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[서울공대] 차석원 교수, 수소전기자동차기술의 소개
작성자
관리자
작성일
2021-07-27
조회
2122
서울대 공대 연구소식 > 신기술 동향
차석원
최초의 수소전기자동차로 알려진, 미국 General Motors사의 쉐보레 일렉트로밴(Chevrolet Electrovan). (GM 홈페이지)
엄청난 가격으로 인해 한대 밖에 생산이 되지는 않았으나, 고분자연료전지는 미국 NASA의 Gemini 프로젝트와 Apollo프로젝트에 참가한 General Electric에 의해 지속적인 발전을 이루게 된다. 이후 1980년대를 통해 미국의 Los Alamos National Lab에서 백금 촉매의 사용을 비약적으로 줄이는 전극 기술이 개발되면서, 경제성이 대폭 개선되고 이에 여러 회사에서 고분자연료전지를 사용한 수소전기자동차의 개발에 참여하게 된다.
1979년에 창립된 캐나다의 Ballard사는 이러한 연료전지개발에 오랜 경험을 지닌 회사로, 1993년에 최초의 연료전지버스를 선보이게 되고, 이후 Honda, Chrysler 사 등과 기술협력을 통해 수소전기자동차를 개발하게 되는데, 현대자동차도 2000년대에 미국의 UTC Fuel Cell사와 기술협력을 통해 수소전기자동차의 개발에 본격적으로 참여하게 된다.
이러한 회사들은 California Fuel Cell Partnership에 참여하여, 2000년에 Sacramento시에 본부를 설립을 통해 수소충전소가 주 전역에 걸쳐 서서히 확보되면서, 자체 개발한 수소전기자동차의 운행 경험을 축적하게 된다. 특히, 현대자동차와 일본의 Toyota, Honda 사는 지속적인 연구개발을 통해 독보적인 수소전기자동차 기술을 확보하고, 독자적인 연료전지시스템 기술을 확보하면서, 현재 양산체제를 갖춘 세계 최고 수준의 자동차회사가 된다.
2019년 말 기준 전세계 수소전지자동차 보급 현황 (2020 IEA)
2019년 말을 기준으로 전세계에 수소전기자동차는 25000여대 이상 보급되어 있다. 특히 2018년에 80%, 2019년에 95%의 증가율을 보이며 급속도로 증가하고 있으며, 아시아가 보급 대수의 절반 이상을 차지하고 있고, 미국, 유럽의 순서로 보급이 되어 있다. 운행 중인 수소전기자동차는 75%가 승용차이고, 버스와 중형 트럭 같은 상용차가 나머지 부분을 차지하고 있는데, 이러한 상용차의 대부분은 중국에서 운행되고 있다. 중국은 국가발전 핵심 전략인 제조업 굴기의 일환으로 수소기술을 선택하였으나, 한국, 일본 등에 비해 열등한 기술수준을 극복하고자, 상대적으로 개발이 용이한 상용차에 수소연료전지를 채택하고, 캐나다 Ballard사의 연료전지 양산공장을 상하이에 대규모로 건설하여, 상용차 보급에 앞장서고, 운영기술을 축적하고 있다.
국가별 수소충전소(Hydrogen Refueling Station, HRS) 당 수소전기자동차 비율 (2020 IEA)
수소전기자동차의 보급도 중요하지만, 수소전기자동차 운영기술의 축적을 위해서는 수소충전소의 보급이 필수적인 요소이다. 아쉽게도, 한국은 수소충전소 당 수소전기자동차의 비율이 세계에서 가장 높은 국가로, 수소충전소가 매우 부족하다. 미국과 중국 또한 이러한 충전소가 부족하나 매우 빠른 속도로 충전소의 보급에 나서고 있고, 전통적인 수소기술의 강국인 일본과 독일은 우수한 충전소 보급률을 자랑한다.
세계각국의 수소전기자동차 및 수소충전소 보급계획 (2020 IEA)
미국, 중국, 일본, 유럽연합 등은 매우 공격적인 수소전기자동차 보급계획을 발표하였고, 이를 실행하기 위해 핵신산업기술에 대규모 투자를 실행하고 있다. 2030년까지 미국의 캘리포니아주는 100만대의 수소전기자동차와 1000곳의 수소충전소를 확보할 계획이고, 중국 또한 같은 목표를 추진하고 있다. 일본은 80만대의, 유럽은 5백만대의 수소전기승용차 보급 계획을 추진한다. 대한민국은 내년까지 8만대, 2040년까지 6백만대 이상의 수소전기자동차를 보급하고, 1200개의 수소충전소를 보급하는 공격적인 계획을 추진하고 있다. 이러한 공격적인 추진계획에는 지난 수십년 간의 연구개발을 통해 수소전기자동차 기술이 충분히 성숙되어 있고, 부품 생산과 양산을 위한 산업생태계가 충분히 갖추어져 있기 때문이다. 현재, 양산을 통해 수소전기자동차를 보급하고 있는 대표적인 회사로는 현대자동차와 일본의 토요다자동차, 혼다자동차가 있으며, 서로 비슷한 기술적 완성도를 보이며 700기압의 수소탱크를 탑재해 600 km 내외의 주행거리를 확보하고 있다.
수소전기자동차의 에너지효율은40% 내외로 20% 수준의 내연기관 자동차보다는 월등히 높으나, 70% 내외인 전기자동차보다는 낮다. 그러나, 여기에는 수소전기자동차에 수소를 공급하는 전 단계인 수소의 생산/운반/충전을 고려한 효율이 고려되어야 하는데, 이러한 과정에서의 효율은 아직 기술발전이 요구되는 부분이 많아 전체적인 효율은 20% 이하로 내려가게 된다. 다만, 향후 기술개발에 따른 개선의 여지가 많고, 전기자동차의 경우도 전기생산방식에 따른 효율성과 탄소배출 및 환경영향 등을 고려해야 하기 때문에, 단순한 자동차 간의 효율 비교는 무의미 하다. 수소전기자동차는 모터, 배터리 및 전장장치로 이루어진 전기자동차와 매우 유사한 구조를 지니고 있어, 토요다사는 약 60%정도의 부품을 전기자동차와 공유가 가능하다고 알려져 있다. 그러나, 나머지를 차지하는 연료전지시스템과 수소저장시스템의 구성은 매우 높은 기술적 난이도를 요구하기 때문에, 앞서 언급한 자동차 3사 이외에는 아직 양산이 가능한 수소전기승용차를 제작하지 못하고 있다. 수소저장시스템은 고압수소에서도 안정한 배관, 밸브, 압력조절기 등과 함께 탄소섬유로 강화된 수소저장용기 등 오랜 연구개발이 필요한 부품들로 구성되어 있다. 그리고, 연료전지시스템은 다시 연료전지스택, 수소공급/재순환장치, 공기공급/가습장치, 열관리장치 등의 복잡한 시스템으로 구성된다.
수소전기자동차의 시스템 구성도
이중에서도 핵심이 되는 연료전지스택은 전해질 역할을 하는 이온전도막 (membrane), 전극 역할을 하는 촉매/기체확산층 (catalyst with gas diffusion layer), 공기와 수소를 전극의 전체 면적에 공급하기 위해 유로패턴이 형성된 양극판 (bipolar-plate)으로 구성되어 있는데, 막-전극-양극판으로 구성된 하나의 단위 셀은 작동 시에 0.6V 내외의 낮은 전압을 발생하기 때문에, 이를 수십에서 수백 장을 적층하면, 직렬 연결이 되어, 고압의 유용한 전력을 공급하는 형태로 이루어져 있다. 특히, 연료전지스택의 성능은 앞서 언급한 모든 부품의 영향을 받게 되는데, 이온전도막, 촉매, 기체확산층, 양극판 등 부품의 특성이 매우 중요한 동시에, 유로패턴의 모양과 스택의 조립 방식 등 제작과 설계기술에도 큰 영향을 받기 때문에, 소재부터 시스템 기술이 종합적으로 고려되어야 하는 최고난도 기술로 평가된다.
연료전지스택의 구성도
다행스러운 점은, 지난 20년 이상의 정부 및 산업체의 연구지원을 통해, 연료전지시스템과 수소저장시스템의 핵심소재/부품과 시스템기술이 대부분 국산화가 이루어져 있어, 제조업 생태계가 잘 형성되어 있다는 것이다. 항상 반복되는 이야기지만, 세계최고 수준의 선도적인 기술의 축적을 위해서는, 오랜 기간 동안의 지속적인 연구개발 지원이 중요함이 다시 한번 강조될 수 밖에 없다.
현대자동차의 NEXO 수소전기자동차의 가격은 7000만원 정도로, 일본 토요다 사의 MIRAI수소전기자동차도 비슷한 가격에 판매를 하고 있으며, 아직은 고가의 차량이다. 물론 정부와 지방정부의 보조금 정책에 따라 3500만원 정도에 구매를 할 수 있지만, 수소전기자동차의 보급확대를 위해서는 기술적 완성도와 함께 가격경쟁력이 매우 중요하다. 현재 내연기관 자동차의 가격을 고려하면 향후 적정가격이 4000만원이하로 내려가도록 해야 하는데, 이러한 목표를 위한 유럽연합의 FCH (Fuel Cell and Hydrogen), 미국의 DOE (Department of Energy) 등 다양한 정부기관에서 분석을 수행하였다.
수소전기자동차의 가격요소 분석 (2015 DOE)
분석결과를 바탕으로 보면, 비슷한 결론을 도출하고 있는데, 현재 수소전기자동차 가격의 반을 차지하는 연료전지시스템의 가격이 향후 30년간 약 1/10 수준으로 감소하면서, 가격목표를 달성할 것으로 예측하고 있다. 그리고, 이러한 달성은 수소전기자동차의 대량생산에 의해서만 가능한데, 차량의 생산량이 10만대 전후에서 이러한 가격 절감이 이루어지고, 대략 2030년경이면 가격 목표에 근접할 것으로 예측하고 있다. 따라서, 수소생산산설비와 수소충전소와 같은 인프라의 확충이 정부와 산업계의 지원으로 지속적으로 이루어 지고, 이와 맞추어 수소전기자동차의 대량생산이 계획대로 이루어 진다면, 수소사회의 실현과 함께, 수소전기자동차를 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 시대가 곧 올 것으로 생각된다.
출처: https://webzine-eng.snu.ac.kr/web/vol120/sub0103_p3.html
차석원
서울대학교 기계공학부 교수
수소전기자동차기술의 소개
수소전기자동차 혹은 수소연료전지자동차는 수소를 연료로 이용하고, 배기가스로는 물만 배출되는 대표적인 친환경 자동차로, 자동차가 많은 도심에서나, 도시간의 이동에서 친환경 주행이 가능한 장점이 있다.
최초의 수소전기자동차는 미국의 General Motors (GM) 사에서 1966년에 소개한 Chevrolet Electrovan으로 알려져 있다. 고분자전해질연료전지 (PEMFC)을 사용하였으며, 120마일을 주행할 수 있고, 최고시속은 70마일이었으나, 기술의 한계로 인해 수소용기와 산소용기를 동시에 탑재하여야 하고, 큰 부피를 차지하는 연료전지로 인해 차량 공간의 대부분을 연료전지시스템이 차지하고, 두명 만 탐승이 가능하였다.
최초의 수소전기자동차는 미국의 General Motors (GM) 사에서 1966년에 소개한 Chevrolet Electrovan으로 알려져 있다. 고분자전해질연료전지 (PEMFC)을 사용하였으며, 120마일을 주행할 수 있고, 최고시속은 70마일이었으나, 기술의 한계로 인해 수소용기와 산소용기를 동시에 탑재하여야 하고, 큰 부피를 차지하는 연료전지로 인해 차량 공간의 대부분을 연료전지시스템이 차지하고, 두명 만 탐승이 가능하였다.
최초의 수소전기자동차로 알려진, 미국 General Motors사의 쉐보레 일렉트로밴(Chevrolet Electrovan). (GM 홈페이지)
엄청난 가격으로 인해 한대 밖에 생산이 되지는 않았으나, 고분자연료전지는 미국 NASA의 Gemini 프로젝트와 Apollo프로젝트에 참가한 General Electric에 의해 지속적인 발전을 이루게 된다. 이후 1980년대를 통해 미국의 Los Alamos National Lab에서 백금 촉매의 사용을 비약적으로 줄이는 전극 기술이 개발되면서, 경제성이 대폭 개선되고 이에 여러 회사에서 고분자연료전지를 사용한 수소전기자동차의 개발에 참여하게 된다.
1979년에 창립된 캐나다의 Ballard사는 이러한 연료전지개발에 오랜 경험을 지닌 회사로, 1993년에 최초의 연료전지버스를 선보이게 되고, 이후 Honda, Chrysler 사 등과 기술협력을 통해 수소전기자동차를 개발하게 되는데, 현대자동차도 2000년대에 미국의 UTC Fuel Cell사와 기술협력을 통해 수소전기자동차의 개발에 본격적으로 참여하게 된다.
이러한 회사들은 California Fuel Cell Partnership에 참여하여, 2000년에 Sacramento시에 본부를 설립을 통해 수소충전소가 주 전역에 걸쳐 서서히 확보되면서, 자체 개발한 수소전기자동차의 운행 경험을 축적하게 된다. 특히, 현대자동차와 일본의 Toyota, Honda 사는 지속적인 연구개발을 통해 독보적인 수소전기자동차 기술을 확보하고, 독자적인 연료전지시스템 기술을 확보하면서, 현재 양산체제를 갖춘 세계 최고 수준의 자동차회사가 된다.
2019년 말 기준 전세계 수소전지자동차 보급 현황 (2020 IEA)
2019년 말을 기준으로 전세계에 수소전기자동차는 25000여대 이상 보급되어 있다. 특히 2018년에 80%, 2019년에 95%의 증가율을 보이며 급속도로 증가하고 있으며, 아시아가 보급 대수의 절반 이상을 차지하고 있고, 미국, 유럽의 순서로 보급이 되어 있다. 운행 중인 수소전기자동차는 75%가 승용차이고, 버스와 중형 트럭 같은 상용차가 나머지 부분을 차지하고 있는데, 이러한 상용차의 대부분은 중국에서 운행되고 있다. 중국은 국가발전 핵심 전략인 제조업 굴기의 일환으로 수소기술을 선택하였으나, 한국, 일본 등에 비해 열등한 기술수준을 극복하고자, 상대적으로 개발이 용이한 상용차에 수소연료전지를 채택하고, 캐나다 Ballard사의 연료전지 양산공장을 상하이에 대규모로 건설하여, 상용차 보급에 앞장서고, 운영기술을 축적하고 있다.
국가별 수소충전소(Hydrogen Refueling Station, HRS) 당 수소전기자동차 비율 (2020 IEA)
수소전기자동차의 보급도 중요하지만, 수소전기자동차 운영기술의 축적을 위해서는 수소충전소의 보급이 필수적인 요소이다. 아쉽게도, 한국은 수소충전소 당 수소전기자동차의 비율이 세계에서 가장 높은 국가로, 수소충전소가 매우 부족하다. 미국과 중국 또한 이러한 충전소가 부족하나 매우 빠른 속도로 충전소의 보급에 나서고 있고, 전통적인 수소기술의 강국인 일본과 독일은 우수한 충전소 보급률을 자랑한다.
세계각국의 수소전기자동차 및 수소충전소 보급계획 (2020 IEA)
미국, 중국, 일본, 유럽연합 등은 매우 공격적인 수소전기자동차 보급계획을 발표하였고, 이를 실행하기 위해 핵신산업기술에 대규모 투자를 실행하고 있다. 2030년까지 미국의 캘리포니아주는 100만대의 수소전기자동차와 1000곳의 수소충전소를 확보할 계획이고, 중국 또한 같은 목표를 추진하고 있다. 일본은 80만대의, 유럽은 5백만대의 수소전기승용차 보급 계획을 추진한다. 대한민국은 내년까지 8만대, 2040년까지 6백만대 이상의 수소전기자동차를 보급하고, 1200개의 수소충전소를 보급하는 공격적인 계획을 추진하고 있다. 이러한 공격적인 추진계획에는 지난 수십년 간의 연구개발을 통해 수소전기자동차 기술이 충분히 성숙되어 있고, 부품 생산과 양산을 위한 산업생태계가 충분히 갖추어져 있기 때문이다. 현재, 양산을 통해 수소전기자동차를 보급하고 있는 대표적인 회사로는 현대자동차와 일본의 토요다자동차, 혼다자동차가 있으며, 서로 비슷한 기술적 완성도를 보이며 700기압의 수소탱크를 탑재해 600 km 내외의 주행거리를 확보하고 있다.
 현대 NEXO |
 토요다 MIRAI |
 혼다 CLARITY |
|
| 주행거리 (km) |
666 | 502 | 650 |
| 수소용량 | 6.33kg (700기압, 3개 탱크) | 5kg (700기압, 2개 탱크) | 5.46kg (700기압, 2개 탱크) |
| 공차중량 (kg) |
1814 | 1850 | 1875 |
| 크기 (mm) (길이X폭 X높이) |
4670 X 1860 X 1630 | 4890 X 1815 X 1535 | 4915 X 1875 X 1480 |
현대자동차, 토요다자동차, 혼다자동차에서 양산 중인 수소전기자동차
수소전기자동차의 에너지효율은40% 내외로 20% 수준의 내연기관 자동차보다는 월등히 높으나, 70% 내외인 전기자동차보다는 낮다. 그러나, 여기에는 수소전기자동차에 수소를 공급하는 전 단계인 수소의 생산/운반/충전을 고려한 효율이 고려되어야 하는데, 이러한 과정에서의 효율은 아직 기술발전이 요구되는 부분이 많아 전체적인 효율은 20% 이하로 내려가게 된다. 다만, 향후 기술개발에 따른 개선의 여지가 많고, 전기자동차의 경우도 전기생산방식에 따른 효율성과 탄소배출 및 환경영향 등을 고려해야 하기 때문에, 단순한 자동차 간의 효율 비교는 무의미 하다. 수소전기자동차는 모터, 배터리 및 전장장치로 이루어진 전기자동차와 매우 유사한 구조를 지니고 있어, 토요다사는 약 60%정도의 부품을 전기자동차와 공유가 가능하다고 알려져 있다. 그러나, 나머지를 차지하는 연료전지시스템과 수소저장시스템의 구성은 매우 높은 기술적 난이도를 요구하기 때문에, 앞서 언급한 자동차 3사 이외에는 아직 양산이 가능한 수소전기승용차를 제작하지 못하고 있다. 수소저장시스템은 고압수소에서도 안정한 배관, 밸브, 압력조절기 등과 함께 탄소섬유로 강화된 수소저장용기 등 오랜 연구개발이 필요한 부품들로 구성되어 있다. 그리고, 연료전지시스템은 다시 연료전지스택, 수소공급/재순환장치, 공기공급/가습장치, 열관리장치 등의 복잡한 시스템으로 구성된다.
수소전기자동차의 시스템 구성도
이중에서도 핵심이 되는 연료전지스택은 전해질 역할을 하는 이온전도막 (membrane), 전극 역할을 하는 촉매/기체확산층 (catalyst with gas diffusion layer), 공기와 수소를 전극의 전체 면적에 공급하기 위해 유로패턴이 형성된 양극판 (bipolar-plate)으로 구성되어 있는데, 막-전극-양극판으로 구성된 하나의 단위 셀은 작동 시에 0.6V 내외의 낮은 전압을 발생하기 때문에, 이를 수십에서 수백 장을 적층하면, 직렬 연결이 되어, 고압의 유용한 전력을 공급하는 형태로 이루어져 있다. 특히, 연료전지스택의 성능은 앞서 언급한 모든 부품의 영향을 받게 되는데, 이온전도막, 촉매, 기체확산층, 양극판 등 부품의 특성이 매우 중요한 동시에, 유로패턴의 모양과 스택의 조립 방식 등 제작과 설계기술에도 큰 영향을 받기 때문에, 소재부터 시스템 기술이 종합적으로 고려되어야 하는 최고난도 기술로 평가된다.
연료전지스택의 구성도
다행스러운 점은, 지난 20년 이상의 정부 및 산업체의 연구지원을 통해, 연료전지시스템과 수소저장시스템의 핵심소재/부품과 시스템기술이 대부분 국산화가 이루어져 있어, 제조업 생태계가 잘 형성되어 있다는 것이다. 항상 반복되는 이야기지만, 세계최고 수준의 선도적인 기술의 축적을 위해서는, 오랜 기간 동안의 지속적인 연구개발 지원이 중요함이 다시 한번 강조될 수 밖에 없다.
현대자동차의 NEXO 수소전기자동차의 가격은 7000만원 정도로, 일본 토요다 사의 MIRAI수소전기자동차도 비슷한 가격에 판매를 하고 있으며, 아직은 고가의 차량이다. 물론 정부와 지방정부의 보조금 정책에 따라 3500만원 정도에 구매를 할 수 있지만, 수소전기자동차의 보급확대를 위해서는 기술적 완성도와 함께 가격경쟁력이 매우 중요하다. 현재 내연기관 자동차의 가격을 고려하면 향후 적정가격이 4000만원이하로 내려가도록 해야 하는데, 이러한 목표를 위한 유럽연합의 FCH (Fuel Cell and Hydrogen), 미국의 DOE (Department of Energy) 등 다양한 정부기관에서 분석을 수행하였다.
수소전기자동차의 가격요소 분석 (2015 DOE)
분석결과를 바탕으로 보면, 비슷한 결론을 도출하고 있는데, 현재 수소전기자동차 가격의 반을 차지하는 연료전지시스템의 가격이 향후 30년간 약 1/10 수준으로 감소하면서, 가격목표를 달성할 것으로 예측하고 있다. 그리고, 이러한 달성은 수소전기자동차의 대량생산에 의해서만 가능한데, 차량의 생산량이 10만대 전후에서 이러한 가격 절감이 이루어지고, 대략 2030년경이면 가격 목표에 근접할 것으로 예측하고 있다. 따라서, 수소생산산설비와 수소충전소와 같은 인프라의 확충이 정부와 산업계의 지원으로 지속적으로 이루어 지고, 이와 맞추어 수소전기자동차의 대량생산이 계획대로 이루어 진다면, 수소사회의 실현과 함께, 수소전기자동차를 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 시대가 곧 올 것으로 생각된다.
출처: https://webzine-eng.snu.ac.kr/web/vol120/sub0103_p3.html
