Toyota 북미 법인이 미국 에너지부(DOE) 산하 국립재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory, NREL)와 미 콜로라도 주 알바다 소재 NREL플랫아이언즈 캠퍼스에 1메가와트(MW) 연료전지 발전 시스템을 구축, 설치, 평가하기 위해 협력하고 있다.

동 연료전지 발전기는 콜로라도 주 NREL 캠퍼스에서 설계 및 시운전되고 있는 메가와트 규모의 수소 시스템인 통합에너지시스템첨단연구(Advanced Research on Integrated Energy Systems, ARIES)의 일환이다.

유연성을 갖춘 동 시스템은 재생 가능한 메가와트 규모의 수소 직접 생산, 에너지 저장,전력 생산, 전력망 통합을 입증할 기반을 제공한다. 여기에는600kg 수소 저장 시스템이 포함된다.

DOE가 Toyota와 3년 간 진행하는 협력은 미국 에너지효율 및 재생에너지국(Office of Energy Efficiency and Renewable Energy)의 수소 및 연료전지 기술실(Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office)에서 일부 자금을 지원한다.

다른 자동차 제조사들은 배터리 전기차 개발에 몰두하고 있지만, Toyota는 여전히 향후 모델에 적용할 연료전지 기술을 적극적으로 개발하고 있다. 연료전지 기술은 고정형 에너지 저장 시스템과 발전 등 교통 산업 외 분야에도 활용할 수 있다.

Toyota는 1MW 연료전지 시스템을 설계하면서 소형 연료전지 EV 시장에서 전문성을 확장해 온 25년 간의 연료전지 개발 경험을 활용했다고 밝혔다.

Toyota는 새로운 연료전지 시스템이 전력 생산량을 15배 이상 확대할 수 있으며, 직류 및 교류 전기를 모두 제공할 수 있다고 설명한다. 동 시스템은 단순하게 설계된 연료 전지 에너지 저장 시스템이 기존 발전기를 대체할 더 좋은 대안이 될 수 있는지를 보여준다.

Toyota는 연료전지 모듈 가동을 관리하여 효율성과 수명을 극대화하는 통합 제어 시스템을 개발했다.

Toyota가 개발 중인 연료전지 발전 시스템은 고분자 전해질 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)로 알려져 있으며, 저온에서 가동되고, 더욱 가볍고 크기도 작다. 동 프로젝트에서 Toyota는 연료전지 기술을 1MW 에너지 저장 시스템에 사용하고자 하는데, 이는 평균 면적 기준 1,200개 미국 가구에 전력을 공급하기 충분한 규모이다.

PEMFC는 1960년대 초 General Electric Company 소속 화학자들이 처음 개발한 기술이다. 이번 DOE 프로젝트에서는 전력망 수요가 높은 시기에 연료전지가 건물 등에 전력을 제공할 수 있다는 점을 증명할 것으로 예상된다.

1MW 연료전지 시스템은 Toyota의 여러 연료전지 모듈을 더욱 큰 규모의 시스템에 통합하여 필요 시 고정형 전력을 제공한다. 동 연료전지는 전 세계에서 판매 중인 소수의 연료전지 모델에 속하는 Toyota《Mirai》에 사용되는 것과 유사하다.

Toyota 《Mirai》는 리튬이온 배터리 대신 연료 전지를 사용하며, 수소를 사용하여 전력을 생산한다. 수소는 연료전지 스택으로 이동하여 공기 중의 산소와 화학 작용을 거쳐 전기를 생산한다. 이 전기는 차량 전기 모터에 사용된다.

NREL은 이전 협업을 통해 차량용 대형 연료전지 시스템 사용이 탄소 배출 없이 데이터 센터에 전력을 제공할 수 있다는 점을 입증했다.

Toyota의 사업개발 및 연료전지 솔루션 그룹 부사장 Christopher Yang은 “탄소 중립을 달성하려면 탄소를 배출하지 않는 기술의 새로운 응용 분야 및 다른 시스템과 동 기술의 통합 방식 등을 탐색해야 하며, NREL 프로젝트에서 이를 확인할 것”이라고 설명했다. 그러면서 “당사의 모듈을 이러한 규모로 배치하면서 승용차 한 대에 적용되는 단일 연료전지 모듈 또는 대형 장비에 전력을 제공하기 위해 다수의 시스템을 통합한 형태 등 Toyota연료전지 기술의 확장성을 보여준다”고 덧붙였다.

Toyota는 DOE 프로젝트에서 NREL에 제공할 시스템의 설계, 보조 시스템, 시공을 위해 댈러스 주 소재 엔지니어링 기업 Telios와 협력하고 있다.

NREL 연구자들은 연료전지 시스템 설계의 사용 경계를 확장하여 성능 한계를 확인하고 시간에 따른 분해를 모니터링할 예정이다. 이러한 귀중한 실제 자료는 향후 연료전지 기술의 응용 분야 개발에 활용할 예정이다.

동 연구에는 에너지 저장 및 태양광과 풍력 등 재생 에너지 발전 시스템과 통합 시 시스템의 수행 능력을 평가하는 과정도 포함된다.

NREL의 연구 엔지니어이자 동 프로젝트의 연구 책임자인 Daniel Leighton은 “동 연구에서 고정형 전력 발전을 위한 PEM 연료전지 시스템을 확장함으로써 성능과 내구성, 시스템 통합 관련 문제를 이해할 것”이라며, “이러한 연료전지 발전기 시스템은 NREL에 새로운 메가와트 규모의 연료전지 연구 역량을 창출할 것”이라고 설명했다.

DOE의 연료전지 발전기 시스템은 올 여름에 설치될 예정이며, 전제 시스템 시운전은 2022년 하반기로 예정되어 있다.