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.

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.

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.

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.

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.