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에너지/환경 NEDO - FCV 제조사의 연료전지의 기술 과제 집약

  • 관리자 (irsglobal1)
  • 2020-12-07 15:53:00
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출처 : https://project.nikkeibp.co.jp/ms/atcl/19/news/00001/01159/?ST=msb&P=1

 

2030년 이후에 보급을 확대하기 위한 연구 개발 사업 개시

 

신 에너지ㆍ산업 기술 종합 개발 기구(NEDO)는 연료전지 자동차(FCV) 및 고정형 업무ㆍ산업용 등을 상정한 연료전지의 비약적인 보급 확대를 위한 새로운 연구 개발 사업을 시작했다.

 

이 사업에서는 2030년 이후에 FCV 및 고정형 업무ㆍ산업용 연료전지에 대한 연구 성과를 실제로 활용하기 위해, 연료전지의 고성능ㆍ고내구성ㆍ저비용화를 위한 요소 기술을 개발함과 동시에 시스템 가격을 낮추는 데 장애가 되는 수소 저장 기술(수소 탱크 등) 등의 공통 기반 기술을 개발하는 데 힘쓰고 있다. 또한 연료전지를 다양한 분야에 파급시키기 위한 기술을 개발하고 실증사업을 실시한다.

 

<그림> 사업 전개 이미지

 

일본에서는 가정용 연료전지 코제너레이션(열전병급) 시스템 ‘에네팜’을 2009년에, FCV를 2014년에 세계적으로도 빠르게 시장에 투입하였는데, 앞으로의 독립적인 보급 확대를 위해서는 효율 및 내구성을 높이고 비용을 낮추어야 한다. 또한 제품을 시장에 투입함으로써 여러 가지 문제가 드러나고 있다.

 

이러한 상황 속에서 NEDO는 2019년 1월에 도요타 자동차 및 혼다 기술 연구소, 연료전지 실용화 추진 협의회(FCCJ) 등과 함께 FCV 과제 공유 포럼을 개최했다. 여기서는 연료전지에 관한 기술 과제 중에서 메이커가 서로 공통으로 가진 과제이긴 하지만, 개별적인 기업에서는 해결하기 어려운 협조 영역에 대한 과제를 추출하고 공유하였다. 구체적으로 말하면, 도요타와 혼다는 ‘전해질막의 내구성 향상’, ‘운전 온도의 고온화’, ‘Pt 사용량의 절감화’, ‘Air 유래의 오염 내성 향상(전해질 열화 성분에 의한 피독을 포함함)’, ‘수소 유래의 오염 내성 향상’ 등의 과제를 들었다.

 

이번에는 이러한 활동을 통해 얻어진 산업계의 공통 과제를 해결하고, 2030년 이후에 비약적으로 보급을 확대하기 위해 연료전지 시스템에 관한 대규모 연구 개발 사업을 실시한다. 사용자의 니즈에 근거한 협조 영역의 기반 기술을 개발함과 동시에 기존 이외의 용도로 연료전지를 전개하기 위한 기술 및 대량 생산을 위한 생산 프로세스ㆍ검사 기술의 개발도 지원한다. 2020년 2월부터 실시자를 공모하여, 46건의 연구 개발 테마를 채택했다(일람표는 마지막 부분에 게재함).

 

실시 기간은 2020년~2024년으로 예정하고 있으며, 중간 평가는 2022년에, 사후(事後) 평가는 2025년에 실시한다. 2020년의 예산은 52.5억 엔이며, 2020년의 연간 조성금 규모는 1건당 수억 엔 정도이다.

 

또한 연료전지의 응용 동향에 관해서는, 닛케이BP 종합 연구소가 발행한 ‘세계 수소 비즈니스 –전체 동향 편-’에서 상세히 해설하고 있다. 이 글은 기술에 대한 해설 외에 중국ㆍ한국ㆍ미국ㆍ유럽ㆍ호주의 전략을 분석하고, 2050년까지의 수소 보급 시나리오를 다루고 있다.

 

 

SOFC의 모노제너레이션 시스템도 시야에 두고 있다

 

연구 개발 항목은 3가지로 나뉜다. 하나는 2030년 이후에 FCV를 실장하기 위한 것이며, 두 번째는 그 이후 기존의 연장선상에 있는 것이 아닌 혁신적인 브레이크 스루 아이디어를 폭넓게 만들어내기 위한 것이다. 세 번째는 연료전지의 응용 분야를 넓히는 것을 목적으로 한다.

 

첫 번째 FCV와 관련해서는, FCV 등에서 사용하는 PEFC의 성능 및 내구성 향상, 비용 절감을 위한 연구 개발을 시도함과 동시에, FCV를 시장에 투입함으로써 드러난 기반적인 공통 과제를 해결하기 위해 노력하고 있다.

 

구체적으로 말하면, 2030년 이후 FCV에 실장하기 위해, 수소ㆍ연료전지 기술 전략 로드맵(2019년 3월 12일 책정)에서 들고 있는 ‘FCV 항속 거리 800km 이상, 최대 출력 밀도 6kW/L 이상, 내용년수 15년 이상, 연료전지 시스템 비용 0.4만 엔/kw 미만’ 등의 목표에 공헌하는 기술을 확립하기 위해 고성능 저백금 음극 촉매 및 라디칼 저감 기능을 가진 양극 촉매, 고이온 전도율을 가진 전해질막 등을 개발하는 데 착수하였다(마지막 표 안의 연구 개발 주제 1~9에 해당함).

 

또한 연료전지의 재료 샘플을 공통적인 지표로 구조 평가하고, 그 결과를 연구자에게 피드백하는 ‘PEFC 평가 분석 플랫폼(마지막 표 안의 연구 개발 주제 10~14에 해당함)’을 구축하여, 연구 개발의 효율 향상 및 가속화를 꾀함과 동시에 전기화학 이외의 분야를 전문으로 하는 연구자의 신규 참여를 촉진하는 데 힘을 쏟고 있다.

 

NEDO의 프로젝트 책임자에 따르면, 이 플랫폼에서는 앞선 NEDO 사업에서 개발한 대형 방사광 시설(SPring-8)을 이용한 최첨단 연료전지 촉매의 분석용 빔라인 ‘BL36XU’도 활용할 수 있게 된다. 연료전지 촉매의 움직임은 젖은 상태에서 다이내믹해지기 때문에 작동 중인 연료전지의 촉매(잡아서 건조시킨 ‘건어물’이 아니라 ‘헤엄치는 살아있는 물고기’에 해당함)를 평가ㆍ분석해야 함에도 불구하고, 그것을 실현할 수 있는 in situ/operando(그 자리에서, 실제 작동 중)한 계측ㆍ평가 시스템은 아직 존재하지 않았다. BL36XU는 이를 가능하게 하여, 국내외의 다른 방사광 빔라인 및 다른 분석 방법으로는 얻을 수 없는 정보를 얻을 수 있게 되어, 연구자에게 큰 우위성을 제공할 수 있다.

 

또한 원리적으로 발전 효율이 높은 SOFC에서, 기존의 전기와 열 모두를 활용하는 코제너레이션형이 아니라 전력만 이용하는 모노제너레이션을 이용할 수 있으로 기대된다. 여기서는 발전 효율 65% 이상(저위 발전량), 내구 시간 13만 시간 이상에 도움을 주는 기술을 확립하는 것을 목표로 하며, 프로젝트 전도형 SOFC 및 연료전지 스택의 고도 평가ㆍ분석 기술을 개발하는 데 착수하였다(마지막 표 안의 연구 개발 주제 15~19에 해당함).

 

선박 등 용도의 확대를 지원한다

 

2030년 이후에 사회에 실장하고자, 기존의 연장선상에서가 아니라 혁신적인 브레이크 스루 아이디어의 폭을 만들어내기 위해, FCV와 관련하여 개발하는 연료전지의 성능 및 비용 목표를 상회하는 연료전지를 실현하기 위한 혁신적인 요소 기술을 개발한다. 구체적으로는, 비백금 촉매 및 고온 운전에 적합한 전해질막 등의 첨단 재료 설계 지침을 검토한다(마지막 표 안의 연구 개발 주제 20~35에 해당함).

 

연료전지를 활용하려면 수소 저장 시스템이 꼭 필요한데, 여전히 비용이 높다는 문제가 존재한다. 따라서 수소 저장 시스템의 비용을 낮추고, 강인화하기 위해 손상 축적ㆍ수명 평가 시뮬레이션 기술을 구축함으로써 CFRP제 수소 탱크의 효율적인 설계 방법 및 수소 탱크용 탄소 섬유의 저비용화에 도움이 되는 기술을 개발한다(마지막 표 안의 연구 개발 주제 36~39에 해당함).

 

또한 선박 등의 다양한 용도로 연료전지를 활용하기 위해 연료전지 서플라이어와 사용자의 연계를 통한 실증 사업을 지원한다. 구체적으로는, 연료전지 시스템의 비용을 절감하기 위해 혁신적인 생산 기술ㆍ검사 기술을 개발하는 데 지원한다(마지막 표 안의 연구 개발 주제 40~46에 해당함).

 

예를 들어, 일본우선주식회사, 도시바 에너지 시스템, 가와사키 중공업, 일본해사협회, ENEOS 등 5개사는 이번 공모 채택을 받아들여, 2020년 9월부터 ‘고출력 연료전지 탑재 선박의 실용화를 위한 실증 사업’을 시작할 것이라고 발표하였다. 상업 이용이 가능한 크기의 연료전지 탑재 선박을 개발하고 수소 연료를 공급하는 실증 운항은, 일본 최초의 시도이다(마지막 표 안의 연구 개발 주제 41에 해당함).

 

채택된 46건의 연구개발 테마

1. 대형 모빌리티와 호환되는 다용도 연료전지 모듈 연구 개발

2. 고온 저가습 작동을 위한 혁신적 저백금화 기술 개발

3. 라디컬 저감 기능과 연료 결핍 내성을 가진 애노드 촉매 연구 개발

4. 고내구성을 가진 중합억제제 연구 개발

5. 배위고분자를 사용하는 중온 작동 연료전지 연구 개발

6. 유황화합물 등의 흡착 탈리 메커니즘 해명과 피독 예방 · 회복 기술 개발

7. 미사용 합금 음극 촉매 창제

8. 이차원 반응장 제어를 통한 나노시트 촉매/촉매층의 내구성 강화 기술 개발

9. 고효율 · 고출력 · 고내구성 PEFC를 실현하는 혁신적인 재료 연구 개발 사업

10. 평가 분석 플랫폼 매니지먼트

11. 머티리얼 인포머틱스를 통한 연료전지 재료 연구 개발

12. 수명 향상 · 성능 향상을 위한 설계 시뮬레이터 개발

13. 플랫폼 재료 분석 및 분석 기술 고도화 기술 개발

14. 전기과학적 특성 측정 기술 연구 개발

15. 초고효율 양성자 전도 세라믹 연료전지 디바이스 연구 개발(WP1 혁신적 고성능 전극 · 부재 개발)

16. 초고효율 양성자 전도 세라믹 연료전지 디바이스 연구 개발(WP2 고효율 · 고출력 밀도 셀 개발)

17. 초고효율 양성자 전도 세라믹 연료전지 디바이스 연구 개발(WP3 셀 평가 · 애플리케이션 개발)

18. 고체 산화물형 연료전지 스택의 고도의 평가 · 분석 기술 연구 개발

19. 고체 산화물형 연료전지 강인화 기술 개발

20. 기능성 나노파이버 프레임워크를 기본 골격으로 하는 저비용 · 고내구성 전해질 복합막 연구 개발

21. 고분자형과 산화물형의 기술 융합을 통한 전극 일체형 차세대 PEFC 창제

22. 초고전위를 목적으로 하는 산화물 양성자 개발 · 초기능 발현을 위한 표면/계면 분석과 제어

23. 초고전위를 목적으로 하는 산화물 양성자 개발 · 이론 기전력 달성을 위한 촉매 합성

24. 초고전위를 목적으로 하는 산화물 양성자 개발 · 첨단 계측과 이론 분석을 통한 촉매능 발현 기구 해명

25. 150℃에서 운전 가능한 고내구성 초박 컴포지트 전해질막/전극 접합체 연구 개발

26. 14원자 고리형 활성점의 고활성화 · 고밀도화를 통한 혁신적 비백금 촉매 연구 개발

27. 카본프리 백금 합금 나노 입자 연결 촉매와 폴리페닐린계 세공 필링 전해질막 개발 및 고전압 · 고출력 MEA에 대한 전개

28. PEFC용 이온 액체 함침형 Pt/MPC 고활성 · 고내구성 양성자 촉매 합성 기술 연구 개발

29. 이온 액체 구조를 가진 아이오노머에 의한 혁신적 저백금 기술 연구 개발

30. 다기능 OCT를 사용한 금속 이물질 비접촉 마이크로 단층 검출 시스템 개발

31. 광온습도 작동 PEFC를 실현하는 첨단 재료 콘셉트 창출

32. 고성능 · 고내구성 · 저비용 MEA를 위한 첨단 요소기술 연구 개발

33. 고전도 무수계 전해질막 연구 개발

34. 고효율 · 고내구 · 가역 작동 SOFC 연구 개발

35. 가역 동작이 가능한 고체 산화물 연료전지 개발과 에너지 저장 시스템

36. CFRP제 수소 탱크의 멀티스케일 설계 · 평가 분석 기술 연구 개발

37. 저비용과 고효율을 양립시킨 탄소 섬유 연구 개발

38. 이동식 FC용 수소원 암모니아 보란의 사회 실장을 위한 첨단 기술 개발

39. 차량 탑재 기기용 고압 수소 합성 고분자 재료 평가법 및 데이터베이스 확립

40. MEA 고속 생산 기술 및 검사 기술 개발

41. 고출력 연료전지 탑재 내항 선박의 실용화를 위한 실증

42. 저비용 고효율 기술을 사용한 연료전지 시스템을 통한 다용도 활용 기술 개발

43. 용도 확대를 위한 박형 · 고효율 SOFC 시스템 실용화 개발

44. 고신뢰성 탄화수소계 보강 전해질막의 저비용 · 혁신적 생산기술 개발

45. 차량 탑재용 연료전지 세퍼레이터 대량 보급을 위한 품질 담보 방법 개발

46. 고내구성 공랭식 연료전지 시스템 개발

 

 
관련 보고서 : 2021년 수소연료전지와 연관산업 기술개발 동향과 시장전망
 
 
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