수소연료전지 자동차 - susoyeonlyojeonji jadongcha

[월간수소경제 이종수 기자] 국립환경과학원은 ‘수소를 사용하는 자동차’ 관련 기술개발 동향 정보를 담은 ‘자동차 환경정책 및 기술 동향 자료집’ 10월호를 발간·배포했다고 지난 28일 밝혔다.

‘자동차 환경정책 및 기술 동향 자료집’에 따르면 2050년 글로벌 탄소중립 목표 달성을 위해 각국에서 연비 규제가 지속 강화되면서 전기차와 함께 주행 중 탄소배출이 없는 수소차가 주목을 받으며 개발·양산이 강화되고 있다.

수소차는 크게 수소를 산소와 반응시킬 때 만들어지는 전기로 움직이는 ‘수소연료전지차’와 수소를 연료로 내연기관을 작동시키는 ‘수소 내연기관 자동차’로 구분되는데, 장거리 운행으로 유해가스 배출량이 많은 상용차에 대한 무공해 요구가 커짐에 따라 유럽, 일본, 중국 등 주요국은 트럭, 버스 등 상용차를 중심으로 수소연료전지 및 수소 내연기관차에 대한 기술개발을 동시에 추진하고 있다.

수소연료전지차 기술개발 동향
수소연료전지차 개발은 지난 1960년 일부 진행된 바 있으나 경제성 문제로 양산에 실패하며 개발이 지지부진하다가 현대자동차가 2013년 세계 최초로 수소전기차(투싼ix) 양산에 성공했다. 현재까지 양산형 수소연료전지차(승용차)는 공식적으로 현대자동차 투싼ix, 넥쏘 및 도요타 미라이, 혼다 FCX 클래리티 4종에 불과하다. 

글로벌 자동차 업체는 높은 제조비용과 부족한 수소 인프라로 인해 수소연료전지 승용차의 대중화가 어렵다고 판단하고 잇달아 수소승용차 개발을 포기하거나 연기하고, ‘수소상용차’ 개발에 집중하고 있어 향후 2~3년 후에는 수소전기 상용차 시장이 본격화될 것으로 전망된다.

현대자동차는 넥쏘용 연료전지 2개를 더한 190kW급 연료전지시스템에 최고출력 350kW급 구동 모터를 적용하고, 최대 32kg의 수소를 저장할 수 있는 수소탱크 7개를 장착해 1회 충전으로 400km 주행이 가능한 수소전기 대형트럭 ‘엑시언트’를 통해 세계 최초로 수소전기 대형 트럭 양산체제를 구축했다.

일본의 도요타 자동차는 히노 자동차와 함께 히노에서 개발한 XL 시리즈 섀시를 기반으로 도요타의 2세대 수소전기차 ‘미라이’에 들어간 차세대 연료전지 및 수소탱크 6개를 장착해 한번 충전에 약 500㎞ 주행이 가능한 36톤급 대형 수소전기트럭 ‘클래스8(Class8)’ 개발을 완료했다.

독일의 BMW도 수소를 대형 자동차 부문에서 유망한 기술로 보고 6㎏의 수소 탱크와 고효율 연료전지시스템, 최고출력 275㎾의 모터를 장착한 스포츠유틸리티차량(SUV) ‘X5’를 기반으로 한 수소전기차 ‘iX5 하이드로젠(Hydrogen)’을 개발, 2025년부터 본격 양산할 예정이다.

다임러 트럭은 150㎾ 전기 모터 2개를 탑재해 각 최고 313마력을 발휘, 1회 충전 시 최대 1,000km 주행이 가능한 수소전기트럭 GenH2 콘셉트카를 개발해 2027년 출시 목표로 2021년 5월부터 주행테스트를 진행 중이다.

프랑스의 르노자동차도 16kW급 연료전지를 탑재해 1회 충전 시 800km까지 주행 가능한 SUV 수소전기차 ‘르노 마스터밴 FCEV’ 차량의 시제품을 공개하기도 했다.

수소 내연기관 자동차 기술개발 동향
탄소중립 실현을 위해 주요국에서 내연기관 자동차의 퇴출이 추진되고 있는 가운데 강화된 배기가스 규제인 Euro7 등 탄소 중립 규제 시행을 앞두고 상용차 브랜드들의 친환경 엔진에 대한 수요가 높아짐에 따라 유럽과 일본을 중심으로 한 글로벌 자동차 및 엔진 제작 기업들이 수소엔진 개발을 가속하고 있다.

현재 수소 내연기관(엔진) 기술 고도화 및 콘셉트카 개발 위주로 진행되고 있으며, 아직까지 상용화되지는 못했으나 향후 수소엔진 시장 성장 가능성은 높다.

지난 2016년부터 수소엔진 개발을 위해 야마하 모터, 덴소와 협력해 온 도요타 자동차는 지난 2021년 4월 수소엔진 기술개발 착수를 발표하고 올해 2월 렉서스 RC-F에 탑재된 5.0리터 V8 가솔린 엔진을 바탕으로 개발된 8기통 수소엔진을 공개했다. 이와 함께 수소엔진 탑재 콘셉트카 ‘GR 야리스 H2’와 1.0리터 직렬 3기통 DOHC4 밸브 구조로 개발된 수소엔진을 탑재한 2인승 렉서스 콘셉트카 ‘ROV’도 잇달아 공개했다.

2000년대 최초의 수소 동력 로터리 엔진 차량인 ‘RX-8 Hydrogen RE’를 개발한 바 있는 마쓰다 자동차도 RX-8의 후속 차종 출시를 위해 최근 들어 수소 연소 방식의 로터리 엔진을 개발 중이다.

수소 내연기관 엔진 개발을 진행 중인 미국의 포드 자동차도 최근 폭발력을 제어하고 ‘초희박 연소’가 가능한 터보차저를 함께 사용하는 수소엔진 기술에 대한 특허를 미국 특허청에 출원한 것으로 확인됐다.

중국의 광저우자동차그룹(GAC)도 기존 내연기관보다 높은(44％) 열효율을 나타내고 연소 위험을 최소화한 수소엔진을 개발했다.

이 밖에 유렘코(영국), 커민스(미국), 도이츠 AG(독일), 케유(독일), 아쿠아리우스엔진(이스라엘), 위차이(중국) 등도 수소엔진 및 수소엔진 장착 상용차(트럭 등)를 개발했다.

국내에서는 현대두산인프라코어가 2025년 양산 목표로 수소엔진 개발에 착수했다. 현대자동차도 아람코(Aramco) 등과 ‘초희박 연소 엔진’ 공동개발(2년 소요 예정)에 나섰다.

국립환경과학원 관계자는 “기술적 난제와 시장 불확실성에도 불구하고 유럽, 일본, 중국 등 주요국은 수소연료전지 및 수소 내연기관 분야 차량에 대한 기술개발을 동시에 추진하고 있어 우리나라도 두 분야 모두에 대한 핵심 기술 확보가 요구된다”고 밝혔다.

자세한 내용이 수록된 ‘자동차 환경정책 및 기술 동향 자료집(10월)’ 전문은 국립환경과학원 홈페이지 공지사항 게시판에서 전자파일(PDF) 형태로 확인할 수 있다.

[email protected]

대부분의 자동차는 휘발유, 즉 화석 연료에 의존하여 동력을 얻을 수 있었다. 자동차와 같은 개념이 없던 시절에는 화석 연료를 이용한 자동차가 '대단한 개발'이었지만, 시간이 지날수록 그 문제점이 대두되었다.

무엇보다 화석 연료는 채취할 수 있는 양에 한계가 있을 뿐만 아니라 연소 과정에서 대기 오염을 유발시킨다는 문제가 있기 때문이다.

이러한 배경 가운데, 자원의 양에 제한을 받지 않으면서 환경오염을 유발시키지 않는 에너지 체계, 동력 체계를 만들기 위한 연구가 계속되고 있다.

그리고 그 결과물 중에 하나가 바로 수소 연료 전지 차이다. 수소와 산소의 화학 반응을 이용한 것인데, 이 두 화학 물질의 반응을 잘 활용하면 전기를 생산해 낼 수 있다.

여기서 발생한 전력으로 자동차를 움직이게 만드는 것이다. 수소와 산소는 구하는 것이 어렵지 않을 뿐만 아니라, 화학 반응 과정에서 어떠한 오염 물질도 발생시키지 않는 장점이 있다.

[내연기관자동차와 수소연료전지자동차비교]

​

​

연료전지의 기본 원리
수소연료전지의 기본구조는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태로 되어 있다.

재료만 다를 뿐 보통의 전지 구조와 흡사합니다. 양극에선 수소가 이온화되며 전자를 내놓는데, 이 전자는 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 공기와 반응해 물을 만든다.

이 때 전자가 이동하는 과정에서 우리가 얻고자 하는 전기에너지가 발생하는 것입니다.
우리가 사용하는 수소연료전지는 양극, 음극, 전해질로 구성된 하나의 단위전지가 여러 개 겹쳐진 적충구조를 이루고 있다.

전류는 단위전지 면적에 따라 전압은 저장을 하고 단위전지 개수에 따라 조절되므로 수소연료전지는 전력을 자유자재로 결정할 수 있다는 장점도 있다.

[연료전지의 기본 원리]

수소 생산방법

지금까지 가장 널리 이용되는 수소에너지 생산방법은 천연가스에 포함된 메탄의 수증기 개질법이다. 니켈 촉매에 반응하면서 수소와 일산화탄소로 분해하는 것이다.

물에 1.75V 이상의 전류를 흘려서 양극에서 수소가, 음극에서 산소가 발생하도록 하는 전기분해법도 널리 쓰인다. 석탄의 가스화 공정이나 원유의 정제과정, 황산취화철 화학공정 등에서도 수소를 얻을 수 있다. [한겨레21]

​

철강 제조로부터 수소 생산특허

인도의 철강회사인 Tata Steel사는 자사 플랜트에서 수소를 생산할 수 있는 상업공정을 테스트할 계획이다. 인도 Tata Steel사의 연구개발부인 Jamshedpur는 철 부산물을 이용하여 수소를 생산하는 방법을 개발하였다.

수소 채취(hydrogen harvesting)로 명명된 이 공정에서 물은 1,600도로 가열된 슬래그(slag) 위에 분사되어 수소와 산소로 분열된다. Tata Steel사의 연구개발부 부장은 이 공정의 수율이 70퍼센트 이상이라고 예측하였다. Tata Steel사는 첫 단계로 추출공정에 대한 특허를 취득하였다.

수소연료전지는 수소와 산소의 산화/환원 반응을 통해 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 전기화학적 장치이며, 이를 주 동력원으로 활용한 자동차가 수소연료전지차(Hydrogen Fuel Cell Vehicles)이다. 수소연료전지차를 개발하고 상용화시키기 위한 주요 기업과 연구소들의 노력이 최근 결실을 맺는 듯 보인다. 하지만 아직까지 많은 사람들이 ‘수소’ 또는 ‘수소연료전지차’보다 태양광, 풍력, 배터리 산업에 더욱 친숙한 것이 사실이다. 미국 에너지성(Department of Energy)에서 최근 발표한 자료에서는 일반인들을 대상으로 다음과 같이 다섯 가지 기본적인 사실을 전달하고 있다.

(1) 수소는 지구상에서 가장 풍부한 원소이다.

(2) 연료전지는 자동차뿐만 아니라 건물, 휴대용 전기장치, 보조전력 등으로 사용할 수 있다.

(3) 연료전지는 전력을 생산할 수 있는 100% 무공해 기술이다.

(4) 연료전지차는 엔진의 역할과 급유(수소 충전) 관점에서 기존 내연기관 차량과 매우 유사하다.

(5) California 주에 30개 이상의 수소 충전소가 운영되고 있다.[1]

국내의 경우, 가동 중인 수소 충전소는 연구 목적을 포함하여 약 10곳에 지나지 않기 때문에, 수소연료전지차의 개발 및 보급 현황을 일반인들이 쉽게 인지하기는 쉽지 않지만, DOE의 주장과 같이 향후 각광받는 기술인 것은 분명하다.

최근 전 세계적으로 뜨거운 관심을 받고 있는 미래 기술은 빅데이터와 인공지능이다. 같은 맥락으로, 자동차업계에서 화두가 되고 있는 기술은 ‘자율주행’과 ‘전동화’이다. 2010년 전후로 내연기관과 배터리를 함께 도입한 하이브리드차가 본격적으로 판매를 시작하였고, 전기차 산업의 경우 기존 선진 국가(미국, 일본)에만 국한되지 않고 중국의 과감한 육성 정책과 투자에 힘입어 연관 산업이 폭발적으로 성장하고 있다. 수소연료전지차 역시 수소를 원료로 하는 전기차의 일종이며, 특히 고출력이 요구되는 상용차(버스, 트럭)에 대한 적합도가 일반적인 전기차(배터리 기반) 대비 유리한 특징이 있다. 본 보고서는 수소연료전지차와 관련된 산업계를 중심으로 발표된 연구개발 최신 동향을 포함하고 있으며, 연료전지차와 관련 산업의 향후 전망에 대한 내용을 포함하고 있다.

2. 주요 내용

2.1. 수소협의체(Hydrogen Council)

2017년 1월에 열린 다보스포럼(Davos World Economic Forum)에서 아시아, 유럽, 미국의 주요 기업 CEO와 국가정책 담당자로 구성된 수소협의체가 구성되었다.[2] 이 협의체는 세계를 선도하고 있는 에너지, 중공업, 그리고 운송 관련 18개 기업들에 소속되어 있는 CEO급의 인원으로 구성되었으며, 그 기업들은 다음과 같다: Air Liquide, Alstom, Anglo American, Audi, BMW Group, Daimler, ENGIE, General Motors, Honda, Hyundai, Iwatani, Kawasaki, Plastic Omnium, Shell, Statoil, The Linde Group, Total, Toyota. 한국에서는 유일하게 현대자동차가 참여하고 있는데, 2013년 세계 최초로 수소연료전지차(투싼 ix)를 양산하여 보급한 공로를 인정받았기 때문이다. 이 수소협의체에서는 수소를 미래 사회의 중요한 에너지 저장 매체로 인정하며, 주요 활동으로서 수소의 생산/운반 기술, 연료전지 기술, 산업 생태계 조성을 위한 상호 협력과 정책적인 지원을 수행할 것으로 발표하였다. 2017년 11월 13일에 열린 Sustainability Innovation Forum에서 수소협의체는 연료전지차의 수요 전망을 발표하였는데, 2030년까지 승용차 타입이 1,000만~1,500만 대, 트럭은 50만 대가 보급될 것이라고 예측했다. 수소연료전지차 외에도 다른 산업에서도 수소가 다양하게 이용되면서 수소의 수요는 현재의 10배로 확대될 것이라고 말하고 있다.

2.2. 수소연료전지차

한국의 현대자동차는 2013년 투산 ix 연료전지차 양산을 필두로 연구개발을 지속하여, 2018년 초에 신형 수소연료전지 전용차를 출시할 계획을 갖고 있다. 이와 더불어, 그룹 계열사인 현대모비스에서는 충주 신공장 설립을 통해 연료전지 핵심 부품인 막/전극 접합체(Membrane Electrode Assembly - MEA)의 양산 능력을 갖추었다. 2017년 12월 14일, 자동차업계와 재계에 따르면 한국 수소융합얼라이언스추진단과 중국 자동차공정학회는 수소차 확산을 촉진하기 위한 업무협약(MOU)을 맺었다. 중국은 ‘수소차 로드맵’에서 2020년까지 수소차 5,000대 보급, 충전기 100기를 보급하겠다고 밝혔으며, 2차 목표(2030년)로 수소차 100만 대, 충전기 1,000기 이상을 보급하는 것을 설정하였다.[3] 중국 중앙정부가 정책적으로 주도하여 수소연료전지차에 대한 관심이 큰 상황에서, 상기 MOU 체결을 통해 현대자동차와 Toyota가 주도했던 수소연료전지차 시장에 지각변동이 발생할 것이고, 수소차 표준 협력 등의 주체가 되는 현대자동차가 중국의 수소차 시장에서 경쟁과 협력의 각축을 벌일 것으로 예상된다.

Toyota는 2018년 봄을 기점으로 아이치 현 도요타 시의 본사 공장 부지 내에서 첨단기술의 연구개발 등을 담당하는 신규 개발동을 가동한다. 연료전지 관련 연구개발을 중심으로 환경 분야에 대한 연구도 아우를 예정이다. 앞으로 세계 각지에서 연비 및 환경규제가 강화되기 때문에 대처해야 하는 해결 과제가 많아지고 있으며, 전기차 개발에도 적극적으로 투자하여 관련 체제를 정비할 방침이다. 2014년 12월에 양산하여 보급한 수소연료전지차 ‘Mirai’ 외에 Lexus 최초 수소연료전지차를 2020년까지 판매를 개시할 예정이라고 영국의 자동차 미디어 ‘Auto Express’가 Lexus Europe의 Alain Uyttenhoven 씨의 코멘트를 인용해 보도했다.[4] 2020년에는 세계적으로 연 3만 대 이상의 판매를 목표로 양산 설계를 추진하고 있다.

Honda는 2016년 10월, 미국 환경보호청(EPA)의 평가에서 Honda의 수소연료전지차 ‘Clarity Fuel Cell’의 항속거리가 589km(366mile)을 달성했다고 발표했다. 이전 모델인 ‘FCX Clarity’ 대비 연료전지 스택의 출력밀도를 60% 높이고, 크기를 33% 축소하였다.

Mercedes-Benz는 브랜드 최초로 플러그인/연료전지 병합 모델 ‘GLC F-Cell’의 생산 계획을 확정했다. GLC F-Cell에는 표준형 ‘GLC’에 탑재되는 내연기관 엔진 대신 Mercedes-Benz의 모회사 Daimler와 Ford AFCC(Automotive Fuel Cell Cooperation)와의 협력을 거쳐 개발된 연료전지 스택이 탑재될 예정인데, 기존보다 30% 더 소형화고 40% 더 높은 출력을 제공한다. 수소는 차량 하부에 장착된 두 개의 탄소섬유 탱크에 저장되는데, 최대 4kg의 수소를 저장할 수 있는 이 탱크의 내부는 700 bar의 압력으로 유지되며, 최신 수소 충전 기술을 통해 3분 이내에 완충이 가능하다.

2.3. 수소 생산 및 충전 기술

Toyota의 북미 사업체인 Toyota Motor North America는 연료전지발전사업을 다루는 FuelCell Energy와 함께 California 주에서 연료가 되는 수소를 생산하고, 2.35MW의 발전이 가능한 연료전지 발전소 및 수소 충전소를 병설하는 ‘Tri-Gen’을 건설할 것이라고 발표했다.[5] Tri-Gen이란 물, 수소, 전기의 3종류를 생산하기 때문에 Tri-Generation의 의미를 가진다. Tri-Gen에서는 California 주의 축산장의 가축 배설물과 오물 등의 폐기물계 바이오매스에서 수소를 추출하고, 용융 탄산염형 연료전지를 사용하여 전기를 생산한다.

Honda는 충진 압력이 70MPa의 소형 수소 충전소를 활용한 실증 시험을 개시하였으며, 해당 충전소를 도쿄 도 고토 구 아오미에 설치하고 가반형 외부 급전장치를 활용하여 도시 환경에서의 CO2 배출량 저감 효과 및 긴급 시 발전설비로서의 실용성을 조사하고 있다. 충진 압력이 70MPa의 수소 충전소는 태양광발전 시스템으로 만든 전력으로 수소를 제조하며, Honda가 개발한 고압수전해 시스템을 통해 제조압력 77MPa의 수소를 24시간 최대 2.5kg 제조할 수 있다. 만들어진 수소는 약 18kg까지 저장할 수 있는데, 이 저장량은 Honda의 수소전기차를 약 750km(JC08 모드, 자체 측정치) 주행시킬 수 있는 양이다.

2.4. 기타 기술

귀금속 생산업체인 Tanaka는 연료전지의 전극에 사용하는 백금 촉매의 성능을 높여 발전량을 10% 높였다. 백금, 코발트, 망간의 합금으로 내구성을 유지하면서도 표면적당 반응을 활성화시켰다. 연료전지차 부품 가격의 많은 부분을 차지하는 백금의 사용량을 줄임으로써 촉매 비용을 절감할 수 있다.

3. 결론 및 전망

미국 전기차 업체 Tesla의 창립자이자 세계적인 거부인 Elon Musk가 “엄청나게 멍청하다”고 비웃기도 한 수소연료전지차는 자동차업계에서 두각을 나타내지 못했다. 하지만 최근 다보스포럼에서 수소협의체가 결성되어 세계적으로 영향력 있는 기업들이 수소에너지의 중요성에 대한 목소리를 내고, 중국 중앙정부가 직접 친환경차 시장의 확장을 주도하며 상용 차량 일부에 수소연료전지 시스템을 적용하고자 하는 노력들을 보면, 향후 5년 이내에 수소연료전지차의 상용화 및 보급에 대한 가시적인 성과가 나올 것으로 기대할 수 있다. 전적으로 배터리를 기반으로 하는 일반적인 전기차와 수소연료전지차는 경쟁 구도에 위치하는 것이 아닌, 목적(승용/사용)에 따라 상호 보완적인 관계를 갖는다고 보는 것이 적절하다. 2010년대에 이르러 ‘수소 사회(Hydrogen Society)’라는 개념이 소개되었으며, 수소 자체가 전기에너지 저장 매체가 되고 본문에서 언급한 수소연료전지차 외에도 다양한 분야에서 활용될 수 있다. 최근 정보통신 기술의 융합을 통한 ‘4차 산업혁명’이라는 말을 많이 접할 수 있다. 보통 산업혁명은 증기, 전기와 같은 동력 에너지의 발견과 파급을 통해 이루어진 경우를 일컫는데, 수소에너지의 활용이 ‘혁명’까지는 아니더라도, 세계적으로 환경보존에 이바지하고 실생활에 도움을 주는 역할을 감당해줄 것을 기대해본다.

References

1. 미국에너지성, 에너지 효율 및 신재생에너지 보도 자료. 2017년 10월 4일.

https://energy.gov/eere/articles/5-fast-facts-about-hydrogen-and-fuel-cells

2. 수소협의체 홈페이지, 개요 및 소개. http://hydrogencouncil.com/

3. 한국경제 보도 자료. 2017년 11월 9 일. http://auto.hankyung.com/article/2017110954601

4. Auto Express 보도 자료. 2017년 9월 29일. http://www.autoexpress.co.uk/lexus/97680/lexus-to-skip-plug-in-hybrids-in-favour-of-fuel-cell-cars-and-full-evs

5. Toyota 북미 보도자료(뉴스룸). 2017년 11월 30일. http://corporatenews.pressroom.toyota.com/releases/toyota+build+worlds+first+megawatt+scale+100+percent+renewable+power+hydrogen+generation+station.htm