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[오토저널] 수소전기차 기술개발 동향

글로벌오토뉴스 조회 수556 등록일 2020.01.28
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1990년 초 수소전기차(Hydrogen Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 기술이 개발이 진행되어 1994년 독일 다임러사가 세계최초로 수소전기차 NECAR1을 개발하였다. 이후 많은 완성차가 상용화를 위해 기술이 개발되었으며 2013년 국내 현대차가 세계최초로 양산차인 투싼ix 수소전기차를 출시하였다. 1년 이후 다시 일본 도요타에서 세계최초로 전용 차체를 적용한 미라이 수소전기차가 출시되면서 초기시장이 형성되기 시작하였다.


수소전기차 구동원리
수소전기차의 원리는 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응으로 전기를 발생시키고 발생된 전기로 모터를 구동하는 형태이다. 전기를 발생시키는 장치는 연료전지 스택으로 다양한 연료전지 중에서도 운전온도가 저온이며, 출력밀도 및 시동특성이 우수한 고분자 전해질형 연료전지(PEMFC 또는 PEFC)가 사용되고 있다.

수소전기차는 연료전지 스택(100kW)에 공기와 수소를 공급하고 스택의 온도를 조절하는 운전장치, 수소연료를 저장하는 수소저장장치, 스택에서 생산된 전기를 변화시켜주는 전력변환기, 모터 및 감속기, 스택의 운전을 보조해주는 보조전원(배터리, 1.5kWh) 등으로 구성되어 있다.



수소전기차의 주동력원은 현대자동차 ‘넥쏘’, 도요타 ‘미라이’ 등과 같이 연료전지 스택이지만 2018년 11월에 출시된 메르세데스-벤츠 ‘GLC F-CELL’의 경우 플러그인 수소전기차로 주동력원이 배터리이고 연료전지 스택은 배터리를 충전하거나 보조해주는 역할로 사용된다. 수소전기차를 플러그인 형태로 개발하는 이유는 연료전지를 소형화할 수 있고 연료전지의 부하추종 부담이 줄어 내구성이 향상될 수 있다는 장점이 있기 때문이다. 하지만, 내연기관 엔진이 탑재된 플러그인 하이브리드차에 비해 고가인 단점이 있다.

수소전기차 구동형태는 정상운전시 배터리 도움없이 스택에서 발생된 전기로만 운행되고 가속운전과 저속운전시에 배터리가 작동된다. 감속운전시에는 회생제동장치를 통해 배터리가 충전되는 형태이다.


수소전기차 보급현황
2017년 수소전기차 시장은 3,816대로 처음 수소전기차가 출시된 2013년 63대에 비하여 50배 이상 증가하였다. 2018년 2월까지 전세계에 누적된 승용 수소전기차 대수는 총 7,886대이고 2018년 말 현재 약 1만대의 수소전기차가 운행되는 것으로 알려져 있다. 2018년 2월 기준으로 수소전기차가 가장 많이 보급된 지역은 미국으로 4,249대가 운행 중이며 다음은 일본으로 2,704대가 운행 중이다. 유럽은 승용차만 746대가 운행 중인 것으로 나타나 있으나 버스까지 합치면 약 1천대가 운행 중인 것으로 알려져 있다.




중국의 경우 2017년 한해 1,226대의 수소전기차를 생산한 것으로 발표하였으며 생산된 대부분의 차종이 승용차가 아니라 수소화물차이다.


수소전기차 보급계획
2020년까지 가장 많이 보급할 것이라고 발표한 나라는 독일이지만 자국 내 수소전기차 완성차 출시가 늦어져 달성은 어려울 것으로 보이며 영국, 프랑스도 마찬가지로 전망된다. 유럽을 제외하면 일본이 가장 높은 수소전기차 보급을 목표로 하고 있으며 현재 계획대로 보급될 것으로 보인다.

미국의 경우 현재 가장 많은 수소전기차가 보급되어 있으며 서부에서 시작된 시장이 동부로 확대되고 있어 2020년 10만까지는 어려울 수 있으나 지금과 같이 세계시장의 50% 내외를 차지할 것으로 보인다.



중국의 경우 2020년 5천대라고 발표되었으나 2017년 수소차 생산대수와 랴오닝성, 상하이시, 장쑤성 루가오시, 관둥성 포산시 등 광범위한 지역에 200대의 수소전기차가 운행되는 것을 보면 1만대 이상이 보급될 것으로 여겨진다.


수소전기차 완성차의 변화
지금까지 자동차회사는 자동차 시장에서 머무는 형태가 대부분이였으나 수소전기차의 경우 응용범위가 많아 다양한 산업으로 확장이 가능하다. 일본 도요타의 경우 수소 승용차, 상용차 외에 수소지게차를 생산하고 있으며 컨셉카로 개인이동수단도 전시하기도 하였다. 캐나다 발라드사는 수소버스와 분산발전, 수소지게차 및 무인기용 연료전지시스템을 납품하고 있다.

최근 국내 현대차가 수소전기차의 연료전지시스템을 자동차가 아닌 발전, 선박, 기차 등에도 응용하겠다고 발표한 것은 다른 해외 완성차가 시도하고 있는 타산업으로의 진출에 동참하겠다는 것과 같으며 이로 인해 국내 부품산업이 새로운 시장에 진출하는 효과가 나타날 것으로 여겨진다.


수소상용차 개발 현황
승용 수소전기차 경우 국내 기술이 세계최고 수준에 있으나 상용차의 경우 매우 뒤떨어져 있다. 미국, 유럽 등은 2011년부터 수소상용차에 대한 기술을 개발을 지속적으로 연구하고 있다. 현재 수소상용차의 출시가 1년 정도 되지 않았기 때문에 기술적으로는 우위를 판단하기 어려우나 국내 상용차 개발은 매우 미흡한 상황이라고 볼 수 있다.



이미 일본 도요타 및 중국 유통 등 10여개 업체에서 수소버스 및 상용차를 출시하여 운행 중에 있으며 일본, 미국, 유럽, 중국에서 트럭, 택배차량, 대형트랙터, 물류차량, 청소차, 굴절버스 등 다양한 차종을 실증 중이다.

2017년 다보스 포럼에서 창립된 수소위원회는 수소전기차의 활용도가 승용뿐만 아니라 상용에서 동등 수준의 시장을 가질 것으로 예측하였다. 국내 수소전기차의 시장확대와 소비자의 다양한 차종에 대한 요구를 충족시키기 위해서는 국내 수요뿐만 아니라 수소충전소 구축이 많은 유럽, 미국에 수소승용차와 함께 수소상용차 시장을 확보하는데 노력해야 할 것으로 여겨진다.

글 / 구영모 (자동차부품연구원)

출처 / 오토저널 2019년 2월호 (http://www.ksae.org)

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