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[오토저널] 일본의 최근 수소 연료전지 자동차 관련 기술 동향

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글 : desk(webmaster@global-autonews.com)
승인 2022-04-04 10:00:33

본문

일본의 Toyota가 2020년 12월 수소 연료전지 자동차(FCEV) Mirai(미라이) 2세대 모델을 출시했다. FCEV는 친환경차로서 주목을 받고 있지만, 충전 인프라 이슈 등으로 배터리 전기차(BEV) 등 다른 친환경차에 비해 보급률이 낮은 상황이다. 본고에서는 Toyota의 MIRAI 2세대에 대해 알아보고, 일본에서 그 동안 FCEV의 보급이 확대되지 못한 이유 및 관련 이슈에 대해 살펴보기로 한다.

Toyota의 수소 연료전지 자동차 2세대 Mirai 출시
Toyota는 수소 연료전지 자동차(FCEV) Mirai 1세대 모델 출시 후 6년만에 2세대 모델을 출시했다. 1세대와 2세대의 주요 제원을 비교해 보면, 2세대 모델은 전륜구동 방식을 사용한 1세대와 달리 후륜구동 방식을 도입했고, 차체가 커지는 등 눈에 띄는 변화가 보인다<표 1>. <그림 1>과 같이 2세대 모델은 연료전지 스택을 전륜 쪽으로 가져가고, 차량 전후 50대 50의 무게 배분을 고려하여 부품을 배치했다. 수소탱크는 기존 2개에서 3개로 늘리면서 수소 저장 용량이 18% 정도 증가했으며, 1충전 주행거리는 29% 정도 증가했다. 

연료전지(FC) 스택의 출력밀도 및 최고출력도 개선되었다. FC 스택은 자체 보호를 위해 알루미늄 압출재로 스택 프레임을 제작했으며, 소형화·경량화와 함께 높은 굽힘 강성을 확보했다. 스택 프레임 앞단의 흡수재는 차량 충돌 시 충격을 완화하여 스택을 보호한다<그림 2>. 또한, 고가 재료인 백금 촉매의 사용량을 줄이고, 연료전지 스택의 단위 면적당 출력을 15% 향상시켰다. 스택 내 셀수 또한 370개에서 330개로 줄이고 부피를 감축하여 40% 경량화를 도모했다.

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Toyota는 <표 2>와 같이 FC 모듈을 제품화하여 타 수소전기차 제조사로의 공급도 준비하고 있다. 제작한 FC 모듈은 전압 범위가 넓고, FC 전용 컨버터를 내장하여 모터·인버터·배터리 등 기존 파워트레인 부품에 직접 연결할 수 있도록 호환성을 갖추었다. 용도에 따라 4타입의 모듈을 조합함으로써 다양한 출력을 갖는 시스템을 구성할 수 있고, 공간 최적화가 용이하다. 또한, 모듈화를 통해 FC 시스템 관련 부품을 개별적으로 탑재하기 위한 설계 및 각 부품 간의 접속이 불필요해지며, <그림 3>과 같이, 냉각장치, 에어클리너 등 부품과의 연결작업을 단순화시킬 수 있다.

<그림 4>에 2세대 Mirai의 수소탱크를 구성하는 소재를 나타낸다. 내부 라이너에는 폴리아미드계 수지 ‘UBE NYLON 1218IU’를 사용했다. 1218IU는 수소 투과 억제 성능과 함께 수소 가스의 충전이나 방출에 의해 발생하는 탱크온도의 급격한 변화에 대한 내구성, 저온 환경에서의 내충격성 등 높은 기계적 성질을 갖추었다. 탱크 외부는 가볍고 높은 강도를 가진 탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastic, CFRP)을 덮어 강도 및 탄성을 확보했다. 차량 화재 등으로, 탱크 내부 온도가 상승하여 허용 범위를 벗어났을 경우, 밸브를 열고 내부의 수소를 날려보내어 탱크의 파열을 방지한다. 2세대 MIRAI에 적용된 수소탱크는 내압강도를 유지하면서 CFRP층 두께 극소화로 내부 용적을 늘려, 1세대 모델에 비해 수소 저장 효율(탱크 중량 당 수소저장량)이 약 10% 개선되었다.

 수소 누출을 검지하는 센서는 <그림 5>와 같이 연료전지스택이나 수소탱크 등에 설치되어 연료전지 시스템 기동 시부터 종료시까지 수소 누설이 없는지, 밸브가 정상적으로 닫혀 있는지 모니터링한다. 일정 농도 이상의 수소 누출을 감지할 경우 경고등을 통해 운전자에게 알린다. 수소 탱크와 연료전지 스택은 수소가 새어나가도 밖으로 빠지기 쉽고 확산되기 쉬운 구조로 설계되어 있어 수소 누출로 인한 사고 발생시 안전을 확보한다.

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1세대 Mirai 판매가 부진했던 이유
앞에서 살펴본 바와 같이 Toyota의 FCEV 최신 모델은 기존 모델에 비해 눈에 띄는 성능 개선 및 고급화를 이루었다. 일본에서 FCEV는 2008년에 Honda가 ‘FCX클래리티’를 판매하기 시작하여, 극히 소수이지만 미국에서 리스로 차량을 보급했고, 2014년에는 Toyota가 1세대 Mirai에서 차량 가격을 명시한 리테일 판매를 시작했다. 이처럼 일본에서 짧지 않은 역사를 이어온 FCEV는 현재 배터리 전기차(BEV), 플러그인 하이브리드카(PHEV) 등 다른 친환경차에 비해 자국 시장에서 두각을 나타내지는 못하고 있다.

1세대 Mirai 판매가 부진했던 이유는, 당시 수소충전 인프라가 갖춰지지 않은 상태였고, 인프라가 사용 가능한 지역이나 사용자 수가 한정되어 있었다는 것이 주로 언급되고 있지만, 높은 유지 비용이 그 이상의 이슈라고 할 수 있다. 일본 수소충전소에서의 수소공급가격은 kg당 1,200엔(약 12,240원) 정도이다. 가솔린, 디젤 연료 가격은 한국과 일본 간 근소한 차이를 보이지만, 수소 가격은 국내 판매 가격이 수소 1kg 당 8,000~9,000원 정도로 차이가 있어 일본 소비자가 체감하는 수소 가격은 높을 수 밖에 없다. 일본 제조사의 일반 차량 모델과 비교하면 일본 소비자의 입장에서는 하이브리드 차량 모델을 타는 편이 훨씬 연료비를 절약할 수 있으며, FCEV는 엔진 차량이나 전기차에 비해 출력이 낮아 성능 면에서도 우위를 찾기 어렵다고 볼 수 있다.

FCEV와 수소 연료의 에너지 효율
FCEV의 장점으로, 수소를 소비해 주행하는 단계에서는 BEV와 같이, CO2와 유해 성분을 배출하지 않는 것이 주로 언급된다. 또한, 연료 보급은 액체 연료인 가솔린이나 경유만큼 신속하지는 않지만, 10분 이내에 500km 내지 그 이상의 연료 충전을 할 수 있는 것과, 내연기관차에 비해 정숙성이나 저진동 같은 부분에서 이점은 갖고 있다. 그에 반해, FCEV가 출시된 이후, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)를 사용하는 차량의 약점이었던 에너지의 이용 효율은 개선되고 있긴 하지만, 근본적인 해결을 위해서는 아직 넘어야 할 산이 많음을 일본의 전문가들은 지적하고 있다.

수소의 단위 질량 당 화학에너지는 142MJ/kg이다. 전력량 1kWh는 3.6MJ이므로 수소 1kg은 전력량 39.44kWh에 해당된다. 이번 Toyota의 제2세대 MIRAI의 연비는 EPA(미국 환경보호청) 기준으로 수소 1kg당 116km 정도이며, BEV의 전력 소비율로 환산하면 약 2.93km/kWh이 구해진다. 차량 사이즈가 다소 차이가 있기는 하지만 Tesla의 BEV인 모델 3의 효율이 6km/kWh 정도이므로, FCEV의 효율을 회의적으로 보는 시각이 존재한다.

수소를 제조하는 데는 여러 가지 방법이 있다. 천연가스 석탄 알코올 등에서 수소만 뽑아내는 개질(Reforming), 전기를 통해 물을 수소와 산소로 분해하는 수전해, 제철소나 정유소, 가성소다 등의 생산 공정에서 발생하는 부생수소를 연료전지에 사용할 수 있도록 고순도화하는 방식이다. 그 중 수전해 방식은 신재생 에너지와 연계하여 CO2 배출을 억제할 수 있는 그린수소 방식으로써 기대를 받고 있다. 하지만, 1kg의 수소를 얻기 위해 50kWh 정도의 전력이 요구되며, 초저온 액화, 초고압에 대한 가압 등 기체수소를 이용하기 쉬운 형태로 만들기 위해서는 더욱 에너지를 가할 필요가 있어 에너지 효율 측면에서 비판적인 의견이 나오기도 한다.

일본의 수소 충전 인프라 현황
일본의 경제산업성의 외부 조직인 차세대 자동차 진흥센터(NEV)에 의하면, 일본의 수소 충전스테이션의 수는 구축 계획을 반영하여 2021년 12월 시점에 일본 전국에 135개소가 될 전망이다. 하지만, 일본의 수소 스테이션의 내용을 들여다 보면, 이동형이 많은데, 수소공급장치를 갖춘 트럭이 예를 들어 월, 목요일은 A지점, 화, 금요일은 B지점으로 돌아가며 운영되면 이를 2곳으로 계산하고 있어 상시 이용 가능한 충전스테이션은 그 수가 발표된 것보다 적을 수 있다. 충전스테이션도 평일 낮에만 열려 있는 곳이 많고, 서비스 중지 상태인 경우가 자주 있으며, FCEV가 거의 보급되어 있지 않기 때문에 영업을 해도 대부분 개점 휴업인 곳이 많아 문제를 안고 있다.

일본의 최근 수소전기차 및 관련 인프라 현황 등을 살펴보았다. 수소전기차는 성능 및 효율 측면에서 비판적인 의견이 제기되기도 하지만, 최근 글로벌 시장이 급격히 저탄소를 향해 움직이고 있어, FCEV가 대안으로 성장할 가능성이 점차 높아지고 있다. 특히 BEV로 대응이 어려운 중장거리 물류용 차량의 경우 다양한 실질적인 보급 시도들이 이루어지고 있으며, 이러한 흐름속에서 수소 인프라가 확대된다면 승용차를 포함한 추가적인 보급도 가능할 것으로 보인다. 동시에 저가의 친환경 수소를 생산, 이송, 보급할 수 있는 다양한 기술들도 연구되고 있는데, 결국 소비자가 체감하는 유지비용 측면에서 경쟁력있는 수소 가격을 달성하는 것이 FCEV 보급의 전제조건이 될 것이다. FCEV 차량 가격(제조 원가) 측면에서도 향후 내연기관 및 저가화된 BEV와 직접 경쟁가능한 수준 달성을 위해서는 아직 과제들이 많은 것으로 판단된다. 최근 급격한 배터리 저가화 및 배터리 제어 기술 향상에 기반한 BEV 상품성의 혁신적 변화를 지켜보면서, FCEV 측에서는 MIRAI 2세대에 이은 어떤 반격을 할 수 있을지 흥미롭게 지켜봐야할 부분으로 생각된다.​

 

글 / 정선호 (지능형자동차부품진흥원)

출처 / 오토저널 2021년 7월호  

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