 보여줬다.

‘제15회 국제수소연료전지 박람회(FC EXPO 2019)’가 지난 2월27일부터 3월1일까지 3일간 일본 도쿄 빅사이트에서 개최됐다.

이번 전시회는 일본 리드 이그지비션의 주최로 ‘월드 스마트 에너지 위크 2019(World Smart Energy Week 2019)’의 동시 전시회로 개최됐다.

‘월드 스마트 에너지 위크 2019’는 신재생 및 스마트 에너지에 관한 세계 최대급 종합 비즈니스 전시회로 FC EXPO 2019(수소연료전지 박람회)를 비롯해 △PV EXPO 2019(태양광발전 엑스포) △PV SYSTEM EXPO(태양광발전 시스템 시공 엑스포) △BATTERY JAPAN(이차전지 엑스포) △9th INT'L SMART GRID EXPO(스마트그리드 엑스포) △WIND EXPO 2019(풍력발전 엑스포) △4th INT'L BIOMASS EXPO(바이오매스 엑스포) △THERMAL POWER EXPO(화력 엑스포)가 펼쳐졌으며, 신규 박람회로 △RESOURCE RECYCLING EXPO(자원재활용 엑스포) 등 전문전시회를 개최했다.

일본 최대 전시회장인 도쿄 빅사이트의 전관을 사용한 이번 전시회에는 한국, 미국, 캐나다 대만 등 70개 국가 및 지역에서 1,580개의 기업이 참가했으며, 약 7만명이 참관했다.

‘FC EXPO 2019’에는 △연료전지 시스템 △연료전지 스택 부품 △수소저장장치 △수소제소 관련 장치 △관련 평가·측정 장비 등 280여사가 출품했다.

■ 日, 수소사회 완성을 위한 보완의 단계 접어들어

이번 전시회에서 만난 일본 수소 관련 기업 담당자들은 일본의 수소관련 산업이 최근 정체를 보이고 있다고 전했다.

수소충전소가 100개 이상이 되다보니 신규 수소 충전소 건설 수요가 감소하고 있으며, 증가하는 수소충전소에 비해 수소차의 보급 속도가 늦어 대다수의 일본 수소충전소들도 적자 운영이 불가피 하다는 것이다.

또한 수소충전소 건설에 대한 정확한 표준이 없는 가운데 최근 급속도로 수소 충전소 건설이 빠르게 진행되다 보니 수소충전소 건설을 맡은 업체 간의 설계가 달라 수소충전소마다 부품 규격이 제각각이고, 드물게는 피팅이나 밸브 등 주요 핵심 부품들에 결함 또는 균열이 발견돼 보수를 진행한 것으로 전해졌다.

이에 수소충전소 관련 업체들은 최근 무분별한 시장 확대보다는 제품의 품질 완성도 향상에 주력하고 있으며, 정부 및 관련 기관들은 그간의 수소충전소 설치 및 운영 데이터를 바탕으로 수소 충전소 관련 부품 및 건설에 대한 표준 기준을 완성해 세계 표준으로 확립하기 위해 적극적인 연구를 진행하고 있는 것으로 전해졌다.

이번 전시회를 참관한 국내 산학연 관계자들은 이런 일본의 사정을 우리나라 수소 보급 과정에서도 참고할만하다며, 조속한 수소충전소 건설에 대한 표준 확립과 국내 기업들의 소재 부품 기술력 강화가 무엇보다도 필요하다고 언급했다.

■ 수소 배관·피팅·밸브 전시회 메인 등장

그러한 추세를 반영하듯 이번 전시회에서도 수소 배관 및 피팅, 밸드 업체들의 전시가 주를 이었다.

신일철주금은 고압수소용소재인 ‘HRX19’를 중점 소개했다.

‘HRX19’은 니켈(Ni)을 32.09% 이상 함유하고 있으며, 수소에 강한 내수소 취성을 갖고 있다. 또한 강도가 높고, 용접 시공성이 좋다. 이에 대용량 고속 충전, 안전성, 경량화, 고압 수소 환경에서 사용할 수 있다.

이미 여러 상용 수소스테이션의 고압 부위에 채용되고 있으며, 배관·밸브·피팅 뿐만 아니라 압축기 및 열교환기 등 용도도 확대되고 있다.

이외에도 이와타니 산업은 수소 스테이션용 마이크로 채널 열교환기를 선보였다. 이 제품은 압축기, 디스펜서용 열교환기를 에칭 평판으로 확산 접합해 기존 대비 1/50로 소형화했다. 주요부 재질은 방수 자질이 뛰어난 SUS316 HiNi을 사용했다. 일본 고압가스 보안법의 특정 설비 검사 규칙에 적합한 제품이다.

이나바타 산업은 음이온 교환막(AEM)에 의한 수소 발생 장치를 선보였다. 초순수(超純水)가 필요하지 않은 고효율 제품으로, 신재생 에너지와의 친화성이 높고 수소스테이션 ZEH/ZEB 용 절약 시스템 등 다양한 용도로 사용하실 수 있다.

마그넥스는 SOFC용 셀을 선보였다. 600℃∼700℃ 동작의 고성능 SOFC셀로 ASC(양극지지 형) 제품을 공급하고 있다. 원형, 각형 및 버튼 셀 등 요청에 따라 제작이 가능하다.

다나카(TANAKA) 귀금속은 수전해 전극 촉매 평가용 CCM을 처음으로 전시했다.

다나카 귀금속은 고체 고분자형 수전해에 사용되는 전극 촉매를 공급하고 있는데 이번에 수전해 기술의 연구·개발을 촉진하기 위한 새로운 대응으로서 평가용 촉매 포함 전해질막 CCM(Catalyst Coated Membrane)을 전시했다. 특히 설계 요구에 맞춘 평가용 CCM을 제공해 장치 및 인프라 설비 메이커에서의 기술 개발 기간을 단축할 수 있으며 촉매 성능을 높게 이끌어 낸 평가용 CCM을 벤치마크로 사용함으로써 한층 더 고효율을 목표로 한 고체 고분자형 수전해 장치의 개발에 기여하고 있다.

또한 연료전지 시스템으로서 대표적인 가정용 정치형 연료전지 및 연료전지 자동차용의 고체 고분자형 연료전지(PEFC)용 전극 촉매를 중심으로 현재의 수소 정제에 사용되는 개질 촉매, PROX 촉매, 팔라듐 합금 수소 투과막 등도 소개했다.

日 수소충전소 100개 시대, 수소산업 정체
운영상 문제점 보완 작업, 타산지석 삼아야

■ 수소스테이션, 경량형·수전해 주목

수소스테이션 관련 분야 업체들의 참가는 여전히 높았다. 이와타니, 타츠노, 스즈키 쇼칸 등에서 수소스테이션 관련 기술과 부품들을 선보였다.

특히 이번 전시회에서는 이동형 수소스테이션이 중점 홍보 됐다.

이와타니는 풍력발전을 이용해 생산된 전력을 수전해 기술을 통해 수소를 생산한 뒤 충전할 수 있는 이동형 수소스테이션을 선보였다. 이 제품은 최대 6㎏의 수소를 저장·운반·충전할 수 있다.

혼다는 2년전 첫 선을 보였던 콤팩트 경량 수소 스테이션을 선보였다. 이 제품은 소형의 콤팩트 사이즈로 설치 면적이 아주 작다는 장점이 있고, 700bar의 수소차 충전도 가능하다. 다만 저장량이 약 15㎏ 정도이며, AC200V의 수전해로 수소를 생산하다 보니 하루 생산량이 2.5㎏에 불과하다는 것이 단점으로 지적되고 있다.

수소스테이션과 함께 수소 스테이션을 뒷받침할 주요 장비들로서 밸브와 저장탱크 업체들도 많이 나왔다.

밸브 관련 기업으로는 SR 엔지니어링이 눈에 띄었다. SR 엔지니어링이 선보인 고압가스용기용자동밸브는 수소차 및 수소운반 차량의 수소탱크용으로 사용되고 있다.

저장탱크 부문에서는 헥사곤 링컨(HEXAGON LINCOLN)과 JFE가 많은 참가자들의 이목을 집중시켰다.

헥사곤 링컨은 탄소섬유를 이용해 가벼운 무게의 700Bar 자동차용 수소탱크를 선보였다. 복합 재료의 최적 설정을 통해 용기 본체의 저비용 화를 실현했다.

JFE는 정치식 수소스테이션용 저장탱크를 선보였다. JFE 컨테이너는 자사의 제품이 양산 공정이 가능하기 때문에 소재 제조비용을 크게 줄일 수 있다고 홍보했다. 또한 대구경·극후(極厚) 고강도 저 합금 강재 라이너를 적용해 강도 분담을 극대화했다고 밝혔다. 더불어 내압 피로 특성을 CFRP로만 보강해 비용 절감에 기여하고 있다고 전했다.

스즈키 쇼칸의 지게차를 위한 소형 수소스테이션도 눈길을 끌었다. 스즈키 쇼칸의 수소스테이션은 미국 에어프로덕츠의 기술을 채용했으며, 35MPa와 70MPa의 두가지 기종이 있다.

특히 스즈키 쇼칸의 수소스테이션은 자동차용이 아닌 수소지게차를 위한 소형의 제품이다. 공장마다 수소지게차를 도입하려고 하면 기존의 수소 충전 시스템은 크고 고가이기 때문에 수소지게차 도입이 어려운 실정인데, 스즈키 쇼칸의 수소스테이션은 간편하고 저렴한 가격에 도입할 수 있어 공장 실내에서의 작업 빈도가 높은 수소지게차 이용을 높일 수 있다.

일본의 타츠노와 독일의 WEH는 수소디스펜서를 선 보였다.

일본의 타츠노의 수소디스펜서는 이와타니 수소스테이션 등 수소스테이션 제작시 많이 채용되고 있으며, 점차 타츠노의 수소디스펜서를 이용하는 플랜트 메이커들이 증가하고 있다.

또한 타츠노의 ‘HYDROGEN-NX’는 82.0MPa의 고압축 충전이 가능하다. 콤팩트하고 매력적인 디자인과 함께 대형 디스플레이를 채택했다. 또한 온 사이트 방식과 오프사이트 방식을 선택할 수 있으며, 영하 40도에서도 사용이 가능하다. 최신 국제 규격을 채택했으며, 기존의 POS 시스템에 접속이 가능하다.

■ 수소사회 미래 제시 눈길

수소사회 실현을 위한 미래제시도 눈에 띄었다.

HySTRA는 수소의 해외 생산을 통한 해상 운송의 개념을 제시했다. HySTRA에는 J-POWER, Shell Japan, Iwatani, Kawasaki 등 4개의 회사가 참여하며, 240년 동안 공급이 가능한 수소를 해외에서 생산해 일본으로 들여오는 프로젝트를 소개했다.

혼다는 스마트 수소스테이션, 수소차, 수소차를 이용한 이동형 발전기 등을 통해 미래 수소사회에 접근했다.

혼다가 선보인 스마트 수소스테이션은 이 제품은 10피트 컨테이너와 동일한 크기의 수소 스테이션으로 기존의 수소스테이션에 비해 크기와 비용을 크게 줄였다는 것에 특징이 있다.

이 제품은 소형 수소스테이션으로 설치 면적을 극소화해 기존 건축물에 설치가 가능하며 부지마련에 들어가는 비용을 최소화 할 수 있다는 장점이 있다. 또한 공장에서 제조돼 나오기 때문에 설치에 들어가는 시간도 줄일 수 있어 보급형 수소스테이션으로 각광 받을 것으로 기대되고 있다.

특히 이 제품은 컴팩트 컴프레서를 사용하지 않고 수소차에 충전할 수 있는 정숙성을 보인다. 이에 주거지역까지 설치할 수 있어 짧은 공사 기간으로 장소를 가리지 않고 설치 가능하다. 더불어 사용자가 특별한 자격이 없이도 운용할 수 있는 것이 특징이다.

클래리티(CLARITY)는 혼다의 수소연료전지차로 수려한 디자인과 뛰어난 성능으로 수소차 시장에 도전장을 던졌다. 연료전지 스택 최고 출력은 100kW이상이며, 모터 최고 출력은 130kW다. 700bar의 압력으로 3분안에 충전이 가능하며 한번 충전에 700km 이상을 주행할 수 있다. 연료전지시스템출력밀도는 3.1kW/L다.

클래리티는 외부로 전원을 공급하는 ‘POWER EXPORTER　9000’을 외장품으로 갖고 있다. 이 제품은 전기가 단전됐을 경우 수소차를 이용한 발전기 역할을 하는 외부장치다. 정격출력은 9.0kVA다.

■ 순수소형 시스템 주목

가정용 연료전지 업체는 파나소닉, 도시바 등이 과거와 다름없이 가정용 연료전지를 홍보했다.

특히 순수소형 연료전지 시스템이 주목을 받았는데, 순수소형 시스템은 수소를 공급하는 공급망이 갖춰져야 사용할 수 있는 시스템으로 도시가 수소 공급망을 갖춰야 하기 때문에 궁극적으로 수소사회를 직접적으로 앞당기는 계기가 될 것으로 볼 수 있다. 도시 계획을 통한 수소 공급망이 갖춰진다면 순수소형 연료전지 시스템의 보급도 가정과 빌딩에 기하급수적으로 늘어날 것으로 보이며, 더욱이 수소스테이션의 보급 확대와 건설비용의 절약에도 도움이 될 것으로 보인다.

SOFC가 주류를 이룬 가운데 특히 도시바가 선보인 700w급과 100kW규모의 순수소형 연료전지시스템은 수소를 추출하는 연료개질기가 불필요해 열손실이 없어 고효율화와 소형화가 가능해 참관객들의 주목을 받았다.

수소의 손실을 줄여주고 고 출력의 파워를 제공할 수 있는 제품으로는 일본 브라더(Brother)사의 FC4-5000-DC380V가 주목받았다. 이 제품은 ‘기액분리’ 구조와 수소 순환 시스템을 채용해 수소 저장 탱크에 저장된 수소 중 99%를 셀 스택에서 반응시키는 것을 가능하게 한 고효율 연료전지로 고체 고분자(PEFC) 방식을 채용해 높은 응답성 등을 제공하고 있으며, 이 방식은 수소차 등으로도 사용되고 있기 때문에 수소차의 수가 증가하고 부품 비용이 떨어지면 가격을 낮추는 것도 가능해져, 새로운 보급을 전망할 수 있다.

올해부터 4.4kW의 연료전지 수주 개시를 통해 새롭게 연료전지 시장에 신규 진출하는 브라더는 통신 인프라의 백업 전원용으로 초기 시장을 개척하고, 이후 상업시설이나 병원 등으로 확대 후 2025년까지 연료전지에서 매출 200억엔을 거둔다는 목표다.

‘FC EXPO 2019’ 7만명 참관 세계 최대 규모
신소재참관단 다쓰노 수소R&D 센터 등 방문

■ 미코·에이치엔파워·STX중공업 등 해외 시장 개척 활발

국내에서는 미코, 에이치엔파워, STX중공업 등이 출품했다.

미코는 고체산화물 연료전지(SOFC) 스택 ‘큐브파워(QubePower)’와 SOFC 시스템 ‘TUCY’를 선보였다.

미코는 지난 2008년부터 SOFC를 개발해 왔으며 SOFC 소재(슬러리·페이스트·파우더), 스택, 시스템 등 토털솔루션 기술을 확보했다. ‘TUCY’는 자체 기술력으로 처음 개발한 2kW급 SOFC 시스템으로 크기를 혁신적으로 줄이고 안전성과 기능을 강화했다. 전력효율은 45%로 열효율까지 합하면 전체 효율은 90%에 달한다.

천연가스를 개질해 전기와 열을 발생시키는 친환경발전인 SOFC는 24시간 전기와 열이 필요한 공동주택, 병원 등 상업용 건물에 비상 또는 분산발전원으로 경쟁력이 있다.

가솔린, 디젤, 가스 등에서 수소를 생산하는 기술을 보유한 에이치앤파워는 개질기와 이를 바로 연료전지와 접촉할 수 있는 모듈기술이 담긴 시스템을 선보였다.

에이치앤파워의 개질기는 이동이 편하고 취급이 용이한 액체연료로 연료전지가 가동할 수 있으며 현재 1kW에서 5kW규모의 다양한 개질기를 생산 중에 있으며, 자체적인 촉매 개발에도 적극 나서고 있다.

특히 이번 전시회에서는 3kW SOFC를 중점 홍보 했는데, 이 제품은 가정과 빌딩을 위한 제품으로 도시가스를 이용해 수소로 개질하며, 전력효율은 50%, 종합효율은 85%를 달성했다.

STX중공업은 1kW급 SOFC 엔큐브(encube)를 선보였다.

이제품은 열·전력생산 효율이 45%에 달하는 고효율 제품으로 STX중공업이 주요 핵심부품 90% 이상 국산화를 달성했다.

국내 최초로 한국가스안전공사 연료전지 규격(KGS AB934)의 설계단계검사를 통과해 국내 연료전지 시장에 진출했다.

■ 신소재경제 참관단 日 시찰

한편 국내 산학연 관계자 40여명으로 구성된 신소재경제 일본 수소연료전지 참관단은 올해에도 전시회를 찾았다.

참관단 일행은 전시회에서 최신 수소 기술과 정보를 습득하고 현지 네트워크도 확대했다.

또한 현지 기업인 다쓰노(TATSUNO)를 방문했다.

이번 다쓰노 방문은 국내에서 다쓰노의 수소디스펜서 사업을 진행하고 있는 MS이엔지의 주선으로 이뤄졌다.

일본의 다쓰노(TATSUNO)사와 기술 제휴한 ‘HYDROGEN-NX 시리즈’는 국내에서 ‘MS TATSUNO’라는 브랜드로 출시된다.

국내 판매 제품은 MS이엔지가 제조, 판매한다.

HYDROGEN-NX 시리즈는 최대 87.5MPa의 고압축 충전이 가능하다. 콤팩트하고 매력적인 디자인과 함께 대형 디스플레이를 채택했다. 또한 온 사이트 방식과 오프사이트 방식을 선택할 수 있으며, 영하 40도에서도 사용이 가능하다.

더불어 최신 국제 규격을 채택했으며, 기존의 POS 시스템에 접속이 가능하다.

또한 ASME ‘U’' 스탬프 및 KGS 검사품으로 초소형 매스 플로미터를 채용(1.3ℓ, 4.5kg)했고, 국내에서도 방폭인증(KCs)을 받았으며 계량정밀도 또한 ±0.5%d로 매우 우수하다.

특히 일본에서 디스펜서 점유율 70% 이상으로 성능 및 안전성을 검증 받았다.

MS이엔지는 LPG 디스펜서 시장의 15% 이상의 점유율을 갖고 있으며, 서울 연세대에 수소스테이션을 제작한 경험도 가지고 있다.

또한 MS이엔지는 수소스테이션용 주요 장비 및 부품이 대부분 외산 장비들이라는 것에 주목하고, 국산화를 위해 노력하고 있다.

이번 다쓰노 방문에서 참관단 일행은 다쓰노 수소R&D 센터 내부에 위치한 수소 충전소도 둘러봤다.

이 수소충전소는 다쓰노의 수소지게차를 충전하기 위한 용도로 특이한 점은 태양광을 이용한 복합 수소 충전소라는 점이다.

태양광을 이용해 전기를 생산하고, 이 전기를 통해 물을 분해해 수소를 생산한다.

수소 생산 전과정이 100% 친환경적인 모델인 것이다.

다쓰노는 이 수소스테이션을 통해 얻은 데이터를 바탕으로 향후 친환경 수소스테이션 건설을 위한 자료로 사용한다는 방침이다.

또한 참관단 일행은 마지막날 카시와 노하 스마트 시티를 방문했다.

카시와 노하 스마트 시티는 도시 전체의 에너지 운영 및 관리 제어를 시설이 독자적으로 담당하고 있으며, 도시전체에 전력을 융통해 약 26%의 전력 피크 컷을 실현하고 에너지 절약, CO₂절감에 기여하고 있다.

또한 일본 최대 규모의 리튬 이온 배터리 시스템과 태양광 발전 비상용 가스 발전기 등을 제공하고 있으며, 일본에서 처음으로 도시 지역을 넘어 자영 송전망에 의해 전력을 공유하고 서로 에너지 창출·에너지절약·축적에너지·시설이 어우러진 에너지 도시다.