수소전기차 '기술', 어디까지 왔나?

[테크월드=양대규 기자] 2018년 현대차가 넥쏘를 출시하며, 정식으로 수소전기차가 대중들의 교통수단으로 자리 잡기 시작했다. 1960년대 우주기술과 함께 개발된 연료전지(Fuel Cell) 기술은 2000년대 이후 환경규제 이슈로 인해 수소전기차 개발이 본격화됐다. 한국과학기술평가원(KISTEP)에 따르면, 2000년 이후 전 세계의 다양한 완성차 업체들이 수소전기차 모델들을 출시했으나, 양산과 대중화에는 한계가 있었다. 2013년 현대자동차에서 수소전기차(FCEV)를 양산한 이후, 10개 안팎의 글로벌 완성차 업체가 양산을 진행하거나 계획 중인 것으로 나타났다.

KISTEP 이선명·김선재 연구원은 “2018년 현재, 전 세계적으로 수소전기차를 양산하는 기업은 3곳뿐”이라며, “그중 우리나라 기업이 기술적으로 가장 앞선 모델을 출시했다”고 설명했다.

수소전기차 양산화 동향

양산 전 FCEV는 ▲2001년 한국 현대차 ‘싼타페 FCV’ ▲2002년 일본 혼다 FCX-V4 ▲2003년 미국 포드 Focus FCV ▲2003년 일본 닛산 X-Trail FCV04 ▲2004년 독일 벤츠 F-Cell ▲2007년 미국 GM Equinox FC ▲2008년 일본 혼다 FCX Clarity 등이 있다.

이선명·김선재 연구원에 따르면, 이후 2013년 2월 현대차에서 양산형 FCEV ‘투싼 ix’를 출시한 이래, 2015년 일본 토요타 ‘Mirai’, 2017년 일본 혼다 ‘Clarity’가 양산 또는 준 양산 체제를 구축했다. 최근 현대차는 새로운 FCEV ‘넥쏘’를 출시해, 자사 FCEV 스펙트럼을 넓혔다. 또 다른 글로벌 완성차 업체인 다임러 벤츠, 닛산, BMW, 아우디, GM 등에서 2020년 내외로 양산형 모델을 출시 계획 중이다.

두 연구원은 “현대차의 수소전기차 양산 체제 구축은 글로벌 업체보다 2년이 빠른 것”이라며, “양산차 기술의 글로벌 선도 역할에 크게 기여한다”고 설명했다. 2018년 2월 국토교통부가 주최한 ‘국제수소에너지 산업포럼’에 따르면, 국내에서 수소전기차 시범 보급을 위한 기반 작업과 배터리, 제어 기술 개발에 대한 지속적 투자의 결과로 국내 수소전기차의 국산화율은 95% 수준으로 나타났다.

특히, 투싼 ix의 파워트레인은 미국 자동차 전문 미디어 ‘워즈 오토(Ward’s Auto)’가 선정한 ‘2015년 세계 10대 최고 엔진’에 선정돼, 국내 FCEV 기술력의 수준을 입증했다. 워즈 오토는 “최고 기술력의 파워트레인이 탑재된 투싼 ix는 전 세계 친환경차 기술 수준의 새로운 도약을 알리는 중요한 모델”이라고 평가했다.

하지만, FCEV 부품의 국산화 수준은 높으나, 충전소 부품의 국산화는 40%에 불과하다. 핵심기술의 고도화도 문제점이다. 고압용기 부품의 소재와 수소저장장치의 핵심 부품은 여전히 수입에 의존하기 때문이다.

자동차 업계 전문가들에 따르면, 전 세계적으로 FCEV의 개발 방향이 승용차 중심에서 최근에는 수소전기버스 연구도 본격적으로 진행되고 있다. 지난 2017년 3월에는 양산형 수소전기버스인 토요타의 ‘Sora’가 시내버스 노선에 투입됐다.

두 연구원은 “수소전기차 기술의 수소전기버스로의 적용은 기술적, 시기적으로 적절하다”며, “국내외 주요 완성차 기업들은 수소전기버스 개발과 출시를 진행 중”이라고 말했다. FCEV 기술은 전기차보다 긴 주행거리와 낮은 연료 무게로 버스 등 대형 차량 적용에 기술적인 장점을 지녔다. 특히, 차량과 충전소의 보급이 모두 미비한 현재 상황에서 인프라 구축에 장점을 갖는 수소전기버스 도입은 수소전기차 보급 확산에도 유리하다.

현대차는 2004년부터 수소전기버스를 개발했다. 현대차 수소전기버스는 2006년 독일 월드컵 시범 운행, 2010년 G20 정상회의, 2012년 여수세계박람회, 2018년 평창올림픽 등에 운영차량으로 지원했다. 또한, 2018년 5월 서울에서 1대를 시범운행 했으며, 10월 울산 3대를 추가, 11월 서울 7대로 확장 운행을 시작했다. 2019년까지 전국 30대 시범운행을 계획 중이다. 현대차는 2020년부터 4세대 수소전기버스를 양산할 계획이다.

현대차 외에도 해외에서는 다임러 벤츠가 도심용 수소전기버스 Citaro 연료전지-하이브리드 모델을 시험운용해 상용화 콘셉트를 실증했으며, 토요타가 2017년 3월 세계 최초 양산형 수소전기버스 Miranos의 시범운행을 시작, 2018년 3월 일본서 수소전기버스 인증을 받은 Sora를 도쿄 시내버스로 투입했다.

업계 전문가들은 수소전기버스의 도입과 친환경에 대한 요구가 전 세계적으로 FCEV의 성장을 촉진 시킬 것으로 전망한다. 이에 국내 FCEV 부품 업체들이 글로벌 경쟁에서 살아남으려면, 기술의 고도화가 필수라고 지적했다.

FCEV, 부품별 기술 수준은?

FCEV 생산에는 스택(연료전지), 운전 장치, 전장 장치, 수소저장장치 등 4개의 주요 기술이 필요하다. 또한, 외적으로 수소 생산, 수소 이동·저장, 수소 충전 기술 등이 주요 기술로 꼽힌다.

KISTEP 이선명·김선재 연구원은 “스택은 수소전기차 원가의 핵심 요소”라며, “막전극접합체 기술 등을 통해 원가 절감을 하는 것이 주요 기술 개발 목표로 기술 개발 중”이라고 설명했다. 실제 스택은 FCEV 원가의 40%를 차지한다. 이는 백금 등 희귀 금속이 다량 들어가기 때문이다.

2002년 스택에 사용된 백금은 200g이었으나, 약 10년 뒤인 2013년 출시된 투싼 xi에는 40% 수준인 80g으로 줄었다. 지속적인 기술 개발로 2015년 Mirai에는 30g, 2016년 Clarity에는 11g까지 백금 함유량을 줄였다. 또한, 백금 대신 그래핀, 금속 카바이트 등 저가 소재를 이용하거나, 백금을 외부 코팅하는 등으로 사용량을 줄이는 방법이 연구 중이다

두 연구원은 “우리나라는 스택 기술에서 기체확산층 기술 수준이 미흡하다는 진단이 있으며, 막전극접합체, 스택 등 주요 부품의 기술 수준 또한 확실한 우위를 접하지 못한다”며, “기술 수준이 미흡한 부품의 국산화, 막전극접합체 기술 개선을 통한 원가 절감, 스택 기술 확보를 통한 확실한 기술 리더십 확보가 필요하다”고 설명했다.

두 번째, 운전 장치는 차량의 운전 상태에 맞게 수소와 공기를 공급하고 열관리를 하는 장치다. 한국은 센서 기술 개발을 통한 수소·차단의 정확도 개선이 진행 중인 것으로 나타났다. 부품이 가장 많고 특허 경쟁이 치열한 분야다. ▲수소공급장치 ▲공기공급장치 ▲열관리장치 등이 대표적인 부품이다.

수소공급장치의 경우, 한국은 수소차단밸브와 재순환기술에서 가격·기술 경쟁력을 갖추고 있다. 반면, 수소농도센서에서 측정신호가 부정확한 등 미흡한 수준으로 독자기술 확보가 시급하다. 이어 공기공급장치에서는 에어필터 부품의 기술 수준이 미흡해, 국산화가 요구된다. 스택 성능과 효율에 큰 영향을 미치는 공기압축기와 가습기 기술은 일부 경쟁력을 확보했다. 또한, 열관리장치에서는 제어밸브와 히터 등 부품 기술이 경쟁력이 있으며, 온필터는 외국 부품 의존도가 높다는 단점이 있다.

세 번째 전장 장치는 생성된 전기를 구동에 맞게 변환하는 장치다. BEV나 PHEV 등 다른 친환경차와 비슷한 부품을 사용하기 때문에 원가를 줄일 수 있는 영역이다. 전력변환시스템, 윤활장치, 냉각장치, 진동저감장치 등이 포함된다.

두 연구원은 “스택의 적층수 저감이 가능한 직류변환기술이 부재해 이에 대한 개발이 요구된다”며, “다른 친환경차와의 기타부품 공용화가 가능하다는 점은 긍정적이다. 다만, 차량의 종류에 따라 사용되는 전압이 달라, 인버터, 컨버터, 고전압 부스터 등은 공용화가 어렵다”고 설명했다.

마지막으로 수소저장장치는 연료인 수소를 저장하는 장치다. 내연기관의 연료공급장치에 해당한다. 수소저장용 고압용기와 이를 스택에 공급하기위한 고압밸브, 배관 등으로 구성된다. 또한, 고온·고압에서 수소 방출과 용기파손 방지를 위한 안전장치와 수소충전장치를 포함한다.

이선명·김선재 연구원에 따르면, 소재 단위에서의 기술 개발을 통한 경량화와 비용 절감이 진행중이다. 수소저장장치는 비용·무게·부피·효율·내구성·충전 시간·안정성 등을 만족시키는 방향으로 기술 개발이 진행된다. 이에 수소저장시스템을 구성하는 소재의 경량화와 비용 절감이 요구된다. 고압용기 부품은 국산화가 진행되고 있으나, 탄소섬유 등 소재 수준에서 수입의존도가 높은 것으로 나타났다.

FCEV 외적으로 수소 생산과 인프라 관련 기술은 생산, 이동·저장, 충전 기술 등이 있으며, 가장 큰 이슈가 되는 분야는 수소생산기술이다. 수소생산기술은 ▲수전해(Water Electrolysis) ▲화석연료 개질(Reforming) ▲부생수소(By-Product Hydrogen ▲생물학적 수소생산 등의 기술이 개발되고 있다.

수전해는 물을 전기 분해해 수소를 생산하는 방식이다. 전기분해에 사용되는 전력원에 따라 에너지 효율과 친환경성 등의 차이가 생긴다. 화석연료개질은 석탄, 천연가스 등 화석연료를 개질해 수소를 생산하는 방식이다. 부생수소는 석유화학공업의 부산물로 발생하는 수소가스를 활용한다. 생물학적 수소생산은 녹조류, 효소, 박테리아 등을 사용해 수소를 생산한다.

한국은 단기적으로 부생수소를 활용하며, 이후 천연가스 개질, 재생에너지를 활용한 수전해 방식으로 수소를 공급할 계획이다. 초기에는 석유화학산업에서 생산된 부생수소로 일부 수용이 되겠지만, 장기적으로는 FCEV의 수요를 감당하기는 힘든 것으로 나타났다. 전문가들은 부생수소와 화석연료 개질은 모두 온실가스가 나올 수밖에 없어 친환경으로 부르기에는 무리가 많다고 지적한다. 진정한 친환경은 고효율의 수전해 기술이 상용화돼야 실현될 수 있다는 것이다.