친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망

연료전지 자동차

jpwon@katech.re.kr전 세계가 하나의 시장으로 급속히 진행해가고 있는 글로벌 체제에서 우리나라의 핵심기간산업인 자동차산업 경쟁력을 계속 유지 발전시킴으로써 국민소득 2만 달러 달성에 기여하고 삶의 질을 향상시키기 위하여 수소 연료전지자동차의 핵심 부품 및 시스템 기술 개발이 필요하다.이러한 미래형 친환경 차량의 개발은 우리나라 자동차산업의 경쟁력 제고와, 기술적 파급효과에 따른 고용증대 등을 통한 신산업 창출, 국가 에너지 문제 개선과, 무역수지를 개선시킬 수 있다. 이러한 기대효과와 더불어 사업성 및 실용화를 위해 해외 선진 자동차 메이커에서 이미 기술 개발에 박차를 가하고 있는 수소 연료전지 자동차가 미래형 자동차 기술 개발 사업으로 선정된 것은 매우 시기가 적절하다 할 수 있다.이에 따라 우리나라의 자동차 시장을 급속히 잠식할 것으로 보이는 자유무역체제에 대응하고, 중국의 급속한 추월을 따돌리며 대도시 환경오염문제 및 국가에너지 문제 해결과 전 지구적 관심사항인 지구온난화문제를 극복할 수 있는 기술 및 산업기반을 갖춤으로써 2010년대 세계 4위의 자동차 강국으로 도약할 수 있는 전략수립 및 정부의 적극적 지원이 필요한 시점이다.친환경 자동차 시장 전망2003년 4월에 개정된 미국 캘리포니아 주의 무공해 차량(Zero Emission Vehicle, ZEV) 의무 판매규정은 완전 무공해 차인 연료전지 차량의 개발을 자동차 생산 업체의 의무로 강요하고 있다. 이 규정에 의하면 2008년까지 250대의 연료전지 차량을 도입하며 각 업체의 도입량은 2008년까지의 시장 점유율로 나누도록 규정하고 있다. 캘리포니아 주에서 시작된 이 규제는 2007년 이후 뉴욕, 메사추세츠, 버몬트 주로 확대될 예정이며 무공해 차량의 판매 비율도 해마다 증가하도록 계획되어 있다.이미 하이브리드 차량이 양산화 되어 있는 상태이며 좀 더 먼 미래에는 기존의 내연기관과 전혀 다른 동력원이 이용될 것으로 기대된다. 현재 미래의 동력원으로 가장 주목받고 있으며 그 실용화 가능성이 확실시 되고 있는 동력원이 수소 연료전지이다.연료전지 차량은 연료전지로부터 생산된 전기로 구동되는 전기자동차의 일종으로서 모터에서부터 바퀴에 이르는 구조는 기존의 전기자동차와 같다. 그러나 기존의 전기자동차와는 달리 저장된 전기를 사용하는 것이 아니라 전기를 만들면서 모터를 돌려 차량을 달리게 한다. 그림 1은 수소 연료전지 차량의 구조를 나타낸 것이다.이러한 구조는 연료에서 구동에 이르기까지 에너지 흐름의 관점에서 보면 연료 저장 시스템, 연료전지 발전 시스템, 전기 동력 시스템으로 나눌 수 있다.고압 수소 탱크에서 연료전지로 수소가 공급되며 전기화학 반응에 필요한 산소는 대기 중의 공기로부터 공급된다. 한번 연료전지 스택에 공급된 수소는 대기 중으로 방출되는 것이 아니라 수소 이용률을 높이기 위해 수소탱크의 수소와 혼합되어 다시 연료전지 스택에 공급된다. 공기와 수소의 반응에 의해 연료전지 스택에서 생성된 직류전기는 인버터(직류/교류 변환기)를 통해 교류로 바뀐 뒤 전기 구동 모터에 공급된다. 구동 모터에서 발생되는 회전 운동 에너지는 감속기를 통해 적절한 회전수로 감속되어 바퀴에 전달된다.현재 도요타, 혼다, 닛산, 지엠, 포드, 다임러크라이슬러 등 선진 자동차 메이커에서 기술 경쟁을 벌이고 있는 연료전지 자동차는 <오토모티브 월드 카 산업>에서 예측한 그림 2의 ‘연료전지 자동차 시장전망’에서 알 수 있듯이 2020년 성장기를 거쳐 2030년대부터는 내연기관 자동차는 물론 하이브리드 차 시장 규모를 넘어서게 되는 친환경 첨단 자동차이다. 선진국들보다 내연기관 개발을 100년 이상 뒤늦게 시작한 우리나라는 선진국과의 내연기관 기술의 격차를 어렵게 극복해 나가고 있는 현실이다. 이러한 환경 속에서 새롭게 떠오르는 신기술의 결정체인 수소 연료전지 차량은 우리에게는 자동차 기술을 리드할 수 있는 매력적인 사업 분야이다. 내연기관에 비해 미래의 신기술인 연료전지는 모두 같은 출발선 상에서 시작한다고 볼 수 있고 충분히 기술 경쟁력을 확보하고 기술 우위를 점할 수 있기 때문이다.국내외 연료전지 자동차 개발 동향국내 기술개발 동향국내에서는 1998년 국가 G7 사업 및 차세대 자동차 개발 사업을 바탕으로 연료전지 자동차가 개발되기 시작했다. G7 사업을 통하여 현대자동차와 한국과학기술원은 1999년과 2001년에 각각 10kW급과 25kW급 스택을 개발하여 스포티지 연료전지 하이브리드 차와 싼타페 연료전지 하이브리드 차를 개발 및 시연했다.이후로 현대-기아자동차는 국내 유수 연구소와의 요소기술개발을 통한 독자기술력을 확보함과 아울러 미국 IFC사(현 UTC FC)와의 공동개발을 수행했으며, 그 결과 2000년 11월 75kW급 스택을 장착한 싼타페 연료전지 차를 개발했다. 또한 저온 시동성이 개선된 투싼 연료전지 자동차를 2004년 개발했고, 2005년에는 스포티지 연료전지 자동차를 선보였다.현대-기아자동차에서 개발하고 있는 투싼 및 스포티지 연료전지 자동차는 2004년부터 2009년까지 미국에 32대가 투입되어 미국 에너지성의 시범운행에 참여하게 될 것이다. 사업 참여 목적은 시범운행사업을 통한 연료전지 자동차의 실용화 가능성을 검증하고 기술개발 방향 및 전략을 수립하며, 연료전지 자동차 및 수소 생산·공급·충전 설비관련 기술 표준화 작업에 참여하는 것이다.현대-기아자동차는 2010~2019년에는 소량 생산 단계로 연간 10만대 규모의 생산체제를 구축할 예정이며, 2020년 이후 부터는 연료전지 자동차 양산을 통해 국내외 시장에 본격적으로 보급할 예정이다.선진국의 기술개발 동향외국 자동차사에서 개발된 연료전지 자동차는 표 1과 같은 실증 운행을 통하여 시범 운행되고 있다. 현재 운행 중인 각 메이커의 대부분의 연료전지 차량들은 최대 출력이 80 ~90kW 수준이며, 최대 속도가 150km/h 내외로써 기존 내연기관차량의 수준에 도달해 있지만 항속거리는 300~400 km로써 현 내연기관 차량 수준인 500km 이상으로 확보하기 위한 연구개발을 진행 중에 있다. 1) 일 본2002년 12월에 도요타와 혼다가 관공서를 대상으로 리스방식을 통해 한정판매 한 것을 시작으로 이후 리스판매의 확대나 각 자동차 메이커가 국토교통성 장관의 인증 취득을 추진 중이며, 현재 일본 내에서 차량 번호판을 취득하여 주행하고 있는 연료전지 자동차는 총 47대이다.도요타는 1992년부터 연료전지 사업에 착수하여 1996년에 첫 연료전지 차량을 선보였다. 도요타는 초기부터 연료전지 차량뿐만 아니라 연료전지 스택을 자체 개발했으며 2002년부터는 미국과 일본 내에 리스 판매를 시작했다. 그림 5는 도요타 FCHV의 사진과 제원을 나타낸 것이다.도요타는 내연기관 하이브리드 차량인 프리우스를 개발한 하이브리드 기술을 바탕으로 연료전지 차량의 개발에도 박차를 가하고 있다. 2005년에는 제너럴 모터스사와 공동 연구소를 운영한다고 발표했으며 2015년에는 미화 5,000 달러에 연료전지 차량을 판매하겠다고 발표했다. 2003년 이후 도요타는 다양한 연료전지 컨셉 차량을 세계 모터쇼에서 선보이고 있다. 그림 6에는 최근 도요타가 선보인 FINE-N과 연료전지 스포츠카의 사진이 나타나 있다. 혼다는 2003년 최초로 영하 20℃에서 시동 가능한 연료전지 차량을 개발했으며 현재 유일하게 슈퍼 커패시터를 장착한 차량을 운행하고 있다. 1999년에 처음 연료전지 차량을 선보인 혼다는 최근까지 발라드의 스택을 장착하였으나 2005년부터 자체적으로 개발한 연료전지를 탑재한 차량을 리스 판매하고 있다.혼다는 특히 연료전지 요소 부품 업체들과의 공동 개발을 통해 금속 분리판 및 고온 이온 교환막을 개발하여 차량뿐만 아니라 연료전지 스택 기술에 있어서도 세계 최고의 기술력을 보유하고 있다고 여겨지고 있다.닛산은 1996년부터 기초연구를 시작하였으며 2001년 XTERRA FCV를 미국 CaFCP에서 운행한 적이 있다. 2002년에는 X-Trail FCV를 개발했으며, 2003년에도 새로운 모델의 X-trail 연료전지 자동차 개발을 발표했다.2006년 닛산은 수소 연료전지 차 ‘X-트레일(X-Trail)’의 도로 주행 테스트와 임대 판매 사업에 대해 일본 국토교통성으로부터 최근 승인을 획득했다고 밝혔으며, X-Trial에 장착된 신형 연료전지는 2003년형 모델보다 크기는 60% 정도 작지만 발전 용량은 90KW로, 40% 이상 증가해 성능이 크게 개선된 것이며, 또 2003년형 모델의 최고속도는 145km/h였지만 이번 모델의 최고속도는 150km/h로 향상됐고, 1회 수소 충전 시 주행 거리(항속거리)가 이전 모델의 350km보다 20Km 이상 늘었다고 발표했다.닛산은 2006년 승인 받은 X-Trail 외에도 또 다른 모델을 개발 중이며 신 개발 모델은 700기압(70MPa) 고압 수소 실린더와 500km 이상의 항속거리(2005년 모델의 1.4배)를 갖춘 모델이라고 발표하고 있다.Daihatus는 2003년에 도요타의 스택을 이용하여 MOVE FCV-K-2 연료전지 차량을 개발한 바 있다. 이 연료전지 자동차는 42kW의 출력을 가지며 120km를 주행거리로 하고 최고 105km/h의 속도를 낼 수 있다.2) 미국 및 유럽지엠(GM)은 1997년 신트라 (Sintra)를 시작으로 연료전지 자동차 개발에 착수했다. 그림 10은 하이드로겐 3의 사진과 제원이다. 지엠은 일찍부터 매우 공격적으로 자신들의 연료 전지 차에 신기술을 적용하고 있으며 일례로 하이드로겐 3은 수소저장 방식으로 액체 수소를 사용하고 있다. 액체 수소는 적은 부피에 많은 양의 수소를 저장할 수 있다는 장점이 있으나 액체 수소의 온도를 유지하기 위해 계속적으로 수소를 추기시켜야 한다는 단점이 있다. 수소 누출에 대한 우려가 많은 현재의 상황에서는 차량용으로 실용화하기에 어려운 면이 있다. 지엠은 액체 수소 뿐만 아니라 최초로 700기압 압축 수소 저장 기술을 확보하였다.무엇보다 지엠은 연료전지 전용 차체에 대한 연구를 꾸준히 진행하여 스케이트보드 형식의 차체를 가진 Hy-와이어(Hy-Wire)라는 연료전지 차를 2002년에 선보였으며 2005년에는 시퀄(Sequel)이라는 연료전지 SUV를 발표했다.그림 11에 보이는 지엠의 신형 연료전지 자동차인 시퀄은 연료전지 전용으로 개발된 차량으로 스케이드 보드위에 각종 연료전지 부품을 장착할 수 있도록 설계됐으며, 차량의 냉각 성능 개선을 위해서 스택용 냉각 모듈, 전기장치용 냉각 모듈, 에어컨 콘덴서를 각각 다른 위치에 장착하였다. 이러한 냉각 모듈은 냉각 성능을 향상시키기 위해 차량 전면부와 후면부에 공기 흡입구를 설치하는 연료전지 전용 차체의 모습으로 완성됐다.다임러 크라이슬러는 완성차 업체 중에서 가장 먼저 연료전지 차량의 개발에 착수했으며 이미 1994년에 연료전지 차량을 개발, 발표했었다. 현재는 약 60여 대의 승용차를 전 세계에서 시범 운행하고 있으며 40여 대의 연료전지 버스도 유럽 각지에서 운행하고 있다. 오랜 시범 운행 경험을 바탕으로 연료전지 차량의 양산에 가장 근접할 수 있는 안정된 기술력을 보유하고 있다고 판단된다.다임러 크라이슬러의 A급(A-Class)은 초기 단계에서부터 연료전지 차의 탑재를 염두에 두고 개발된 듯하다. 차량의 바닥이 이중 프레임으로 설계되어 있어 연료전지 스택 및 운전 장치가 장착되기 적합한 구조로 설계되어 있다. A급이 개발된 직후 이중 프레임 구조로 인해 차량 무게 중심이 높아 급격한 방향 전환 시 차량이 뒤집어지는 문제점이 있기도 했으나 그 당시 이미 연료전지 시스템의 장착을 고려한 설계를 했다고 알려졌다. 그림 12에는 A급에 연료전지 시스템을 탑재한 F-셀의 사진과 제원이 나타나 있다.결론연료전지 자동차 기술은 모터, 연료전지, 새로운 구동계, 새시, 안전 설계기술, 소음 진동 저감 기술, 차체 설계기술, 차량 경량화 기술, 모듈화 기술, 부품배치 최적화 설계기술, 차량 제어기술 등 매우 다양한 분야의 부품 및 차량기술을 필요로 하고 있어 자동차 산업 전반에 걸쳐 전후방 효과가 매우 크다고 할 수 있다.연료전지 자동차와 같은 미래형 자동차 산업은 중장기적으로 핵심 부품 및 시스템을 자체 개발하고, 연료전지 시스템 및 제어 기술개발이 병행되어야 하며, 이와 더불어 순수 국내 기술로 만들어진 연료전지 자동차가 미국, 일본, 유럽과 같이 국내에서도 버스 등 공공 수송 부분에 대해서라도 시범 운행이 조기에 시행될 수 있어야 한다. 2010년대 자동차 4대 강국으로서 위치를 확고히 하고 국가 기간산업으로서 중추적인 역할을 지속하기 위해서는 정부의 기술개발 지원뿐만 아니라 친환경 자동차에 대한 보급이 활성화 될 수 있도록 제도적·정책적 지원이 필요하며, 우리나라의 기술저변 확충 및 기술 인프라 구축을 통한 지속적인 발전을 유도하기 위해서는 국제공동연구, 인력육성 및 연구 설비 확충 등 기반구축이 요구된다.

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김의겸 (webmaster@techworld.co.kr)

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