[월간수소경제 박상우 기자] 지난 3월 15일부터 17일까지 세계 최대 수소·연료전지 전시회인 ‘FC EXPO 2023’이 일본 도쿄 빅사이트에서 개최됐다.

FC EXPO는 전세계 수소연료전지 전시회 중 가장 오랜 전통과 큰 규모를 갖춘 수소연료전지 전문 전시회로, ‘World Smart Energy Week’라는 통합전시의 일환으로 탄소중립을 향한 에너지 산업의 변화를 담아내고 있다.

World Smart Energy Week를 주관한 일본 최대 전시회 주최사인 Reed Japan에 따르면 약 31개국 1,200여 개 기관이 참여해 2,405개의 제품을 출품했으며 수소·연료전지 관련 제품은 484개에 달하는 것으로 나타났다.

이번 FC EXPO 2023에 다수의 한국 기업들도 참여해 우수한 기술력을 선보이며 해외 판로 개척에 나섰다.

코오롱인더스트리

먼저 코오롱인더스트리는 이번 FC 엑스포에서 △연료전지용 수분제어장치 △고분자전해질막(PEM, Polymer Electrolyte Membrane) △막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly) △Vent(멤브레인 기반 소재) 등을 선보였다.

코오롱인더스트리는 1989년부터 멤브레인 연구를 해오며 수처리 분야에서 차별화된 기술력을 축적해왔다. 이를 바탕으로 2006년부터 수소연료전지 R&D를 통해 국내 최초로 수소차 핵심부품인 수분제어장치 양산 체제를 구축했다.

수분제어장치는 스택 배출가스 중에 포함된 수증기만을 선택적으로 투과시키는 막을 이용해 수증기를 고분자전해질막에 공급되는 가스에 제공해 막의 함수율을 유지해준다. 여기에 스택의 물과 온도를 관리하고 배출가스의 수소 농도를 줄이는 기능까지 갖췄다. 

코오롱인더스트리는 2013년에 출시된 세계 첫 수소전기차 양산 모델인 투싼iX FC에 공급하는 것을 시작으로 현재 현대차에 공급 중이며 모빌리티 분야에 이어 발전용, 산업용으로도 확대를 모색하고 있다.

2014년에는 연료전지 핵심소재인 막전극접합체(MEA) 개발에 착수, 2016년 11월 미국의 고어(Gore)사와 라이선스 계약을 맺고 MEA 기술을 도입했다. 2020년에는 MEA 기반이 되는 고분자전해질막(PEM) 양산 체제를 구축했다. 2019년 9월 상용화 시기를 앞당기기 위해 탄화수소계에 앞서 불소계 PEM 양산 투자를 결정한 지 1년 만이다.

코오롱인더스트리는 이렇게 축적한 멤브레인 기술을 활용해 ‘벤트(Vent)’를 개발했다. 벤트는 전자기기에 물과 같은 액체 또는 먼지의 침투를 막아주는 방수·방진 기능과 온도변화 등에 의한 전자기기 내부의 압력 변화를 방지하는 통기성을 동시에 부여하는 부품이다.

▲ 멤브레인 기술로 만든 ‘벤트(Vent)’.

벤트는 AV(Acoustic Vent)와 PV(Air Pressure Vent)로 구성됐다. AV와 PV의 방진·방수 등급은 최대 IP68이다. IP 등급에서 앞자리 숫자는 방진 등급을 나타낸다. 방진 등급은 0~6등급으로 나뉘는데 6은 완전한 방진을 의미한다. 뒷자리 숫자는 방수 등급이다. 방수 등급은 0~8로 나뉘는데 8은 수심 1m 이상 깊이의 물속에서 보호한다는 것을 의미한다. 즉 벤트의 방진·방수 성능은 매우 우수하다.

여기에 AV는 음성이 입력되는 마이크 부위의 홀 내측에 조립돼 액체와 먼지를 막으면서 음량 손실을 최소화하고 다양한 주파수의 높은 음향 투과율을 제공한다. PV는 기기 내부로 공기가 유입될 수 있도록 마련된 틈에 설치돼 액체와 먼지를 막으면서 내외부의 압력 평형이 유지될 수 있도록 한다.

이러한 성능을 가진 벤트는 스마트폰, 태블릿 PC, 블루투스 헤드셋, 카메라, 웨어러블 디바이스 등 다양한 전자기기에 탑재되고 있다. 코오롱인더스트리는 수소, 이차전지 등의 분야로 벤트를 적용해 나갈 예정이다.

▲ 에스퓨얼셀 부스에 전시된 에코하이너(ECOHYNER).

에스퓨얼셀

에스퓨얼셀은 가정·상업용 PEMFC인 에코제너 시스템과 비상전원용 연료전지, 자회사인 에스모빌리티의 지게차용 2.5kW급 연료전지 파워팩 등을 전시했다.

에코제너 시스템은 간편한 조작과 다양한 환경에 적용할 수 있으며 모듈형 구조로 운반과 설치가 쉽다. 또한 단상 및 3상 계통연결 대응과 함께 연료전지 및 중앙 열처리탱크 연계 등 다양한 환경에도 대응할 수 있으며, 수자립 운전과 50%, 75%, 100% 부하추종운전, 자동운전 및 웹 기반 운전감시기능 등을 가졌다.

에코제너 시스템의 성능은 유럽에서 검증됐다. 에스퓨얼셀은 지난해 9월 국내 최초로 5kW급 건물용 연료전지의 유럽 CE 인증을 획득했다. 해당 시스템은 시험 결과 저온형 PEMFC 시스템 기준 세계 최고 기록인 40.5%의 발전효율을 기록했다.

에스퓨얼셀은 CE 시험 항목을 통과하기 위해 수소법 안전분야가 시행(2022년 2월 5일)되기 전부터 관련된 연료전지의 시험평가를 한국가스안전공사와 함께 적극적으로 준비했다. 그 결과 2021년 10월 LVD의 시험 항목, 2021년 11월 EMC의 시험 항목을 각각 통과했다. 

에스퓨얼셀은 유럽에서 성능을 인정받은 에코제너를 지진이나 자연재해가 자주 발생하는 일본의 지리적 특성에 맞춰 비상시 전기 공급에 탁월한 성능을 가진 비상전원용 연료전지로 보급할 예정이다. 

에스퓨얼셀의 자회사인 에스모빌리티는 이번 전시회에서 모빌리티용 연료전지 파워팩인 ‘에코하이너(ECOHYNER)’ 시리즈 중 지게차용 2.5kW급 수소연료전지 파워팩을 선보였다.

수소를 직접 연료로 사용하는 이 파워팩은 45% 이상의 전기변환 효율을 내고 10초 이내의 빠른 가동이 가능하다는 장점이 있다. 현재 최종 보완단계를 마쳤으며 국내 인증만을 앞두고 있다. 지게차를 시작으로 드론, 선박, 트럭, 트램, 군수차량 등 여러 모빌리티에 적용할 수 있는 파워팩을 잇따라 선보이고 수소차량기지 시장까지 사업을 확대할 계획이다.

‘수소차량기지’는 교통 수요가 많은 교통거점에 대용량 수소충전소와 수소연료전지 파워팩을 탑재한 다양한 차량의 부대시설을 설치하고 인근의 수소생산기지로부터 저렴하게 안정적으로 수소연료를 공급받는 인프라다. 주요시설 구축 시기에 맞춰 건설기계 차량을 중심으로 연료전지 파워팩 시장을 개척해 나간다는 전략을 세웠다.   

▲ 상아프론테크 전시부스를 찾은 관람객들이 제품을 살펴보고 있다.

상아프론테크

상아프론테크는 PEMFC 스택의 핵심부품인 MEA(막전극접합체)에 들어가는 강화전해질막인 그린멤(GreenMem)과 지지체로 활용되는 ePTFE(Expanded Polytetrafluoroethylene, 폴리테트라플루오로에틸렌), 벤트 필터 시리즈를 전시했다.

상아프론테크는 45년 이상 축적한 불소수지 가공기술을 활용해 2017년 4월 ePTFE 개발에 성공했다. ePTFE는 PTFE을 당기고 펴서 만든 얇은 막으로 1cm2당 수억 개의 나노사이즈 기공이 있는 다공성 필름으로, 1nm 이하의 증기입자는 배출하고 물입자(500㎛)의 침투는 막아낸다. 

이 ePTFE를 지지체로 활용해 이오노머 불소수지액을 함침(코팅)해서 만든 것이 강화전해질막인 그린멤이다. 강화전해질막은 MEA의 핵심부품으로 연료극의 수소와 공기극의 산소가 직접적으로 결합하는 것을 방지하고 연료극에서 생성된 수소이온만을 통과시키는 역할을 한다. MEA를 통해 수소가스가 수소이온으로 전환되면서 전기가 생산된다.

그린멤의 특징은 상아프론테크가 자체 개발한 ePTFE로 보강되어 기계적 강도가 매우 우수하고 치수변화율이 낮아 높은 치수 안전성을 보인다. 또 불소계 이온전도체 사용으로 내화학성이 매우 우수하다. 이 때문에 상아프론테크는 ePTFE를 수전해용 소재에도 활용할 계획이다.

ePTFE는 자동차용 벤트 필터에도 사용된다. 해당 부품은 우수한 통기성으로 케이스를 사용하는 부품 내외부의 압력 평형을 유지하여 실링 등의 기계적 파손을 막고 오염물질 유입과 내부결로를 방지한다. 이 때문에 모터, 전장·센서부품, 전기제어장치 케이스, 헤드램프, 안개등, 후미등, 방향지시등 케이스, 방수형 휴대폰 케이스 등에 적용된다.

▲ 관람객들이 테라릭스의 연료전지 시스템에 관심을 보이고 있다.

테라릭스

테라릭스는 연료전지 스택 시리즈와 연료전지 모듈 시리즈를 출품했다. 

테라릭스는 직접 개발한 금속분리판을 기반으로 제작한 2kW 연료전지 스택과 4kW 연료전지 스택으로 맞춤 제작을 통해 연료전지 시스템을 제공한다. 이를 기반으로 골프카트 등 전동카트에 탑재할 수 있는 구동 시스템을 제작하고 현재 테스트하고 있다. 

이 시스템은 4kW 출력의 연료전지와 350bar 연료탱크로 구성됐으며 2시간 정도 운행이 가능한 것으로 알려진다. 이번에 전시한 제품의 경우 골프카트 시트에 들어가는 프레임 안에 연료전지 시스템과 연료탱크가 들어갈 수 있도록 제작했다. 테라릭스는 해당 시스템에 700bar 연료탱크를 적용해 8시간 정도 운행이 가능하도록 준비하고 있다. 

테라릭스는 해당 시스템을 오는 8월 1일부터 12일까지 새만금에서 열리는 제25회 세계스카우트잼버리에서 실증하고자 부안군과 협의하고 있다. 세계스카우트잼버리는 세계스카우트연맹이 4년마다 개최하는 세계적인 청소년 야영대회다.

또 리프트 등 특장차에 적용되는 장치를 차량 시동을 꺼도 작동할 수 있는 연료전지 시스템도 전시했다. 이 시스템은 2kW 연료전지 시스템과 6kWh 배터리를 하이브리드 시스템 개념으로 8시간 정도 구동할 수 있다. 테라릭스는 올해 해당 시스템의 유럽 인증을 획득하고 국내에서 실증을 진행해 이르며 내년부터 판매할 계획이다.

▲ 케이세라셀 임경태 대표가 SOC 소재 생산, 스택 제작에 최적화된 자사의 역량에 대해 소개하고 있다.

케이세라셀

SOFC 소재 전문기업인 케이세라셀도 이번 FC EXPO 2023에 참여했다. 케이세라셀은 2011년부터 매년 참가해오다 코로나19 여파로 잠시 참여를 중단했다가 올해부터 다시 참여하게 됐다.

케이세라셀은 이번 전시회에서 SOEC(고체산화물수전해)용 전해질 신소재, PCFC(프로토닉 세라믹 연료전지)용 전해질 신소재, SOFC(고체산화물연료전지) 전용 합금(STS460FC) 등을 전시했다. 특히 발전용 소재보다 수소생산용 소재를 부각해서 기술력을 홍보했다.

케이세라셀은 2010년 3월에 설립된 국내 최초의 SOFC 소재·부품 전문기업으로, 2015년에 SOFC용 세라믹 셀을 개발했으며 2021년 6월에는 국내 1호 SOEC 개발 프로젝트 주관사로 선정됐다. 2022년 6월부터는 미코파워에 SOFC 소재를 공급하고 있다.

케이세라셀은 이를 바탕으로 연료극 지지형 셀, 전해질 지지형 셀 등 세라믹 셀을 개발했다. 전해질 지지형 셀은 높은 발전효율과 다양한 대체 연료극에 적용할 수 있으며 전해질 지지체를 재활용할 수 있다. 또 연료극 지지형 셀은 높은 출력밀도를 갖췄으며 중저온에서 구동이 가능하다.

이뿐만 아니라 스택에 들어가는 다양한 소재와 부품을 국산화하거나 저가화하는 작업을 하고 있다. 이를 통해 고객사가 설계한 스택을 위탁받아 생산·공급하는 파운드리 사업을 영위할 수 있다.

▲ 코리아하이드로젠 전시부스.

코리아하이드로젠

국내 연료전지 업체의 소재·부품·장비를 소개하는 기업인 코리아하이드로젠은 이번 전시회에서 블루에프씨의 모빌리티용 20kW급 연료전지 시스템, 연료전지용 가습기, 대현에스티의 수소 누설 감지 테이프와 전자센서, 디알퓨얼셀의 수소추출기와 제너레이터, 에스퓨얼셀의 연료전지용 퀵패스너를 소개했다.

블루에프씨의 연료전지 시스템은 지게차, 소형트럭, 건설장비 등 소형 모빌리티의 구동 전원으로 개발되고 있다. 시스템 효율을 향상시키기 위해 저차압 운전이 가능한 스택을 적용하고 고출력이나 부하 변동 시 효율적으로 운전하면서도 시스템의 내구성을 향상시킬 수 있는 동작 로직을 개발하고 있다.

또 탄소복합재질의 분리막을 사용해 스택의 높은 내구성을 확보할 수 있으며 하위 시스템은 수소공급시스템, 스택 구동을 위한 공기 공급 시스템, 수냉식 열관리 시스템으로 구성된다. 이를 통해 목표 내구시간이 3만 시간 이상이다.

대현에스티는 2021년 아주대 서형탁 교수팀으로부터 수소 누설 감지용 변색 테이프 기술을 이전 받아 상용화를 추진했다. 테이프 형태 소재가 수소와 접촉하면 색이 변하는 방식으로 누설 여부를 확인할 수 있다. 촉매 물질로 분리된 수소 분자를 산화물 박막에 확산시켜 수소와 산화물 간 결합 시 발생하는 플라즈모닉 현상을 이용, 색 변화를 이끌어내는 원리다. 

대현에스티는 지난해 6월 한국가스기술공사가 운영 중인 수소산업전주기제품안전성지원센터에서 제품 성능 고도화와 신뢰성 검증을 진행했으며 8월부터 두 달간 실증사업을 통해 제품 기술과 사업성을 입증했다.

디알퓨얼셀은 건물용 연료전지 관련 장비를 공급하고 있으며 대표적인 것이 수소추출기다. 수소추출기는 1kW, 5kW, 10kW로 구성됐으며 1kW급 수소추출기의 경우 천연가스에서 최대 78%의 수소를 추출하며 생산량은 시간당 최대 1.5Nm3이며 효율성은 최대 77%다. 5kW급도 최대 78%의 수소를 추출하며 생산량은 시간당 최대 5.5Nm3이며 효율성은 최대 77%다.

패스너는 두 개 이상의 물체를 기계적으로 결합하거나 고정하는 구성 요소로, 수요처마다 요구하는 제품의 크기, 형상, 강도가 다 달라 다품종 대량생산이 필수적이기 때문에 전방 시장별 일정 규모 이상의 생산능력과 기술을 갖춘 기업은 소수에 불과하다. 에스퓨얼셀이 이번에 전시한 패스너는 송풍기, 냉각수펌프, 열 교환기, 유량계의 연결 포트 사양을 통합해 적용할 수 있는 것이 특징이다. 

▲ 강원TP 전시부스를 방문한 관람객이 정우이엔이 관계자에게 제품 설명을 듣고 있다.

강원TP 중심 한국관

강원테크노파크는 디앨, 제아이엔지, 정우이앤이와 한국관을 꾸렸다. 

LNG 탱크로리 전문 제작사인 디앨은 개발 중인 LNG ISO 탱크 컨테이너와 액체수소 트레일러를 소개했다.

이 중 액체수소 트레일러는 LNG 탱크로리 기술을 기반으로 개발되고 있다. 탱크용량은 4만7,000리터, 내탱크 설계압력은 120bar이다. 내조 재질은 오스테나이트계 스테인리스강(A240-316L)을 쓰고 다층단열을 위해 슈퍼 인슐레이션(Super Insulation) 기술을 적용했다. 여기에 진공단열 밸브와 배관 기술도 필요하다. 또 차량의 주행 안전을 위해 RSS(Roll Stability Support, 전복 안전지원) 시스템이 적용된다.

수소충전소 시공 분야에서 탄탄한 입지를 다져온 제아이엔지도 해당 부스에 참여했다. 제아이엔지는 신재생에너지를 이용한 수소생산 분야인 P2G 사업, 수소충전소 검사장치 개발, 수소충전 프로토콜 등을 소개했다.

제아이엔지는 전국의 현장을 돌며 충전 인프라 관련 엔지니어링 기술을 현장에 접목해왔고 수소생산 분야인 P2G 사업도 성공적으로 수행한 바 있다. 또 지난 2021년에 강원도 액화수소 규제자유특구 사업에 선정돼 오는 9월 준공을 목표로 국내 최초 액화수소 저장방식의 액체수소충전소 건설사업을 수행하고 있다. 지난해에는 한국형 수소충전소 성능안전 평가장비인 ‘Hy-PAS’의 핵심 소프트웨어인 충전 프로토콜 제어보드를 개발하기도 했다.

극저온 및 LNG 탱크 전문기업인 정우이앤이는 강원TP의 시작품 지원사업을 통해 개발 및 성능시험을 마친 강제 대류식 액체수소용 기화기와 수소컨테이너, 액체수소 연료공급설비(FGSS)와 밸브, 진공 절연파이프 등을 선보였다.

기화기는 액체수소를 사용할 수 있는 재질을 사용하고 90MPa 압력에 맞게 KGS 코드의 두께와 곡률을 적용해 안전규격을 만족한다. 또 시뮬레이션을 기반으로 설계를 완성했으며 기화기 내부에는 방폭 팬을 통해 공기의 대류를 촉진해 방열 핀 효율을 증대시키고 체류한 냉각 공기를 순환해 열교환 효율을 높였다.

▲ 일본 토모에 쇼카이 부스에 전시된 일진하이솔루스의 수소저장용기.

일본 현지 회사와 협력

일본 현지 업체와 협력해 이번 엑스포에 참여한 국내 기업들도 있다. 

먼저 세계 최초로 자유 형상 확장형 압력용기를 개발한 래티스테크놀로지는 미쓰이물산과 전시부스를 마련하고 액체수소저장용기를 소개했다. 자유 형상 확장형 압력용기는 자유자재로 형상을 조절할 수 있는 격자형 압력탱크 기술이 반영된 액체가스 저장용기다. 

기존의 구형 또는 실리콘형 압력 탱크는 압력 하중을 막 응력(Membrane Stress)으로만 견디기 때문에 표면의 작은 결함들이 성장하면서 전체적으로 파괴되거나 크기가 커지면서 표면 두께가 증가해 용접이 어려워져 대형화에 한계가 있었다. 특히 실린더 주위는 버려지는 공간이 돼, 다수의 실린더를 사용할 경우 실제 저장 공간은 절반 이하로 떨어졌다.

반면 자유 형상 확장형 압력용기는 내부 압력을 받는 마주 보는 두 면을 격자구조로 연결하고 용기 표면은 보강재를 사용해 굽힘 응력(Bending Stress)으로 압력을 견디게 했다. 또한 레고 블록과 같이 규칙적인 격자구조를 반복적으로 사용해 대형화를 쉽게 했다.

이러한 설계 구조는 여러 가지 장점이 있다. 구조적 다중성으로 안전도를 크게 높일 수 있고 탱크가 커져도 구조의 두께가 유지되며 높은 공간 효율성을 보장한다. 그 밖에도 격자구조가 내부 유체의 움직임을 제한해 선박용 LNG 저장탱크의 가장 큰 숙제인 슬로싱(sloshing) 현상과 피뢰 파괴 위험을 대폭 낮췄다.

해당 기술은 KAIST 기계공학과의 장대준, 폴 베르간 교수 연구팀이 개발해 2011년 원천 특허를 출원한 후 2012년부터 포스코와 협업해 7개의 국제인증을 획득하고 4개의 시험탱크를 제작 및 시험해 기술의 적용 가능성을 입증했다. KAIST 기술창업 기업인 래티스테크놀로지가 이전받아 상용화했다.

국내 수소차용 수소저장용기 시장을 독점하고 있는 일진하이솔루스는 일본 토모에 쇼카이와 함께 이번 전시회에 참여했다.

토모에 쇼카이는 일진하이솔루스와 타입4 용기 일본 독점 판매 계약을 체결하고 2018년 11월부터 일본에서 일진하이솔루스의 타입4 용기를 판매하고 있다. 이를 통해 일진하이솔루스는 여러 업체에 타입4 용기를 공급했는데 대표적인 것이 바로 동일본철도, 도요타자동차, 히타치가 공동 개발한 일본 최초의 수소열차인 ‘HYBARI(히바리)’다.

지난해 2월에 모습을 드러낸 히바리는 지난 2020년 6월부터 총 40억 엔을 투입해 개발한 연료전지와 배터리를 전기 공급원으로 하는 수소열차로 2량 1편성으로 제작됐다. 700bar 충전이 가능한 수소저장탱크는 히바리 2호차 지붕에 설치됐으며 용량은 1,020리터다. 

동일본철도는 지난해 3월 요코하마와 가와사키의 공업지대를 달리는 쓰루미선(鶴見線) 등에서 히바리의 시험운행을 시작했으며 2030년에 상업운전을 개시한다는 계획이다.

FC EXPO 2023 하반기 행사는 오는 9월 13일부터 15일까지 일본 지바현에 있는 마쿠하리 메세(Makuhari Messe)에서 개최되며, FC EXPO 2024는 2024년 2월 28일부터 3월 1일까지 도쿄 빅사이트에서 열릴 예정이다.

  

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