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[오토저널] 일본의 연료전지기술 동향

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2016-10-12 06:22:59

본문

2010년부터 계속되어 왔던 NEDO의 연료전지과제가 2014년에 종료되고 2015년에 과제의 리뉴얼(Renewal)이 있었다. 2015년 6월 5일에 NEDO에서 보도자료를 배포했는데 새로 선정된 수소연료전지과제의 목록과 연료전지 과제의 전체적인 개략이 나와 있다(http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100394.html). 보도자료에는 세가지 중점과제가 열거되었는데 그것들은 1) 연료전지 내부구조나 반응메카니즘을 다양한 수법으로 해석하는 기술 2) 실제 상용화된 자동차에 적용을 전제로 한 50,000시간의 내구성 평가를 가능하게 하는 기술 3) 연료전지 자동차의 고성능화를 실현시키는 새로운 재료의 설계 지침(컨셉)의 창출을 위한 기반연구수행이다.

 

위에서 언급되었듯이 수소연료전지자동차가 상업화되었기 때문에 2015년도부터 새로 시작되는 연료전지과제는 아직도 고가인 연료전지의 단가를 낮추기 위한 각종 연구, 내 구성 향상을 위한 연구에 초점이 맞춰져 있다. 전자는 현재 수소연료전지를 구성하고 있는 재료 중에 가장 고가인 산소 환원 촉매의 단가를 낮추기 위한 과제이다. 잘 알려진대로 수소연료전지용 산소환원 촉매에는 고가인 백금이 주로 사용되고 있다. NEDO에서는 저가산소환원 촉매개발을 위해 주로 문제해결 방법이 다른 세가지 종류의 과제에 연구비를 투자하고 있다.

 

하나는 저백금화 기술로 Core shell 촉매에 관한 연구이다. Core shell 촉매는 산소환원 촉매인 백금 나노입자의 중심부(core)를 보다 값싼 다른 금속으로 대체하고 실제로 반응이 일어나는 표면 부분에만 백금을 사용하는 기술이다. 이 연구는 Doshisha 대학이 중심이 되어 수행하고 있다. 2010년부터 수행되어온 이 분야의 연구를 통해 중심 금속의 종류에 따른 촉매활성의 변화, 효율적인 합성법의 개발 그리고 내구성 향상을 위한 연구 등에 관한 성과가 보고되었다. Core shell 촉매의 실용화를 위해 2015년도부터는 내구성을 보다 향상시키기 위해 열화메카니즘의 규명과 효율적인 대량 생산 기술의 확립을 위한 연구들이 수행되어질 전망이다.

 

Core shell 촉매기술이 백금을 사용하기는 하되 보다 적은 양의 백금으로 높은 촉매활성을 얻기 위한 연구라면, 백금을 전혀 사용하지 않는 산소환원 촉매의 개발도 동시에 진행되고 있다. 이 분야에서는 현재 두가지 과제가 진행되고 있는데 하나는 금속산화물을 사용하는 연구와 또하나는 탄소재료를 촉매로 사용하는 연구이다. 전자는 주로 요코하마 국립 대학에서 수행되어지고 있고 후자는 동경공업대학에서 연구를 수행하고 있다. 금속산화물 촉매로는 Zr 산화물이나 Ti 산화물 등이 연구되고 있다. 점진적이긴 하나 이 분야의 연구는 매년 조금씩 향상된 성능이 보고되고 있다(http://www.nedo.go.jp/content/100105282.pdf).

 

한편 탄소재료를 이용한 산소환원촉매에 관한 연구로는 그래핀과 같은 탄소재료에 질소 등의 원자를 도핑하여 높은 촉매활성을 얻는 연구가 수행되고 있다. 탄소재료를 기반으로 한 산소환원 촉매는 도핑한 탄소재료의 어느 부분에서 실제로 산소환원반응이 일어나고 있는지가 불분명 했었는데 최근에 츠쿠바대학의 연구팀에 의해 실제로 반응이 일어나고 있는 부분이 실험적으로 규명되었다(Science 351 (2016) 361-365).

 

이 분야의 연구성과는 일본의 대표적인 섬유회사인 Teijin에 의해 상업적인 개발이 진행되고 있다. 2014년에는 Teijin에 의해 촉매의 prototype을 만들었다는 보도자료가 배포되었다. Teijin은 보도자료를 통해 내구성에 있어서는 개선의 여지가 있어 2025년까지 상업화할 것을 목표로 하고 있다고 밝혔다. 이는 동경공업대학과의 공동연구 결과를 기반으로 하여 개발되었다. 한편 NEDO 과제의 다른 큰 축인 내구성에 관한 연구는 촉매에 있어서는 백금 촉매 및 전해질막의 열화에 관한 메카니즘 규명, 그것을 위한 각종 해석기술의 개발 및 시뮬레이션을 통한 메카니즘 규명이 포함된다.

 

이번에 채택된 과제들의 상당수가 2010년도부터 수행되어왔던 과제들의 연장으로 필자가 참여하고 있는 FC-Cubic도 ‘촉매, 전해질, MEA의 해석, 셀평가(触媒・電解質・MEA の解析、 セル評価)’라는 과제를 계속해서 수행하게 되었다.

 

이 프로젝트는 NEDO에 의한 수소연료전지 프로젝트중에 가장 규모가 큰 것으로 참여기관에는 FC-Cubic, 조치대학, 홋카이도대학, 동경공업대학, 쿄토대학, 토호쿠대학, 동경대학, 물질재료연구소, 전기통신대학, 나고야대학, 분자과학연구소, 주식회사 닛산아크, 일본자동차연구소가 포함되어 있다.

 

FC-Cubic은 본 과제의 중심적인 역할을 하는 기관으로 산업기술종합연구소(AIST)의 동경임해센터에 자리잡고 있다. FC-Cubic은 원래는 AIST의 한 연구센터였다가 2010년부터 AIST가 아닌 독립된 기술연구조합이 되었다. FC-Cubic에는 토요타자동차, 닛산자동차, 파나소닉, 토오시바연료전지시스템, JX에너지, 혼다기술연구소, 히노자동차, 산업기술종합 연구소, 조치대학, 오카노미즈대학, 큐수대학, 홋카이도대학, 동경공업대학, 시즈오카대학이 참여하고 있다.

 

FC-Cubic에는 5개의 연구그룹이 있는데 그것들은 전극촉매기반기술 연구그룹, 전해질재료기반기술 연구그룹, 공통기반기술 연구그룹, MEA기반기술 연구그룹, 셀평가 해석 기반기술그룹이다. FC-Cubic의 기본적인 운영은 NEDO에서 지급된 연구비로 이루어지고 있고 직원들 인건비도 NEDO 예산에서 지급되고 있다. FC-Cubic이 NEDO 예산으로 고용한 연구원 이외에 위에 열거된 회사들로부터 몇몇 사원들이 파견되어 FC-Cubic에서 연구를 수행하고 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 FC-Cubic에서는 2015년부터 수소연료전지를 구성하는 각종 재료의 내구성 향상을 위한 연구에 많은 연구자원이 배분되고 있다.

 

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<그림 1>은 현재의 FC-Cubic조직체계를 보여준다. FCCubic의 전무이사는 Toyota에서 연료전지 개발부장을 역임한 Hidemi Oonaka씨가 담당하고 있다. 크게 요소재료에 관한 연구를 수행하는 부서와 MEA에 관한 연구를 하는 부서로 나누어진다. 요소재료 부문은 수소연료전지의 두 가지 큰 재료인 촉매와 전해질막 연구팀 그리고 이들 두 재료에 공통적으로 적용되는 기술을 연구하는 공통기반연구팀으로 나뉘어진다. FC-Cubic에서의 촉매와 전해질막 연구는 새로운 물질을 개발하는 것이 아니고 재료들이 갖는 특성을 심도 있게 이해하고 그 이해를 바탕으로 보다 좋은 재료를 개발하기 위한 가이드라인을 제시하는데 목표를 두고 있다. 공통기반연구팀에서는 컴퓨터시뮬레이션 등의 촉매 및 전해질막에 공통으로 적용되는 기술의 연구를 수행한다.

 

필자의 전공은 계산화학으로 본 과제에서는 공통기반연구팀의 과제인 수소연료전지에 사용되는 전해질막의 열화메카니즘을 계산화학적으로 규명하는 연구를 수행하고 있다. 이 연구는 연료전지를 사용할 때 발생되는 라디칼에 의해 전해질막의 어느 부분이 공격을 받아 열화하는지 또한 열화를 방지하기 위해 라디칼의 높은 반응성을 어떻게 줄이는지를 시뮬레이션을 통해 규명하는 연구이다. 계산화학기술은 전해질막 뿐만 아니라 각종 재료들의 화학적 열화 메카니즘을 분자수준에서 이해하는데 필수적인 기술로 중요시 여겨지고 있다.

 

본 고에서는 수소연료전지연구에 있어서 가장 큰 연구비규모를 가진 NEDO과제의 최근 동향을 통해서 일본 수소연료전지 연구의 흐름을 개략적으로 소개하였다. 미흡하지만 본고가 일본 연료전지연구의 최근동향을 파악하는데 도움이 되길 바라는 마음이다.

 

 

글 / 김종춘 (허즈앤티)
출처 / 오토저널 16년 3월호 (http://www.ksae.org) 
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