[월간수소경제 편집부] 효율적이고 탄소 배출이 적은 대체 에너지 중에서도 PEM(양성자 교환막) 연료전지 기술이 최근 각광받고 있다. 특히 기후변화 대응이 전 지구적 과제로 부상한 지금, PEM 연료전지 시스템 비용의 절감은 연료전지의 경제성을 좌우하는 핵심 요소이다.

PEM 기술이 어떻게 상용 수소차 생산 비용과 유지보수비를 줄이고, 출력을 높이고, 연비를 개선해 결과적으로 TCO(총 소유비용) 절감에 기여할 수 있는지에 대해 알아보겠다.

전동 파워트레인은 10년이라는 기간 안에 틈새시장을 타겟으로 한 제품에서 미래 승용차를 위한 보편적인 대안으로 부상했다. 중대형 트럭 역시 같은 트렌드를 따라갈 것으로 보인다.

연료전지 제조기업들이 공통으로 추구하는 초기 설비투자가 낮은 연료전지 시스템을 개발하는 데 있어 스택 비용은 단 하나의 고려사항에 불과하다.

연료전지 기술의 TCO가 다른 대안과 유사한 수준까지 내려가야 한다는 것은 업계에 잘 알려진 사실이다. 그렇기에 TCO를 검토할 때에는 △차량 비용(시스템 디자인 관련 비용) △유지보수비(보수 빈도와 유지보수의 난이도) △연료비(거리당 비용 관련 비용) △운영비(가변적인 인건비 관련 비용) 등의 사항을 포함해 더욱 포괄적인 분석이 필요하다. 

운영비를 제외했을 때 일반적인 디젤 트럭의 TCO 중 44%는 차량, 연료 및 유지보수 비용이다.(그림1) 하지만 여기에서 더 나아가 고어는 어떻게 하면 연료전지 생태계의 전체적인 밸류체인에서 TCO를 낮추어 연료전지 시스템을 화석연료나 배터리 구동 애플리케이션과 견줄만한 대안으로 만들 수 있을 지 고민한다.

PEM은 TCO 절감에 어떻게 기여하나
PEM 속성을 활용해 연비를 개선하고 시스템 설계를 최적화해 동등한 수준의 TCO를 달성할 수 있다. 여기서는 이온 전도도를 예로 들어 고어의 강화된 멤브레인이 TCO에 어떻게 기여하는 지를 알아보겠다.

이온 전도도가 높은 전해질막은 온도, 출력, 스택 전압이 상대적으로 높아도 사용이 가능하다. 또 GORE-SELECT® 멤브레인을 사용하면 셀 안의 물 관리가 수월하다.  

이에 따라 스택과 시스템 크기를 줄일 수 있고, BOP와 셀 설계를 단순화할 수 있어 연료전지 시스템의 효율이 제고된다. 이는 다시 스택 시스템 비용과 연료비 절감, 결국에는 TCO 절감으로 이어진다.(그림2)

GORE-SELECT® 멤브레인을 통한 TCO 절감
고어의 강화 PEM은 확장형 폴리테트라플루오로에틸렌(ePTFE) 및 맞춤형 과불화 설폰산(PFSA) 이오노머와 특수첨가제로 제조되었다.

이같이 이온 전도도가 더 높고 가스 크로스오버가 낮은 PEM을 사용하면 보다 높은 온도에서 상용 수소차 작동이 가능하고, 연비가 향상된다. 이와 동시에 제조사들은 기존 부품을 활용해 라디에이터를 만들거나 더 적은 수의 재료로 더 작은 라디에이터를 만들어 차량 제조비를 절감할 수 있다.

또 GORE-SELECT® 멤브레인을 사용하면 물 관리가 쉬워 상대습도가 낮고 고온인 환경에서도 별도의 가습기를 사용할 필요가 없거나 가습기 크기를 줄일 수 있다. 따라서 시스템 비용과 빈번하고 복잡한 유지보수가 줄어든다. 즉, 유지보수비가 절감된다. 

앞으로 수소차와 모빌리티 외의 수소 애플리케이션이 크게 증가할 것이다. 이러한 상황에서 PEM의 속성을 고려해 체계적으로 최적의 제품을 선정한다면 보다 신속하게 TCO 절감을 달성할 수 있을 것이다.

고어는 TCO 절감에 필요한 연료전지 시스템 요구사항 분석을 위한 전문성과 다양한 소재 관련 솔루션을 보유하고 있다. 이를 바탕으로 최적의 PEM 멤브레인을 선정해 수소차, 연료 및 유지보수비를 포괄적으로 고려한 상용화를 실현할 수 있다.

한편 고어 및 GORE-SELECT® 멤브레인에 대한 자세한 내용은 고어 홈페이지에서 확인할 수 있으며, TCO 최적화에 대한 자료는 고어 라이브러리를 통해 확인할 수 있다.