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수소에너지 대중화의 핵심 기술
현대자동차그룹의 차세대 연료전지 시스템

2021-09-09

현대자동차그룹이 '하이드로젠 웨이브(Hydrogen Wave)'를 통해 미래 수소사회 비전과 다양한 솔루션을 제시했다. 그중 새롭게 공개한 차세대 연료전지 시스템은 수소에너지 대중화 시대를 앞당길 핵심 기술이다.

탈탄소화를 향한 세계 각국의 노력이 이어지고 있는 가운데 현대자동차그룹 역시 탄소중립을 위한 에너지 패러다임의 전환을 꾀하고 있다. 현대차그룹은 1998년부터 수소연료전지 개발을 시작하며 친환경 시대를 준비해왔으며, 최근에는 하이드로젠 웨이브를 통해 2040년 수소에너지 대중화를 목표로 하는 ‘수소비전 2040’을 발표했다.

출력, 부피, 내구성, 가격경쟁력 등 여러 면에서 진화한 차세대 연료전지 시스템

현대차그룹은 하이드로젠 웨이브에서 수소에너지 대중화 시대를 앞당길 핵심 기술인 차세대 연료전지 시스템의 시제품을 공개했다. 차세대 연료전지 시스템은 성능, 부피, 내구성, 가격 경쟁력 등 다방면에서 혁신을 실현했다. 현대차그룹은 향후 차세대 연료전지 시스템을 다양한 수소 모빌리티에 적용할 계획이다.

현대차 넥쏘는 우수한 연료전지 시스템으로 수소전기차의 친환경적인 성능을 전 세계에 알렸다

수소 모빌리티의 심장인 연료전지 시스템은 내연기관 자동차의 엔진과 같은 역할을 한다. 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기에너지를 만들고, 이 전기에너지로 모터를 구동한다. 최근 글로벌 자동차 시장에서 탄소 배출이 없는 친환경 자동차로 수소전기차(FCEV)가 많은 주목을 받고 있는데, 3~5분에 불과한 빠른 충전 시간과 순수한 물만 배출하는 것이 가장 큰 장점이다.

현대차그룹은 1998년부터 수소에너지 활용 기술 개발에 매진했고, 그 결과 2013년 세계 최초로 수소전기차 양산에 성공했다. 2018년에는 2세대 연료전지 시스템을 기반으로 수소전기차 넥쏘를 출시했으며, 2020년에는 세계 최초로 수소전기 대형트럭 양산체제를 갖췄다. 이처럼 현대차그룹이 개척해온 수소연료전지 기술을 통해, 수소에너지는 점차 소비자와의 접점을 늘려가고 있다. 최초의 내연기관이 대중화를 통해 누구나 쉽게 활용할 수 있는 동력원이 된 것처럼, 현대차그룹의 차세대 연료전지 시스템의 개발 역시 수소에너지의 대중화에 초점이 맞춰져 있다.

수소에너지를 대중화하기 위해서는 연료전지 시스템의 가격경쟁력과 장기간 고장 없이 주행 가능한 내구성 확보가 필수이며, 수소 충전 인프라 구축과 기술혁신 등 여러 과제를 해결해야 한다.

연료전지 셀의 구조

현대차그룹은 끊임없는 연구를 거듭한 결과, 기존의 한계를 극복한 차세대 연료전지 시스템을 개발했다. 연료전지 시스템의 핵심은 다수의 셀이 결합된 스택이다. 셀은 수소와 산소를 공급하는 통로를 만들어 주고 스택 구조를 지지하는 2개의 금속 분리판(Bipolar Plate)과 기체확산층(GDL, Gas Diffusion Layer), 수소와 산소의 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)로 구성돼 있는데, 이 부품들의 가격을 낮추는 것이 중요하다. 이를 위해 현대차그룹은 차세대 연료전지 시스템의 분리막을 고가의 티타늄 대신 스틸 기반의 소재로 대체하고 촉매로 사용되는 백금의 사용량을 줄여 경쟁력을 확보했다.

이처럼 꾸준한 연구 개발 결과 연료전지 시스템의 가격은 20년 전보다 약 98%나 낮아졌다. 2003년 프로토타입 FCEV의 연료전지 시스템 가격은 당시 고급 주택 한 채 가격이었으나 2006년 프로토타입 연료전지는 절반 수준으로, 2013년 투싼 ix 수소전기차에 탑재된 1세대 연료전지 시스템은 10% 수준으로 줄었다. 2018년 출시한 넥쏘 또한 이러한 원가 혁신 과정을 통해 현재의 가격을 달성했으며, 차세대 연료전지 시스템의 가격은 초기 프로토타입의 2% 수준에 머무를 것으로 전망하고 있다.

현대차그룹은 2030년까지 수소전기차의 가격 경쟁력을 배터리 전기차 수준까지 확보하는 것이 목표다. 이를 위해 대량 생산이 가능한 부품을 개발해 연료전지에 적용하고 밸브와 센서 등의 세부 기술 개선을 통해 적극적으로 원가를 낮출 계획이다.

현대차그룹의 연료전지 시스템은 내구성 면에서도 빠르게 개선되고 있다. 최초로 개발한 연료전지 시스템은 3만km(800시간)의 내구 성능을 갖췄지만 1세대 연료전지 시스템은 10만km(3,000시간), 넥쏘는 16만km(5,000시간)로 내연기관 수준을 확보했다. 차세대 연료전지 시스템 중 상용차용 고내구 연료전지 시스템은 약 50만km의 주행 거리를 목표로 하고 있다.

좌측부터 1세대, 2세대, 차세대(100kW, 200kW) 연료전지 시스템

부피가 작아진 것 역시 차세대 연료전지 시스템의 주요 특징이다. 차세대 연료전지 시스템은 출력에 따라 100kW급과 200kW급으로 나뉘어 있다. 100kW급은 기존 넥쏘의 시스템 대비 부피가 70% 수준으로 줄었으며, 200kW급은 넥쏘 시스템과 부피는 동일하지만 출력은 2배 높다.

차세대 연료전지 시스템을 활용한 파워 유닛 모듈은 필요 전력량에 따라 500kW~1MW급 대용량 발전 시스템을 구축할 수 있다.

파워 유닛 모듈

부피와 가격을 줄이고, 출력과 내구성은 높인 현대차그룹의 차세대 연료전지 시스템은 2023년 양산을 목표로 발전을 거듭하고 있다. 차세대 연료전지 시스템은 수소 모빌리티 외에도 다양한 분야에서 활용이 가능하다.

대표적인 것이 ‘파워 유닛 모듈’과 ‘풀 플랫형 시스템’이다. MW급 대용량 발전을 위한 파워 유닛 모듈은 필요 전력량에 따라 100kW급 연료전지 시스템을 상하좌우로 확장해 500kW~1MW급 대용량 발전 시스템을 구축할 수 있다. 향후 많은 전력량이 필요한 발전소나 전력 공급이 어려운 오지 건물의 보조 동력, 대형 선박과 기차 등 대형 운송 수단에도 활용할 수 있다.

풀 플랫형 연료전지 시스템은 PBV, MPV, 버스, 트램, 소형 선박 등에 탑재할 수 있는 구조로 되어 있다

풀 플랫형 시스템은 높이가 약 25cm에 불과해 MPV(다목적 차량)와 SUV는 물론 PBV(목적 기반 모빌리티), 트램, 버스, 소형 선박 등 다양한 모빌리티에 폭넓게 활용할 수 있다. 기본 출력은 105kW 수준이지만, 용도에 따라 200~300kW로 자유롭게 변경할 수 있어 쓰임새가 다양하다.

현대차그룹은 수소에너지가 ‘누구나, 모든 것에, 어디에나(Everyone, Everything, Everywhere)’ 쉽고 편하게 쓰일 수 있는 수소사회를 구현할 계획이다.

현대차그룹은 2040년까지 UAM, 로봇, 항공기, 대형 선박 등에도 연료전지 시스템 적용을 확대할 예정이다. 모든 이동수단에 수소연료전지를 적용하고, 수소에너지가 ‘누구나, 모든 것에, 어디에나(Everyone, Everything, Everywhere)’ 쉽고 편하게 쓰일 수 있는 수소사회를 실현하기 위해서다. 차세대 연료전지 시스템은 이런 수소사회를 앞당기는 첫걸음이 될 것이다.