수소연료전지차(FCEV)

과학(Science)/산업 (Industry)

수소연료전지차(FCEV)

SURPRISER - Tistory 2023. 11. 11. 14:22

0. 목차

'수소연료전지차'의 경쟁력
'수소연료전지차' 산업
'수소연료전지차' 구성 장치
'수소연료전지차' 핵심 기술
'수소연료전지차' 연구 동향
'수소연료전지차' 충전을 위한 수소 생산
'수소연료전지차' 정책 동향
'수소연료전지차' 관련 기업
'수소연료전지차' 모델 비교

1. '수소연료전지차'의 경쟁력

'친환경 자동차'는 자동차 산업 패러다임 전환의 한 축으로서, 환경문제의 중요성이 대두됨에 따라, 그 중요성이 함께 조명 받고 있다. '친환경 자동차'는 2018년 9월 21에 시행된 '환경친화적 자동차의 개발 및 보급 촉진에 관한 법률(약칭: 친환경 자동차법)'에 의해 '전기자동차', '태양광 자동차', '하이브리드 자동차', '연료전지 자동차' 등으로 정의된다.

'연료전지 자동차'의 대부분은 수소를 연료로 하는 '수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'이다. '수소연료전지차(FCEV)'는 수소를 수소탱크에 충전하며, 수소와 산소를 '연료전지(Fuel Cell)'에서 반응시켜 전기를 발생시키고, 이 전기로 모터를 구동하여 운행하는 차로서, '수소 경제(Hydrgen Economy)' 정책의 한 축으로 차세대 성장 동력 산업으로 평가받고 있다.

기존의 '내연기관(Internal Combustion Engine)'과 달리 '연료전지(Fuel Cell)'를 이용하는 '수소연료전지차(FCEV)'는 배기가스가 전혀 나오지 않고, 운행 중에 물만 배출하며, 운행 중 미세먼지를 수집하여 정화하기 때문에 내연기관보다 친환경성이 매우 뛰어나다. 열효율적인 측면에서도 화석연료의 연소를 통해 '화학 에너지'를 '열에너지로', 다시 '운동 에너지'로 바꾸는 기존의 내연기관차와 달리, '수소연료전지차(FCEV)'는 '화학 에너지'를 '전기 에너지'로 바꾸고, 이를 모터를 통해 '운동 에너지'로 전환하기 때문에 내연기관 대비 우위에 있다.

1-1. 전기차 대비 충전 시간과 주행거리에서 우위

현재 친환경 자동차 시장을 주도하고 있는 '전기차(Electric Vehicle)'와 시장에 진입하려고 하는 '수소연료전지차(FCEV)'는 여러 면에서 경쟁 관계로서 비교될 수밖에 없다. '수소연료전지차(FCEV)'는 '전기차(Electric Vehicle)'와 유사하게 동력원이 전기이며, 모터에 의해 구동되는 기계적 구조이다. 하지만 '전기차'가 2차전지에 충전된 전기를 사용하는 것에 비해, '수소연료전지차(FCEV)'는 수소의 화학 반응으로 생산된 전기를 동력원으로 사용된다. 순수 전기로만 운행하는 '전기차'와 '수소차'의 비교 시, '수소연료전지차(FCEV)'는 1회 충전 주행 가능 거리와 충전시간에 있어 장점이 있다. 한편, '전기차'는 '차량 가격', '연료의 가격', '충전 인프라 구축' 면에서 장점이 있다.

'수소연료전지차(FCEV)'는 내연기관의 엔진에 해당하는 '연료전지(Fuel Cell)'에서 전기를 만들며 내연기관의 휘발유나 경유와 같은 연료를 수소로 대신한다. 전기차의 구동 방식인 '모터(Motor)'로 구동 축을 회전시킨다고 이해하면 쉽다. 이러한 구조는 전통적인 내연기관 차량의 장점인 '긴 주행거리', '연료 충전의 편리성'과, 전기차의 친환경성을 가진 '수소연료전지차(FCEV)'만의 장점으로 나타난다. 그러나 전기차와 내연기관의 장점만을 가질 수도 있으나, 2가지 구조를 모두 가져야 하는 단점으로 비용의 상승과 구조적 복잡함을 동반하는 단점도 가지고 있다.

1-2. '수소연료전지차'의 보급 저해 요인

1-2-1. 충전 인프라의 부족

'수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)' 관련 업계에서는 수소연료전지차(FCEV)의 '주행거리', '연료 가격', '환경적 측면'에서 전기차에 비해 크게 뒤지지 않음에도 보급이 힘든 이유는 '충전 인프라의 부족'으로 보고 있다. 물론 '수소연료전지차(FCEV)'는 3~5분 충전에 주행거리가 길기 때문에, 수소충전소 1기가 완전 가동 시 1일 제공 가능한 주행거리는 60개의 전기차 급속충전기가 제공하는 주행거리와 유사하다. 그러나 충전소 부족으로 인한 지리적 불편함은 '수소연료전지차(FCEV)' 선택에 있어 큰 걸림돌이 된다.

'충전소 인프라 구축'은 '수소연료전지차 보급·확산'에 있어서 불가분의 관계이다. 수소연료전지차 보급·확산을 위해 충전소의 '인프라(Infrastructure)'를 먼저 구축하느냐와, 수소연료전지차가 보급·확산이 되면 인프라가 보급·확산이 될 것이냐는 전형적인 '닭이 먼저냐, 달걀이 먼저냐'의 문제와 같다. 수소충전소는 건립 비용이 전기차 급속충전소 대비 비용 부담이 높기 때문에, '수소연료전지차(FCEV)' 보급이 더딘 현 상황에서 경제성을 보고 접근하기는 힘들다. 마찬가지로 충전소 부족이 '수소연료전지차(FCEV)' 구매를 망설이게 하므로, 상호 간 보급을 저해하는 요소다.

1-2-2. 수소 저장 탱크

전문가들이 지적하는 '수소연료전지차(FCEV)'의 가장 큰 한계점 중 하나는 '수소 저장 탱크(Hydrogen Storage Tank)'로 수소연료 자체는 단위 질량당 내연기관 연료의 3배의 열량이 나오나, 단위 부피당 열량은 내연기관 연료보다 작다. 이에 완성차의 경우 실제 주행거리는 내연기관 차량에 미치지 못하고 있으며, 구조상으로도 700기압의 높은 압력으로 수소를 저장하기 때문에 고압 저장 탱크가 필요하다. 제한적인 자동차 구조상 '수소 저장 탱크(Hydrogen Storage Tank)'를 무한정 늘릴 수 없다. 현대차에서 개발한 '넥쏘(NEXO)'의 경우 개당 300만 원의 '수소 저장 탱크(Hydrogen Storage Tank)' 3기를 탑재하여 주행거리를 늘렸다. 이는 '넥쏘(NEXO)' 차량 가격의 15%에 해당하는 비용이며, 고압의 수소용기 특성상 15년 이상을 사용할 수 없는 단점도 존재한다.

1-2-3. 차량구조의 복잡성

'수소연료전지차(FCEV)'의 또 다른 문제점으로는 '차량 구조의 복잡성'이 있다. '수소연료전지차(FCEV)'는 전기차와 거의 동일한 구동 원리를 가지고 있으나, '전기의 생산 방식'만 다르다고 이해하면 쉽다. 그러나 '전기차'와 다르게 '수소연료전지차(FCEV)'는 '2차전지(Secondary Cell)'와 '모터(Motor)' 외에 발전장치인 '연료전지(Fuel Cell)'가 추가로 필요하다. 이는 제작 및 정비의 복잡성을 증가시키고, 비용 상승의 요인이 된다.

또한 연료전지의 정비 시 수소를 완전히 방출해야 하는 위험한 작업이 필요하여 높은 전문성이 요구된다. 또한 이러한 구조적 복잡성은 높은 시장 진입장벽을 만든다. '전기차'는 '배터리(Battery)'와 '구동모터(Driving Motor)'라는 구조적인 단순함이 완성체 업체뿐만 아니라, 다양한 스타트업 기업이 시장에 참여하게 했다. 그러나 '수소연료전지차(FCEV)'는 높은 기술력이 필요하여, 기존 완성차 업체에서도 시장 진입이 쉽지 않다.

1-2-4. 수소연료의 생산·운송·충전 문제

수소연료의 생산 문제: 수소연료의 '생산', '운송', '충전'에서의 문제도 남아있다. 한국에서 사용하는 '수소연료전지차(FCEV)'의 충전 방식은 대부분 부생가스에 의존하고 있다. 화석연료 기반의 수소 추출 방식은 규모의 경제가 따라오지 않는 이상 경제성이 낮기 때문이다. 또한 화석연료를 이용하여 친환경적이지 않으며, 재생에너지를 이용하여 친환경적인 '수전해 방식(물을 분해해 수소를 얻는 방식)'을 사용해 수소를 생산하게 되면, 전기를 수소로 바꿔야 한다. 그리고 다시 '수소연료전지차(FCEV)'에서 수소를 전기로 사용하게 된다. 그러면 실제 에너지 효율이 급격하게 낮아지고, 생산 비용도 올라가게 된다.
수소연료의 운송 문제: 수소의 부피가 크므로 저장과 운송을 고압 수소나 액화수소로 하게 되는데, 이는 곧 수소연료 가격의 상승으로 이어진다. 또한 수소의 운송·저장은 허가된 인력만이 할 수 있고, 충전소에서도 허가된 인력만이 수소를 충전할 수 있는 점 역시 수소연료 보급에 저해 요인이 된다.
수소연료의 충전 문제: '수소연료전지차(FCEV)' 충전은 약 5분이 걸리지만, 1시간에는 단지 3대만 충전이 가능하다. 그 이유는 수소를 충전소에서 '수소연료전지차(FCEV)'에 적합한 압력으로 압축하는데 약 20분의 시간이 걸리기 때문이다.

1-2-5. 높은 가격

2023년 기준, 전 세계 '수소연료전지차(FCEV)' 가격은 내연기관 대비 2배 이상 높은 수준이다. 높은 가격도 '수소연료전지차(FCEV)' 보급의 저해 요인으로 작용한다.

1-3. '상업용 자동차' 시장에서는 '전기차'보다 경쟁력이 있다.

'승용차'에서 '수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'는 '전기차(Electric Vehicle)'의 쉬운 충전 인프라 구축의 미비함과 충전비용에 밀려 시장성이 떨어진다. 그러나 '버스', '트럭', '기차' 등 적재공간이 충분한 차량에는 전기차에 비해 높은 시장성을 가진다. 장거리 운행을 위해서는 전기차는 많은 배터리를 탑재해야 하며, 이는 곧 무게의 증가로 나타나게 된다. 한 예로 40톤의 트럭이 600km를 주행 시 전기차는 현재 기술력으로 최소 8톤의 배터리가 적재돼야 하는 반면, 수소차는 수소용기를 늘리면 되기 때문에 1톤 이하로 충분하다. 즉, 차량의 무게가 무겁고 장거리 운행이 요구될 경우, 전기차는 많은 배터리 용량이 필요하고, 배터리 용량이 증가함에 따라 배터리의 무게도 계속 증가하는 모순에 빠지게 된다.

또한 배터리의 부피와 무게로 인해 적재 용량이 줄어드는 단점이 발생하는데 반해, '수소연료전지차(FCEV)'는 연료탱크를 적재하기만 하면 되기 때문에 상업용 자동차 시장에서는 전기차보다 경쟁력이 있다. 또한 공유 자동차 시장에서도 '수소연료전지차(FCEV)'는 '전기차'보다 매력적이다. 충전시간이 완속 충전 시, 10시간 이상 걸리는 전기차에 비해 '수소연료전지차(FCEV)'는 5분 이내에 충전이 되어, 차량 공유 시간이 증가한다.

2. '수소연료전지차' 산업

2-1. '수소연료전지차' 산업 구조

'수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'를 제조하는 완성차 업계는 약 2만여 개 부품을 조립하여 차 한 대를 생산한다. 이 2만여 개의 부품 중 '수소연료전지차(FCEV)'의 제조에 특화된 부품은 크게 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)', '운전 장치', '전장 장치', '수소 저장 장치'로 구분할 수 있다. 자동차 산업의 특성상 공용으로 사용되는 부품들이 많으나, 이 부품들은 내연기관과 자동차 및 전기차와 거의 공용으로 사용하지 못하며, '수소연료전지차(FCEV)'의 후방 산업을 담당하고 있다.

산업 구조	분류	세부
후방 산업	연료전지 스택	막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)
		기체확산층(Gas Diffusion Layer)
		분리판(Separator Plate)
		가스켓(Gasket)
	운전 장치	수소 공급 장치
		공기 공급 장치
		열 및 물 관리 장치
	전장 장치	구동모터(Driving Motor)
		감속기(Reducer)
		전력 변환 장치(Power Converter)
	수소 저장 장치	고압용기
		도압밸브
		안전장치
수소충전소	'수소연료전지차' 충전소 설립
	특수 가스 고압용기
완성차	수소연료전지차(FCEV)

2-2. '수소연료전지차' 시장은 2050년까지 성장 지속 예상

산업화 이후 기후 상승폭을 2℃ 이하로 유지하는 것을 골자로 하는 '파리 기후협약' 이후 각국은 '연비 규제'와 '이산화탄소 배출 감축'을 목표로 하면서, 친환경 자동차 의무 판매제를 시행하고 있다. 즉, 친환경 자동차를 싸게 해서라도 일정 비율을 무조건 팔아야 하는 상황이 온 것이다. 따라서 완성차 업계는 친환경차 의무 판매제를 시행하는 국가 시장에 진입을 위해 친환경 자동차 제조가 필수가 되었다. 그에 따라 친환경차 시장은 지속적으로 성장할 것이다.

2012년 '국제 에너지 기구(IEA: International Energy Agency)'에서 발표한 'Blue Map Scenario'에 의하면 10년 이내에 친환경차가 내연기관 자동차의 시장을 넘어설 것으로 예상하였고, 2050년 전기차와 플러그인 하이브리드차가 전체 시장의 50% 이상을 점유할 것으로 내다보았으며, 2020년을 기점으로 내연기관 자동차의 급속한 점유율 하락을 예상하였다. '수소연료전지차(FCEV)' 시장은 2030년 1.8%, 2040년 8.7%에 이어, 2050년 약 350만 대인 17.7%로 전망하였다. 한편, '미국 에너지부(DOE: United States Department of Energy)'에서는 미국 내 '수소연료전지차(FCEV)' 시장을 2050년 27%로 예측하여 '국제 에너지 기구(IEA)'보다 높은 비중을 차지할 것이라 전망하였다.

친환경차의 점유율 확대는 적극적인 환경 정책과 함께 친환경차의 비중이 증가할 것은 자명한 사실이나, 궁극적인 친환경 모델이 무엇이 될지에 대해서는 아직 많은 논란이 있는 상태이다. 그러나 많은 전문가들은 휘발유차와 경유차가 다양한 분야에서 공존하였듯이, 전기차와 수소차도 서로의 장단점을 보완하며 공존할 것이라 예측하고 있다.

3. '수소연료전지차' 구성 장치

'수소연료전지차(FCEV)'는 고압 수소탱크에 저장된 수소가 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'으로 공급되는 동시에, 대기로부터 유입된 산소도 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'으로 유입되어, '연료전지(Fuel Cell)' 내부에서 산소와 수소가 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하게 된다. 이 전기는 '구동모터(Driving Motor)'로 공급되어 '회전 에너지(Rotational Energy)'를 발생시키며, 이 에너지는 감속기 등을 통해 적절한 속도로 바퀴에 구동력을 전달하게 된다.

'수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'는 기존 자동차의 엔진에 해당하는 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'과 '운전 장치', '전장 장치', '수소 저장 장치'로 구성된다.

분류	세부
연료전지 스택	막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)
	기체확산층(Gas Diffusion Layer)
	분리판(Separator Plate)
	가스켓(Gasket)
운전 장치	수소 공급 장치
	공기 공급 장치
	열 및 물 관리 장치
전장 장치	구동모터(Driving Motor)
	감속기(Reducer)
	전력 변환 장치(Power Converter)
수소 저장 장치	고압 용기(High Pressure Vessel)
	고압 밸브(High Pressure Valve)
	안전 장치

연료전지 스택: '전해질 막', '촉매 분리판' 등으로 구성된 셀이 여러 개 층으로 적층된 형태로 '막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)', '기체확산층(Gas Diffusion Layer)', '분리판(Separator Plate)', '가스켓(Gasket)' 등으로 구성된다.
운전 장치: 스택에 수소와 외부 산소를 공급하며, 열관리를 하는 장치로 '수소 공급 장치', '공기 공급 장치', '열 및 물 관리 장치' 등으로 구성된다.
전장 장치: '스택(Stack)'에서 생성된 전기를 회전 에너지로 변환하는 장치로, '구동모터(Driving Motor)', '감속기(Reducer)', '전력 변환 장치(Power Converter)' 등으로 구성된다.
수소 저장 장치: 고압 수소를 저장하고 공급하는 장치로 '고압 용기', '고압 밸브', '안전 장치'로 구성된다.

4. '수소연료전지차' 핵심 기술

4-1. 연료전지 기술

요약: 소재 개발이 핵심

'스택(Stack)'은 일반적으로 단위 전지인 '셀(Cell)' 수백 개를 직렬로 쌓아 올린 '연료전지(Fuel Cell)' 본체를 일컫는다. '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'은 '수소연료전지차(FCEV)' 원가의 40% 비중을 차지하는 핵심부품으로서, 다수의 셀을 적층하여 차량 구동에 적합한 전기에너지를 발생시키는 역할을 한다.

수소연료전지 스택의 1개 '셀(Cell)'이 생산하는 전기는 약 0.7V 수준이며, 이에 1kW의 전기 생산을 위해서는 50여 개의 셀이 필요하다. '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'은 '촉매(Catalyst)'와 '막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)', '기체확산층', '분리판(Plate)', '가스켓(Gasket)' 등으로 구성되어 있다. 특히 '고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cells)'의 핵심부품 '막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)'는 수소와 산소의 화학 반응이 이루어지는 곳으로 '수소연료전지'의 핵심 부품이다. '연료전지(Fuel Cell)'는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시키는 장치이다. '화학 반응'은 '촉매층(Catalyst Layer)' 내에서 촉매에 의하여 이루어지며, 일반적으로 연료가 계속적으로 공급되는 한 지속적으로 발전하여, 전기와 열을 동시에 생산이 가능하다.

'연료전지(Fuel Cell)'는 '알칼리 연료전지(AFC: Alkaline Fuel Cell)', '인산형 연료전지(PAFC: Phosphoric Acid Fuel Cell)', '용융 탄산염 연료전지(MCFC: Molten Carbonate Fuel Cell)', '고체 산화물 연료전지(SOFC: Sold Oxide Fuel Cell)', '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)', '직접 메탄올 연료전지(DMFC: Direct Methanol Fuel Cell)' 등이 개발되어 있다. 그러나 차량용으로는 에너지 밀도가 커서 '소형화', '경량화'가 가능하고 운전온도가 낮아 대기온도에서 사용할 수 있는 연료전지 시스템인 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)'가 널리 사용된다.

스택 구성 부품	역할
막-전극 접합체	수소에서 전자를 분리하거나, 수소이온과 산소를 결합시켜 물을 발생시키는 역할
가스확산층	'수소', '산소', '물'을 공급하고 배출하는 장치
분리판	연료전지에 공급된 '산소', '수소'를 기체 이송관을 통해 '기체확산층'에 공급하고, 수소와 산소의 화학반응으로 생성된 물을 외부로 배출하는 장치
가스켓	'전해질막(Electrolyte Membrane)'과 '분리판(Separator Plate)' 사이에서 수소·공기의 '기체누설'이 생기지 않도록 밀봉하는 역할, 냉각수의 누설을 방지하는 역할

막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly): '막전극 접합체(MEA)'는 촉매 역할을 하는 '전극(Electrode)'과 '전해질 막(Electrolyte Membrane)'의 일체형으로 접합되어 있는 구조로 되어 있다. '막전극 접합체(MEA)'는 '수소에서 전자를 분리'하는 역할을 하거나 '수소이온과 산소를 결합시켜 물을 발생시키는 역할을 한다. 이때 양이온을 전달하는 전해질에 특히 강한 산성을 띄는 공기극에 대부분의 전이금속이 녹아 나오게 된다. 따라서 이를 견뎌낼 '촉매(Catalyst)'의 조건을 만족시키는 것은 쉽지 않아, '백금(Pt, 원자번호 78번)', '팔라듐(Pd, 원자번호 46번)' 등의 희귀금속류가 주로 사용된다.
가스확산층(Gas Diffusion Layer): '가스확산층'은 '수소', '산소', '물'을 공급하고 배출하는 장치로, 수소가 압력차에 의해 가스확산층을 지나 촉매 쪽으로 이동하게끔 한다. 탄소 소재의 '카본 클로스(Carbon Cloth)', 'Paper', 'Felt'의 형태로 이루어지고 있으며, 다공성이고, 전기 전도체이며, 소수성이고, 일정 기계적 강도가 확보되는 소재를 사용해야 하기 때문에, 주로 독일과 일본의 소재가 사용되고 있다. '연료전지'의 성능은 산화·환원 반응이 빠르게 혹은 많이 일어나면 향상된다. 따라서 흐름 조절판을 통해 반응 가스를 '촉매층(Catalyst Layer)' 위의 활성 영역에 도달시켜 촉매층 반응에 영향을 주며, '가스확산층'은 '촉매층(Catalyst Layer)'과 '분리판(Separator Plate)' 사이에 '전자(Electron)'를 투과시키는 전기적 전도체의 역할을 한다.
분리판(Separator Plate): '분리판'은 연료를 공급하고 화학반응에 의해 발생한 물을 배출하도록 '유로(Flow Field)'가 형성되어 홈이 파인 형태의 '플레이트(Plate)'이다. '막-전극 접합체(MEA)' 외측 다공질 탄소막인 '가스확산층(Gas Diffusion Layer)'에 '접합 연료가스'와 '공기'를 차단하는 동시에, 외부 회로에 전류를 전달하는 역할도 하므로 '높은 전기전도성', '높은 내식성', '높은 열전도성'과 함께 '낮은 기체 투과성'이 요구된다. 따라서 '분리판(Separator Plate)'은 상기 물질이 섞이는 것을 방지하고, '음극(Anode)'에서 발생한 전자를 '양극(Cathode)'로 전달하는 '전자전도체' 기능도 한다. 따라서 '분리판'은 열전도가 우수해야 하므로, '수지가 함침된 흑연판', '탄소복합체판', '금속판' 등으로 제작된다.
가스켓(Gasket): '전해질막(Electrolyte Membrane)'과 '분리판(Separator Plate)' 사이에서 수소·공기의 기체 누설이 생기지 않도록 밀봉하는 역할과, 냉각수의 누설을 방지하는 역할을 한다. '수소연료전지차(FCEV)'용 '가스켓'은 '온도', '습도', '산' 조건에서의 '높은 내구성', '전기적인 절연체', '전기화학적인 불활성', '연료전지 시스템과의 상용성', '스택 디자인에 대한 자유도' 확보를 위한 '높은 기계적 강도', '높은 신축성', '높은 가공성(점도, 몰딩 능력 등)'을 가져야 한다. '가스켓(Gasket)' 재료로는 불소계 고무가 주로 사용되고 있다.

4-2. 운전 장치 기술

요약: 연료전지의 열관리가 핵심

'운전 장치'는 '수소연료전지차(FCEV)'의 연료전지 주변에서 자동차의 운전 상황을 탐지·판단하여, 연료전지에 필요한 양의 연료와 공기를 공급해 주고, 적절한 온도와 습도를 유지해 주면서, 출력전압도 조절하며, 연료전지를 구동할 수 있는 장치이다. '스택(Stack)'과 함께 '연료전지 시스템(Fuel Cell)'의 성능을 결정짓는 핵심기술이므로, '연료전지'와 최적으로 조합하여 시스템을 구성하는 것이 곧 기술력이다. '운전장치'는 '스택(Stack)'에 산소와 수소를 공급하는 '수소 공급 장치', '공기 공급 장치'로 구성되며, 스택에서 발생하는 열을 방출하는 '열 관리 장치'와 이를 관리하는 '공조 장치(Air Conditioning Unit)'까지 포함한다.

운전 장치의 구성 부품	구성
수소 공급 장치	스택에 수소를 공급하는 시스템이
공기 공급 장치	대기 중의 산소를 '스택(Stack)'에 공급하는 역할
열 및 물 관리 장치	연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'의 '안정적인 작동온도(55~90℃)' 유지를 위해 필요한 냉각 시스템

수소 공급계(FPS: Fuel Process System): '수소 공급계(FPS)'는 스택에 수소를 공급하는 시스템이다. '수소 공급계(FPS)'는 고압탱크에 저장된 수소연료의 압력을 연료전지에 사용 가능한 압력으로 낮추는 기능을 하며, '정밀한 센서'와 '압력 조절'이 필수이다. '고압 레귤레이터(High Pressure Regulator)'와 '저압 레귤레이터(Low Pressure Regulator)' 사이에는 수소의 흐름을 조절하기 위하여 '솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)'가 설치되어 있다. '스택(Stack)'에 공급되는 수소는 효율 향상을 위해 과량의 수소를 공급하므로, 배기가스에는 수소가 포함되어 있어 이를 재순환시키는 재순환 라인이 형성되어 있다. '수소 공급계(FPS)'는 '수소탱크(Hydrogen Tank)', '압력 조절기(Pressure Regulator)', '수소 재순환기(Hydrogen Recirculator)' 등으로 구성되어 있다.
공기 공급계(APS: Air Process System): '공기 공급계(APS)'는 대기 중의 산소를 '스택(Stack)'에 공급하는 역할을 한다. '공기 공급계'에는 대기 중에 포함되어 있는 황산화물을 비롯한 불순물과 먼지 등을 걸러내는 '필터(Filter)'가 장착되어 있다. 내연기관의 '공기 공급 장치'와 거의 비슷한 부품이 들어가며 '공기 정화기(Air Cleaner)', '공기 여과기(Air Filter)', '에어 공급기(Air Blower)' 등의 거의 모든 부품이 동일하게 들어간다. 공기를 공급하는 장치는 '터보블로워 방식'과 '압축기 방식'이 주로 사용되고 있다. '터보블로워 방식'은 '압축기 방식'에 비해 소음이 적고 소모 전력이 낮은 장점이 있으나, 운전 가능한 최대 압력이 낮은 단점이 있다.
열 및 물 관리계(TMS: Thermal Management System): '열 및 물 관리계(TMS)'는 연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'의 '안정적인 작동온도(55~90℃)' 유지를 위해 필요한 '냉각 시스템(Cooling System)'으로, 높은 유량을 일정하게 유지할 수 있는 '고유량 펌프(High Flow Pump)'가 필수적이다. '연료전지 시스템(Fuel Cell System)'의 경우, 연료전지의 효율이 대략 50% 정도로, 출력만큼의 에너지가 열로 방출된다. 그런데 연료전지 사용 중에 고열이 발생되었을 경우 빠른 냉각이 되지 않으면, 연료전지의 수명·출력 저하가 일어난다. '내연기관(Internal Combustion Engine)'의 경우 엔진으로부터 발생하는 동력을 이용해 펌프를 구동할 수 있다. 그러나 '연료전지 시스템'의 경우 회전부가 없어서, 전기모터로 구동되는 펌프를 사용하여 열을 관리해야만 한다.

4-3. 전장 장치 기술

요약: 구동모터 기술이 핵심

'전장 장치'는 발생된 전기를 운동에너지로 변환하는 '구동모터', 구동모터의 토크를 증대시켜주는 '감속기(Reducer)'가 있다. 그리고 '스택(Stack)'에서 발생되는 DC 전압을 구동모터에서 사용할 수 있에 '교류(AC)' 전압으로 변환하거나, 운전장치 등에 필요한 '직류(DC) 전압으로 변환하는 '전력 변환 장치(Power Converter)'로 구성되어 있다.

전장 장치의 구성 부품	역할
구동모터	전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환하여, 구동력을 생산하는 구동 시스템의 핵심 부품
감속기	구동모터의 회전에너지를 차량운행에 적절하게 증폭 및 감속 역할
전력 변환 장치	'연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'에서 발생한 '직류 전기'를 '교류 전기'로 변환

구동모터(Driving Motor): '구동모터'는 기존 내연기관의 엔진 역할을 수행하며, 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환하여 구동력을 생산하는 구동 시스템의 핵심부품이다. '혼다(Honda)'와 '토요타(Toyota)'는 '영구자석 동기 모터'를, '현대차'는 '유도 모터'를 사용하고 있다. 자동차에 사용되는 모터는 최대 속도가 10000rpm 이상 고속 운전이 가능해야 하며, '회전력(Torque, 토크)'에 대해 저속에서 고속까지 정밀제어가 가능해야 한다. '영구자석(Permanent Magnet)' 소재에 사용되는 '네오디뮴(Nd, 원자번호 60번)' 및 '디스프로슘(Dy, 원자번호 66번)' 등 희토류 금속의 '공급 안정성'과 '가격 상승'에 대한 우려가 있으며, 이를 대체할 수 있는 소재 개발이 이어지고 있다.
감속기(Reducer): '감속기'는 내연기관의 미션의 역할을 하는 장치이다. '감속기'는 구동모터 자체 '회전력(Torque)'만으로는 차량의 '출발', '가속', '등판 주행' 등의 주행 시 부족한 구동력을 보한하며, 항속 주행 시에는 연료의 절감이 가능하도록 차량 운행에 적절한 회전력으로 모터 토크를 조절한다.
전력 변환 장치(Power Converter): '전력 변환 장치'는 '스택(Stack)'으로부터 얻어지는 DC 전력을 모터 구동 전압 수준으로 변환하는 역할을 한다. 또는 고전류의 AC 구동모터를 구동·제어하기 위해 DC 전력을 AC 전력으로 변환하고, 차량 내 각종 전자기기들을 구동하기 위한 전압으로 전환하는 역할을 한다.

4-4. 수소 저장 장치 기술

요약: 고압용기·탄소소재가 핵심

수소 저장 방식은 '액화 수소 저장 방식', '압축 수소 저장 방식', '수소 저장 합금 방식', '화학적 수소화물 방식', '초저온 고압 수소 저장 방식' 등 여러 가지 기술들이 경합을 해왔다. 그러나 현재 대부분의 완성차 업체는 '압축 수소 저장 방식'을 적용하고 있다. '압축 수소 저장 방식'으로는 700bar의 고압 탱크 시스템을 주로 적용하고 있다. 그 이상의 압력으로 저장하여도 더 이상 부피가 줄어들지 않기 때문에, 주행거리를 늘리기 위해서 저장탱크의 개수를 늘리는 방법이 사용되고 있다.

'수소 저장 장치'는 '스택(Stack)'에 공급할 수소를 저장하는 장치로, 내연기관차의 연료 공급장치에 해당한다. '수소 저장 탱크(Hydrogen Storage Tank)'는 금속을 부식시키는 수소의 성질을 극복하기 위하여 '탄소섬유(Carbon Fiber)'로 만든 용기를 사용하고 있으며, '라이너(Liner)'와 '복합 소재(Composite Material)'로 이루어져 있다. '고압 수소 저장탱크'의 생산비 구성은 탄소섬유가 약 75%를 차지하고 있다.

수소저장장치 구성 부품	구성
고압용기	수소 저장 탱크(Hydrogen Storage Tank)
고압밸브	압력 조정 밸브(Pressure Regulating Valve)
고압밸브	탱크내장형 '솔레노이드 밸브(Solenoid Valve)'
안전장치	압력 센서(Pressure Sensor)
안전장치	수소 센서(Hydrogen Sensor)

고압용기(High Pressure Vessel): 고압 수소를 저장하는 역할로, 수소의 부식성을 이유로 탄소섬유 등의 재질로 이루어져 있음.
고압밸브(High Pressure Valve): '가스 제어', '공기·물 제어', '압력 제어' 등의 역할
안전장치: 수소의 누출 및 발열 등의 '센서(Sensor)'를 통해 감지

5. '수소연료전지차' 연구 동향

'수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'의 기술 개발 방향은 '연료전지', '모터', '새로운 구동계', '섀시', '안전 설계 기술', '소음 진동 저감 기술', '차체 설계 기술', '차량 경량화 기술', '모듈화 기술', '부품 배치 최적화 설계 기술', '차량 제어 기술' 등 매우 다양한 분야의 부품 및 차량기술을 필요하기 때문에, '정부', '완성차 업계', '부품업계'까지의 협력을 통해 연구가 진행되는 양상이다. 글로벌 완성차 업체들은 '주행거리 향상', '연료전지 시스템의 고도화', '양산성 제고'를 위한 노력하고 있다.

'수소연료전지차(FCEV)'와 관련한 유효 특허는 2000년 이후 출원이 급증하여, 지속적으로 많은 신규 기술이 공개되고 있다. 2023년 기준, 세계적으로 '수소연료전지차(FCEV)'와 관련하여 가장 많은 특허를 보유한 출원인은 '토요타(Toyota)', '혼다(Honda)', '닛산(Nissan)' 등 일본의 완성차 업체이다. 각 국가별 일본 기술의 강세 속에서 국내 기업인 '현대자동차'와 '삼성SDI' 등도 출원 비중이 높다.

5-1. 보급·확산을 위한 원가절감 연구 활발

'수소연료전지차(FCEV)'의 각 구성 부품별 기술 개발 동향을 살펴보면, 산업계에서는 '수소연료전지차(FCEV)'의 보급 및 확산을 위해 원가 절감을 위한 연구개발을 목표로 하고 있다. 특히 완성차 가격에서 큰 비중을 차지하는 '연료전지 스택(40%)', '수소 저장 장치(20%)' 부품의 대량 생산 기술 확보 등을 통해 가격 저감에 주력하고 있다.

'연료전지 스택' 연구: 현재 시판되는 '수소연료전지차'에 적용된 '연료전지'는 모두 '고분자 전해질막 연료전지(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cells)'이며, 가격 및 내구성 문제를 극복하기 위해 연구 중에 있다. '막-전극 접합체(MEA: Membrane-Electrode Assembly)' 기술 개선 등을 통한 '원가 절감' 기술 개발이 이루어지고 있다.
'고압 용기' 내구성 연구: 또한 '고압 용기(High Pressure Vessel)'의 손상 하에서 '변형 방지' 및 '안전성 유지'를 위한 내구성의 확보 연구도 이루어지고 있다. 한국의 경우, 고압 용기는 부품 수준에서 국산화를 달성했으나, '탄소섬유(Carbon Fiber)' 등 소재의 수입의존도는 여전이 높은 편이다.
운전장치 공용화: '운전장치'는 센서 기술 개발을 통한 '수소 차단' 및 '정확도 개선'이 진행 중이다. '운전장치'는 부품 수가 가장 많고 특허 경쟁이 치열한 분야로서, 다른 친환경차와 부품 공용화 가능한 분야에 대한 연구를 통해 원가절감이 진행 중이다.
전장장치 공용화: '전장장치'는 다른 친환경차와 공용화가 가능한 부품이 많아, 지속적인 개발을 통해 경쟁 수준의 기술을 확보하였다. 추가적인 부품 공용화를 통해 가격경쟁력 확보를 목표로 연구를 진행 중이다.
촉매 연구: '수소연료전지차(FCEV)'의 '촉매(Catalyst)'는 현재 '백금(Pt, 원자번호 78번)'을 사용하고 있으며, 2002년 차 한 대당 약 200g의 백금 촉매가 사용되었다. 그러나 그 사용량은 점차 줄어들어 2016년에 출시된 '혼다(Honda)'사의 '클래리티'에는 단 11g의 백금 촉매만이 사용되었다. 그러나 여전히 촉매가 원가에 미치는 영향이 많아, '백금' 대신에 사용할 수 있는 '그래핀(Graphene)', '금속 탄화물(Metal Carbide)' 등의 저가 소재로 대체하거나, 백금을 외부에 코팅하는 방법을 통해 사용량을 저감하는 방법을 연구하고 있다.

6. '수소연료전지차'를 위한 수소 생산

'수소(Hydrogen)'는 다양한 원재료와 방식을 통하여 제조가 가능한 원소로서, 우주에 75%를 차지할 정도로 흔한 원소이다. 그러나 수소를 에너지로 사용하기 위해서는 적절한 가공이 필요하다. 따라서 수소 에너지는 화석연료와 같은 '원료 에너지'로 보기보다는 전기에너지와 같은 에너지의 '저장 및 운반체'로 접근하는 방식이 더 적합하다.

IHS Chemical 2015 보고서에 따르면, 2015년 기준 전체 생산량의 96%가 탄화수소 계열의 화석연료로부터 열화학적 생산 방식으로 추출되고 있다. 가장 많이 활용되고 있는 수소 생산 원료는 천연가스로 전체 원료 중 49%를 차지하며 '액화 석유가스(LPG: Liquefied Petroleum Gas)' 등이 29%, 석탄 18%를 차지하고 있으며, 나머지 4%를 재생에너지를 이용한 전기분해나 제철 공정 등의 '부생가스(by-product gas)'에 의해 생산된다. '부생가스'란 제품 생산 공정에서 필요로 하는 화학 원료 외에 부산물로 발생하는 가스를 일컫는 말로, 공정 과정에 따라 가스의 종류와 에너지원의 용도가 달라진다.

'수소연료전지차(FCEV)'의 충전을 위해서는 수소를 파이프라인이나 고압으로 압축하여 '트레일러(트럭이나 트랙터 트럭의 후면부에 견인되는 부수차)'를 통해 충전소로 이송해야 한다. 또는 충전소에서 재생에너지나 심야전기를 이용해 '수전해 방식(물을 분해해 수소를 얻는 방식)'으로 자체적으로 수소를 생산하여, 충전소의 고압 저장탱크에 보관하였다가 '수소연료전지차(FCEV)'에 충전할 수도 있다. '수소연료'의 운송비용은 수송 트레일러의 '적재량', '장비의 가격', '압축하는 데 소모되는 비용' 등을 고려 시 아직 다른 내연기관 에너지나 전기와 비교하면 매우 높은 수준이다. '트레일러 방식', '운송 파이프 방식' 등의 다양한 운송 방식에 대한 안정성은 아직 검증되지 않았다.

6-1. '한국'의 수소 생산

2015년 기준, 국내의 수소 생산량은 연간 190만 톤 규모로 원유 정제공정에서 약 75%가 생산되며, '나프타(Naphtha)' 분해에서 약 13%가 생산된다. 이렇게 생산된 수소는 대부분 정유 공정에 재사용되며, 약 14%인 26만 톤 정도가 정유공장 외부로 공급되고 있다. 이러한 국내 수소 생산의 구조적 특성으로 인해, 대규모 석유화학 단지가 위치한 '울산', '여수', '대산' 등이 국내 수소의 주된 산지로서, 해당 3개 지역에서만 국내 전체 생산량의 86%인 164만 톤이 생산되었다. 정유공장 외부로 유통되는 26만 톤의 수소 중 88%인 22.9만 톤은 주로 '파이프라인(Pipeline)'을 통해 유통되고 있어, 원거리 운송에 제약이 있다. 한편, 국내에 운영 중인 수소 운송용 '튜브 트레일러(Tube Trailer)'는 약 500여 대로 추산되었다. 그리고 이를 통해 이송되는 수소 공급물량은 파이프라인 이송 물량의 13.5%인 3.1만 톤 정도로 추산되었다.

7. 수소 충전소

'수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)' 보급 확대를 위해 대용량 '수소 충전소(Hydrogen Station)'를 개발 중이다. '수소 충전소(Hydrogen Station)'은 '수소연료전지차'의 연료인 '수소'를 충전할 수 있는 구조로, '내연기관 LPG', 'CNG 충전소'와 매우 유사한 구조이다. '수소연료전지차(FCEV)'의 충전은 차량 내 수소탱크에 수소가스를 채워 넣는 방식으로 이뤄진다. 현대차가 내놓은 수소연료전지차 '넥쏘(NEXO)'의 경우, 고효율 수소연료전지 시스템을 탑재해 5분간 충전하면 609km까지 주행할 수 있다.

'수소 충전소(Hydrogen Station)'의 설치 방식은 크게 '제조식'과 '저장식' 두 가지로 구분된다. '제조식'은 현장에서 '개질(Reforming)', '수전해(물에 전기에너지를 가해 수소와 산소로 분해하는 것)'를 통해 수소를 생산해 공급하는 방식이다. '저장식'은 기존에 생산된 수소를 운송차량을 통해 저장 및 공급하는 방식이다. 현재는 '제조식 설치'가 비용이 더 높다. 그러나 국내 천연가스 '배관망(Pipe Network)'의 인프라 등을 활용할 수 있다는 점 등을 고려할 때, 발전 가능성이 있을 것으로 전망된다.

'수소 충전소(Hydrogen Station)'가 기존 자동차 주유소·충전소와 결합되는 방식들을 몇 가지 살펴보자.

융합 충전소: '융합 충전소'는 '제조식 수소충전소'가 '기존 주유소'나 '액화석유가스 충전소(LPG Station)'와 결합되는 것이다.
복합 충전소: 복합 충전소'는 기존 주유·충전소에 '저장식 수소충전소' 또는 '전기 등 다른 에너지원 충전소'가 합쳐진 형태다.
패키지형 충전소: '패키지형 충전소'는 수소 충전 관련 설비를 하나로 모은 형태다.
이동식 충전소: '이동식 충전소'는 차량에 충전 설비를 장착해 이동이 가능한 형태로, 이것도 수소충전소의 한 형태로 볼 수 있다. 일본의 '이와타니(IWATANI)'사는 '국제 수소 연료전지 박람회'에서 수소를 생산한 뒤 충전할 수 있는 이동형 수소 충전소를 선보였다. 이 수소 충전소는 최대 6kg의 수소를 저장·운반·충전할 수 있다.

8. '수소연료전지차' 정책 동향

'수소연료전지차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)'가 보급·확산될 것인가에 대한 의문은 '수소 에너지(Hydrogen Energy)' 정책에 대해 살펴보면 그 답을 찾을 수 있다. 현재 '수소 에너지(Hydrogen Energy)' 시장의 근간은 '수소연료전지차(FCEV)' 의해 이루어지고 있다고 해도 과언이 아니다. 에너지 시장의 육성은 정책에 의해 이루어지게 됨에 따라 '수소연료전지차(FCEV)'의 시장도 곧 정책에 의해 좌우된다고 볼 수 있다. 과거 '석탄', '원자력 발전', '천연가스', '재생에너지', '전기차' 등 모든 에너지 관련 산업의 성장에는 정책의 지원이 있었다. 이렇듯 에너지 산업은 정부 정책에 의해 방향성과 추진 속도가 결정되게 되는데, 각국의 정부에서는 수소 경제를 에너지 전환 정책의 한 목표로 하여 수소 관련 '로드맵(Road Map)'을 구축하여 적극적으로 육성하고 있다. 최근 전기차 또한 전 세계적인 '환경규제 강화'와 '친환경차 산업 육성'에 힘입어 전기차가 활성화되었고, 그 배경에는 현재의 '수소연료전지차(FCEV)'와 마찬가지로 '미국', '중국' 등의 신산업 육성 정책과 에너지 정책이 동반되었기 때문이다.

8-1. '일본'의 수소연료전지차 정책 동향

'수소 경제(Hydrogen Economy)'라는 말은 2002년에 경제학자 '제레미 리프킨(Jeremy Rifkin, 1945~)'이 화석연료 고갈 환경문제 대두에 따라 그의 저서에서 처음으로 사용하였다. 그리고 2015년에 '국제 에너지 기구(IEA: International Energy Agency)'가 화석연료를 대체할 수 있는 미래 에너지로 수소를 언급함으로써 그 중요성이 주목받았다.

'수소 경제(Hydrogen Economy)'에 있어 가장 선도적인 역할을 하는 국가는 일본이다. 2011년 동일본 대지진으로 인해 에너지 자급률이 10% 이하로 내려간 일본은 자국 정서로 인해 '원자력 발전'이 힘들어지게 되었다. 이에 따라 '아베' 정부는 온난화 문제의 해결과 자국 산업 활성화를 위해 수소에너지 집중 개발 계획을 수립하여 2018년에 '수소 2030 로드맵'을 발표하였다. 그 이후 수소의 공급부터 운송까지 가치사슬(Value Chain)' 전체에 대한 적극적인 지원을 아끼지 않고 있다. 일본의 수소 경제 활성화는 '토요타(Toyota)'의 '미라이(MIRAI)'와 '혼다(Honda)'의 '클래리티(Clarity)'가 상징적인 역할을 하고 있다.

8-2. '중국'의 수소연료전지차 정책 동향

세계 전기차 시장의 성장을 주도한 국가는 단연 중국이며, 국가의 강력한 정책이 이를 뒷받침하고 있다. 세계 최대의 자동차 시장으로 발돋움한 중국은, 전기차 시장에서도 다른 국가들을 압도하면서 시장의 절반을 차지하고 있다. 중국의 전기차 시장의 성장으로 인해, 세계 완성차 업체들의 전기차 개발이 빨라지는 현장이 나타날 정도로 중국 시장의 영향력은 크다.

중국의 강력한 전기차 육성전략은 '수소연료전지차(FCEV)'에도 적용될 전망이다. 중국 정부는 2017년에 '수소연료전지차 로드맵'을 확정하여, 2030년 '수소연료전지차(FCEV)' 100만 대 시대를 공식화하였다. 중국은 2030년까지 누적으로 약 100만 대의 '수소연료전지차(FCEV)'를 확보하는 것을 목표로, '수소연료전지차(FCEV)'에 최대 70만 위안의 보조금을 지급하고 있고, 이 정책은 2025년까지 지속할 것으로 보인다. 중국은 충전소 보급 확대를 위해 구축 비용의 60%를 지원하며, 전담 관리 부서까지 운영해 인프라 확충을 독려하고 있다. 또한 전기차와 마찬가지로, 자국 완성차 업계에 '수소연료전지차(FCEV)' 상용화를 위한 지원을 아끼지 않고 있다.

8-3. '독일'의 수소연료전지차 정책 동향

유럽 각국도 다양한 '수소연료전지차(FCEV)' 확산 정책을 가지고 있다. 특히 유럽 최대의 자동차 시장인 '독일'이 가장 적극적으로 '수소연료전지차(FCEV)' 보급에 움직임을 보이고 있다. 독일 정부는 '국가 수소 및 연료전지 기술혁신 2단계 프로그램(NIP2)'를 통해 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)' 연구개발과 인프라 구축을 지원하고 있으며, 여러 주요 부처가 함께 추진하고 있는 범정부 프로그램이다. 독일은 6개 자동차 및 에너지 기업이 공동 출자하여 H2MOBILITY라는 회사를 설립하여, 수소충천소 설치비의 50%와 운영비의 50% 이상을 지원하고 있다. 독일은 2020년까지 400개, 2030년까지 1000개까지 수소충전소를 확충할 계획을 세웠다.

독일은 재생에너지가 활성화된 국가로 '수전해 방식(물을 분해해 수소를 얻는 방식)'으로 수소의 확보가 유리하며, 기존의 자동차 관련 인프라가 뛰어나기 때문에, 정책지원까지 더해져 '수소연료전지차(FCEV)' 시장의 다크호스로 부상하고 있다. 2019년 독일의 첫 '수소연료전지차(FCEV)'인 '메르세데스-벤츠'의 GLC F-cell이 대여로 판매되기 시작했다.

8-4. '미국'의 수소연료전지차 정책 동향

미국의 경우 수소에너지 'R&D(Research and Development)' 및 '실증연구'는 미 에너지부 중심으로 추진하고 있다. 그러나 전기차 중심의 친환경차 정책에 가려, '수소연료전지차(FCEV)'에 대한 정책은 아직 미비한 상황이다. 미국은 '테슬라(Tesla)'를 비롯한 전기차의 아성이 높아, 그동안은 '수소 연료 전기차'의 보급이 매우 더뎠다. 그러나 2018년에 캘리포니아가 2045년까지 100% 클린에너지 달성을 선언하면서 '수소연료전지차(FCEV)' 시장이 확대될 것으로 전망된다. 100% 클린에너지를 달성하기 위해서는 분산전력원인 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)' 발전설비의 보급이 확대될 수밖에 없기 때문이다. 이를 위한 수소 제조·운송·충천 인프라의 확충은 자연스럽게 '수소연료전지차(FCEV)'의 증가로 나타날 것으로 판단된다.

8-5. '한국'의 수소연료전지차 정책 동향

2019년 1월에 문재인 대통령은 '수소 경제 활성화 로드맵'을 발표하여, 2022년까지 한국에 전기차 43만 대, 수소연료전지차 6.7만 대를 보급할 계획을 수립하였다. 이 계획은 산업계와 정부의 협력에 의한 시장 창출을 목표로 하고 있으며, '일본', '중국', '유럽' 등도 유사한 형태의 생태계가 창출되고 있다. '수소 경제 활성화 로드맵'에서는 국내 업체가 강점이 있는 '수소연료전지차(FCEV)'와 '연료전지(Fuel Cell)'를 양대 축으로 수소 경제를 선도할 수 있는 산업 생태계를 구축하고 있다. 아울러 '수소연료전지차(FCEV)' 누적 생산량을 2018년 약 2000대에서 2040년 620만 대로 확대하고, 세계시장 점유율 1위 달성을 목표로 하고 있다. 이를 위해 2019년에만 4000대의 '수소연료전지차(FCEV)'를 신규 보급할 계획이며, 특히 장거리 운행에서 강점이 있는 상용차를 집중적으로 확산할 계획이다. 또한 관련 인프라 확충을 위해 수소충전소를 2019년 14개에서 2040년까지 1200개로 확충하기로 했다. 이를 위해 산업통상자원부는 '도심지역 수소충전소 설치'를 규제 샌드박스 제1호 안건으로 국회에 수소충전소 설치를 신청하였다. 국내 기술 기반이 약한 후반 산업인 수소의 생산과 수송에도 투자하여, 2040년 수소 생산 공급량 '526만 톤/년', 가격 '3000원/kg'을 목표로 하였다.

2019년 4월에는 '수소 경제 표준화 로드맵'을 구성하여, 수소 경제의 국제표준을 위한 기반을 확충하고 있다. 물론 국내 수소경제 정책에 대한 수치가 지나치게 낙관적이며, 수소의 생산·운송에 대한 업계와의 괴리, 기술적 문제에 대한 해결 방안의 부재 등에 대한 비판도 있다. 그러나 정부가 수소 경제 활성화에 강력한 추진 의지를 나타낸 것만은 틀림없다.

2019년 5월에는 한국 최초로 '국제 전기 기술 위원회(IEC: International Electrotechnical Commission)'에 제안한 '마이크로 연료전지 파워시스템(Micro Fuel Cell Power System)' 표준안이 'IEC 국제표준(IEC 62282-6-400)'으로 등록되었다.

9. '수소연료전지차' 관련 기업

아래의 표는 '수소연료전지차(FCEV)' 관련 기업을 정리한 것이다.

기업	국적	분류	세부
메르세데스-벤츠	독일	수소연료전지차(완성차 업체)
아우디	독일	수소연료전지차(완성차 업체)
폭스바겐	독일	수소연료전지차(완성차 업체)
토요타	일본	수소연료전지차(완성차 업체)
혼다	일본	수소연료전지차(완성차 업체)
현대자동차	한국	수소연료전지차(완성차 업체)
현대모비스	한국	부품	연료전지 스택
현대제철	한국	부품	연료전지 스택
코오롱인더스트리	한국	부품	연료전지 스택
동아화성	한국	부품	연료전지 스택
평화산업	한국	부품	연료전지 스택
한온시스템	한국	부품	운전장치
우리산업	한국	부품	운전장치
인지컨르롤스	한국	부품	운전장치
대우부품	한국	부품	운전장치
LG전자	한국	부품	전장장치
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모토닉(Motonic)	한국	부품	수소용기
화진	한국	부품	수소용기
EG	한국	부품	수소용기
유니크	한국	부품	운전장치, 수소용기
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한국가스공사	한국	수소충전소
이엠코리아	한국	수소충전소
엔케이(NK)	한국	수소충전소
디케이락	한국	수소충전소
제이엔케이히터	한국	수소충전소

9-1. 토요타(Toyota)

국적: 일본
분류: 완성차 업체

'토요타(Toyota)'는 일본의 완성차 업체로, 1999년에 수소연료 개발에 착수하여, 1996년에 첫 '수소연료전지차(FCEV)'를 공개하는 등 꾸준한 연구개발을 하고 있다. 2015년 1월, '수소연료전지차(FCEV)' 글로벌 특허 5680건을 무상 개방하여 토요타 자체 '수소연료전지차(FCEV)' 생태계를 구축하기 위해 노력하고 있으며, 승용에 이어 상용까지 '수소연료전지차(FCEV)'의 범위를 확대해 나가고 있다.

일본의 '도요타 자동차'에서는 2014년 12월 5일, 세계 최초로 '미라이(MIRAI)'라는 이름의 '수소연료전지차'를 일반인에게 판매하기 시작했다. '미라이'는 2017년에 약 1200대를 판매하여 전 세계 '수소연료전지차(FCEV)' 판매 1위를 기록하였다. 이전까지 시험적인 판매를 해왔으나, 일반인을 대상으로 양산 체제를 갖춘 것은 '미라이'가 최초였다.

9-2. 혼다(Honda)

국적: 일본
분류: 완성차 업체

'혼다(Honda)'는 일본의 완성차 업체이다. 혼다는 1999년에 처음 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)'를 탑재한 차량을 선보였으며, 2005년부터 자체적으로 개발한 연료전지를 탑재한 차량을 리스 판매하였다. 2016년에는 '클래리티(Clarity)' 출시하였고, 꾸준한 기술 개발을 통해 후속 양산 모델을 출시할 계획이다. 2003년 최초로 영하 20℃에서 시동 가능한 '수소연료전지차(FCEV)'를 개발했으며, 최초로 '슈퍼 커패시터(Super Capacitor)'를 장착한 차량을 운행하는 등 '수소연료전지차(FCEV)' 분야에서 가장 앞선 기술을 보유한 기업으로 평가받는다.

9-3. 아우디(AUDI)

국적: 독일
분류: 완성차 업체

'아우디(AUDI)'는 독일의 완성차 업체이다. '아우디'는 2014년 'LA 오토쇼(LA Auto Show)'에서 수소전기차 컨셉트카 A7 H-tron을 공개하였다. 이 차는 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)'와 '전기'의 '하이브리드 모델(Hybrid Model)'로, 전기 충전만으로도 50km의 주행이 가능하고 3분 충전에 480km 운행이 가능하다고 발표하였다. 2016년 1월, '북미 국제 오토쇼(NAIAS: The North American International Auto Show)'에서는 'H-torn 콰트로 콘셉트카'를 공개하였으며, 차량 하단부에 '수소 저장 장치(Hydrogen Storage Device)'를 배치하는 기술을 선보였다. 2018년에는 현대자동차와 연료전지 기술협력을 체결하여 양 사의 연료전지 기술과 특허를 서로 공유하기로 하였다.

9-4. 폭스바겐(Volkswagen)

국적: 독일
분류: 완성차 업체

'폭스바겐(Volkswagen)'은 독일에 상장된 완성차 업체이다. '폭스바겐'은 2018년 '프랑크푸르트 국제 모터쇼(IAA: Internationale Automobil-Ausstellung)'에서 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)'를 장착한 상용밴인 '크래프터 하이모션(Crafter Hymotion)' 모델을 선보였다.

9-5. 메르세데스-벤츠

국적: 독일
분류: 완성차 업체

'메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)'는 독일의 완성차 업체이다. '메르세데스-벤츠(Mercedes-Benz)'는 1994년 4월 13일, 유럽 최초의 '수소연료전지차(FCEV)'인 '네카(NECAR)'를 공개하였다. '네카(NECAR)'는 '새로운 전기차(New Electric Car)'라는 의미를 압축해 담은 명칭으로서, 그 이후 꾸준한 연구를 통해 2019년까지 300대 이상의 '수소연료전지차(FCEV)'를 만들었으며, 이 차들은 총 1800만 km 이상의 주행 테스트에 투입되었다. '메르세데스-벤츠'는 이를 통해 얻은 데이터를 기반으로 진보된 '수소연료전지차(FCEV)' 개발에 힘을 쏟고 있다. 2018년 말에는 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)'와 '전기차'의 장점을 합친 '수소 플러그인 하이브리드 시스템'을 갖춘 SUV인 'GLC F-Cell' 모델을 출시하였다. 그러나 생산원가가 높고 차량 가격이 높게 책정되어, 리스용으로만 한정하여 판매되었다.

9-6. GM(General Motors)

국적: 미국
분류: 완성차 업체

'GM(General Motors)'은 미국의 완성차 업체로, 1970년대부터 '수소연료전지차(FCEV)'를 포함해 다양한 파워 트레인에 대해 많은 연구가 이뤄졌으나, 실제로 모두 실행되지는 않았다. 1997년에 '신트라(Sintra)'를 시작으로 '연료전지 자동차(Fuel Cell Vehicle)' 개발에 착수하였으나 후속 연구가 이루어지지 않았다. 현재는 '혼다(Honda)'와 연료전지 기술 파트너쉽을 맺어 2017년에 'JV(Joint Venture)'인 'FCSM(Fuel Cell System Manufacturing)'을 '디트로이트(Detroit)'에 설립하였다.

'GM(General Motors)'은 '수소연료전지(Hydrogen Fuel Cell)'를 적용한 군용차를 먼저 개발에 고정 시장을 확보하고, 인프라 구성 등 관련 기술력을 획득하여 이를 일반 소비자용 차량으로 확대하는 전략을 세웠다. 2017년 10월 군용으로 활용 가능한 신형 수소연료전지 플랫폼 '서러스(SURUS)'를 공개하였다.

9-7. 현대자동차

국적: 한국
분류: 완성차 업체

'현대 자동차'는 1998년부터 '수소연료전지차(FCEV)'를 개발하기 시작했다. 그리고 2013년 2월에는 양산형 수소연료전지차 '투싼 ix'를 세계 최초로 양산하기 시작했다. 2020년대부터는 'BMW', '렉서스(Lexus)', 'GM' 등의 세계 완성차 업계들이 '수소연료연지차(FCEV)'를 출시함에 따라, 본격적인 경쟁이 시작될 것으로 예상된다.

'현대자동차'는 2018년 12월, 'FCEV 비전 2030'을 공개하고 수소 경제라는 글로벌 에너지 변화의 '퍼스트 무버(First Mover)'로서 시장을 선도해나갈 계획임을 발표하였다. 세부적으로는 2030년까지 50만 대의 FCEV 생산체제를 구축할 계획이며 '연구개발(R&D)'과 설비 확대에 총 7조 6000억 원을 투자할 계획을 발표하였다.

2019년 6월에는 현대자동차가 '사우디아라비아(Saudi Arabia)'의 글로벌 종합 에너지 화학 기업인 '아람코(Aramco)'사와 '수소에너지(Hydrogen Energy)' 및 '탄소섬유(Carbon Fiber)' 소재 개발 등에서 전략적 협력을 강화하기로 협약을 맺으면서, 아랍권에 '수소연료전지차(FCEV)' 시장에 교두보를 열었다.

9-8. 현대 모비스

국적: 한국
분류: 부품 업체

'현대 모비스'는 현대자동차 그룹의 핵심 부품 공급자 역할을 하고 있다. '수소연료전지차(FCEV)'와 '전기차'에 공통적으로 적용되는 부품인 '전력변환·전력공급 장치', '배터리 시스템(Battery System)', '배터리 관리 장치' 등 배터리 모듈을 공급하고 있다. '수소연료전지차(FCEV)'에서는 부품 공급 영역이 확대되어 '수소 공급 장치'와 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'을 공급하게 되며, '연료전지 스택'은 수소연료전지차 원가의 40%를 차지하는 핵심 부품으로서, '전장 부품'과 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)은 '수소연료전지차(FCEV)'의 원가에 60% 이상이 될것으로 추정된다.

9-9. 한온 시스템(Hanon Systems)

국적: 한국
분류: 부품 업체

'한온 시스템(Hanon Systems)'은 '열관리 시스템(Thermal Management System)'의 선두 기업이다. '수소연료전지차(FCEV)'는 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'을 제외하고 일반적으로 주변 부품은 전기차와 유사하다. '수소연료전지차(FCEV)'는 내연기관이 없기 때문에 전기차와 마찬가지로 '전동 컴프레서'(Electric Compressor), 'PTC히터(Positivetemperature Coefficient Heater)' 등 전동화 부품군이 적용되며, '구동 모터'와 '배터리 시스템(Battery System)'을 위한 '열관리 시스템'도 장착된다. '수소연료전지차(FCEV)' 단독으로는 '고전압 쿨링팬 모터', '원심식 공기압축기', 'COD 히터(Cathode Oxygen Depletion Heater)' 등이 공급되며, 수소와 산소를 반으시키기 위한 '압축공기 공급장치', '연료전지 스택의 열관리를 위한 장치'들이 필요하다. 특히 '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'은 열관리가 필수이며, '한온 시스템'은 그 기술력을 보유하고 있다. '한온 시스템'은 공조장치 전반에 걸친 제품군과 기술력을 보유하고 있고, 현대자동차에 부품을 공급하고 있어 '수소연료전지차(FCEV)'의 성장과 함께 크게 성장할 것으로 전망된다.

9-10. 뉴로스(NEUROS)

국적: 한국
분류: 부품 업체

'뉴로스(NEUROS)'는 유체기계 분야 중 하나인 송풍기 및 압축기를 생산하는 업체로, 스택의 핵심 주변장치인 '공기압축기(Centrifugal Air Compressor)'를 완성차 업체로 공급하고 있다. '공기압축기(Centrifugal Air Compressor)'는 '수소연료전지차(FCEV)'가 외부에서 공급받은 수소가 전기를 생산하기 위해서는 산소가 필요한데, 이때 산소를 외부에서 안으로 들여보내는 핵심 부품이다. '뉴로스'는 '수소연료전지차(FCEV)'에 들어가는 '소형 공기 압축기 개발', 국내 '수소연료전지차(FCEV)'에 납품 중인 '소형 압축기'는 '고분자 전해질 연료전지(PEMFC: Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)'에 장착중이다.

9-11. 이엠코리아

국적: 한국
분류: 부품 업체

'이엠코리아'는 '공작기계 완성품' 및 '부품' 제작 기업으로, '방산', '발전', '에너지 설비', '환경 플랜트 부품', '설비' 등을 구요 주요 업체들에게 납품하고 있다. 자회사로 '이엠솔루션'을 보유하고 있어, '수소연료전지 충전소' 및 '유기성 폐기물 처리 장치' 사업을 영위하고 있다. '이엠솔루션'은 수소충전소 구축 분야에서는 효성과 함께 국내 1위 그룹을 형성하고 있으며, 특히 평창동계 올림픽 개최 시기에 평창·강릉 지역 수소충전소 구축 사업자로 선정되었다. 가장 앞선 기술력 보유 기업으로 인정받아, 현대자동차와 함께 도심형 수소충전소 구축 논의를 거치기도 했다.

9-12. 유니크(Unick)

국적: 한국
분류: 부품 업체

'유니크(Unick Corporation)'는 '유압 솔레노이드 밸브(Hydraulic Solenoid Valve)', '시거잭(Cigar Jack)', '자동차용 시계' 등을 생산하는 자동차 부품 제조업체이다. '유니크'는 '수소연료전지차(FCEV)'용 '수소 제어 밸브(Hydrogen Control Valve)'를 개발하였으며, 2017년에는 연료전지 2세대용 '수소 제어 밸브(Hydrogen Control Valve)'를 개발하였다. '유니크'는 현대자동차에 수소를 스택으로 공급하고 제어하는 등 차량의 상태에 따라 수소량을 제어하는 핵심 장치인 '수소 제어 모듈'을 공급하고 있으며, 2018년 현대자동차와 공동으로 국책 사업인 고출력 '고분자 전해질 연료전지 시스템 실용화 기술개발'을 완료하였다.

9-13. 일진다이아

국적: 한국
분류: 부품 업체
설립: 2004년

'일진다이아'는 공업용 합성 다이아몬드를 제조하는 회사이다. 하지만 '일진다이아'의 자회사인 '일진복합소재'에서 '연료 저장용 복합재료 고압용기'를 생산하고 있다. 해외에 의존하던 기술을 현대자동차와 공동으로 개발하여 독점 납품 중으로, 향후 '수소연료전지차(FCEV)' 시장의 확대 시 커다란 매출 성장이 기대된다.

10. '수소연료전지차' 모델 비교

모델명	넥쏘(NEXO)	미라이(MIRAI)	클래리티(Clarity)
제조사	현대차	도요타	혼다
타입	중형 SUV	중형 세단	중형 세단
연료전지 출력	113kW	114kW	130kW
최고속력	179km/h	178km/h	170km/h
주행거리(1충전)	609km	501km	589km
주행거리(수소 1kg당)	93.9km	100.4km	107.8km
수소탱크 용량	6.33kg	5.00kg	5.46kg
출시년도	2018년 3월	2014년 12월	2016년 3월

10-1. 미라이(MIRAI)

'미라이(MIRAI)'는 '수소 고압 탱크(Hydrogen Storage Tanks)'에 연료인 수소를 700기압으로 압축해서 저장한다. 저장되었던 수소는 필요에 따라 이곳에서 '연료전지 스택(fuel cell stack)'로 보내진다. '연료전지 스택(Fuel Cell Stack)'은 수소와 산소를 화학 반응시켜서 전력을 생산하는 발전 장치이다. 또 하나의 에너지원인 산소는 대기 중에서 공급받는다. '미라이(MIRAI)'의 경우, 공기는 차체 앞쪽에 있는 공기 흡입구로부터 배관을 통해 연료전지로 보내진다. 이 발전에서 배출되는 물질은 '물(H₂O)'뿐이다. 물을 배출하는 배관은 차 뒷부분까지 뻗어 있다. 물은 대부분 수증기 상태로 배출되기 때문에, 겨울에 배관이 얼어 막히거나 도로에 물이 흘러 얼어붙을 염려는 없다. '연료전지'의 전력은 차체 앞쪽에 있는 '파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit)'으로 보내진다. 여기에서 전력을 직류에서 교류로 변환한다. 교류로 바뀐 전력은 전방의 '견인 모터(traction motor)'로 보내지고, 모터의 회전이 앞바퀴로 전해져 차가 달린다.

수소 저장 탱크(Hydrogen Storage Tanks): '수소 저장 탱크'는 연료전지 자동차의 연료 중 하나인 수소를 압축해서 탑재하는 탱크다. 수소는 필요에 따라 '연료전지 스택'으로 보내 발전이 이루어진다. 2대의 탱크 모두 700기압으로 압축된 수소를 충전할 수 있으며, 122.4L에 대해 약 5kg의 수소를 충전할 수 있다.
연료전지 스택(Fuel Cell Stack): '연료전지 스택'은 연료전지 자동차의 심장부로, 여기서 수소와 산소를 반응시켜 발전한다. 연료전지로 발전하려면 내부에 어느 정도의 수분이 필요하다. '미라이'에서는 발전할 때 생기는 물의 일부를 잘 순환시켜서, 세계 최초로 '가습기'를 없애는 데 성공하였다. 가습기가 없어짐으로써 부피로써는 약 15L, 무게로는 약 13kg을 줄일 수 있었다.
파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit): '연료전지(Fuel Cell)'나 '축전지(Battery)'에서 나오는 전력은 '직류'이다. 하지만 '미라이(MIRAI)'의 모터는 교류로 작동한다. 그래서 직류와 교류의 변환을 해야 하는데, 그 역할을 하는 것이 바로 '파워 컨트롤 유닛'이다. 감속할 때 모터로 발전한 교류 전력을 직류로 변환해 축전지로 보내는 역할도 한다.
모터(Motor): '연료전지(Fuel Cell)'로 발전한 전력은 교류 전기로 모터로 보내져, 모터의 회전이 앞바퀴를 굴린다. 모터는 감속할 때는 발전기 역할의 역할도 한다. 모터가 발전한 교류 전기는 '파워 컨트롤 유닛(Power Control Unit)'에서 직류로 변해 '축전지(Battery)'로 보내진다.
축전지(Battery): 운행 상태에 따라서는 연료전지에서 발전된 전력이 남는 경우도 있고, 감속할 때 '모터(Motor)'에서 전력을 발전할 수도 있다. 이런 전력은 '축전지(Battery)'로 보내 저장되고, 축전지에 저장된 전력은 필요에 따라 재이용된다. 예컨대, 언덕길을 오르는 경우처럼 큰 전력이 필요할 때, 축전지에 저장된 전력이 모터로 보내져 이용된다.

10-1-1. 수소 저장 탱크(Hydrogen Storage Tank)

'연료전지(Fuel Cell)'의 에너지원이 되는 수소는 상온에서 기체이다. 기체는 부피가 크기 때문에, 대량으로 자동차에 넣을 수 없다. '미라이(MIRAI)'의 경우, 수소를 고압으로 해서 탱크에 넣는다. 탱크 안에서 수소는 최고 700기압까지 압축되며, 2개의 탱크의 내부 부피는 122.4L로, 약 5kg를 충전할 수 있는 부피이다. 수소 5kg를 충전하면 '미라이(MIRAI)'는 약 650km를 달릴 수 있다. 탱크는 3층 구조로 이루어져 있다. 가장 안쪽에는 '나일론 계통 소재', 중간층은 '탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics)', 그리고 가장 바깥층은 '유리 섬유 강화 플라스틱(Glass Fiber Reinforced Plastics)'의 3층으로 이루어져 있다.

내부층(Inner): 지름이 작은 수소 분자가 빠져나가는 것을 막는 역할을 한다.
중간층(Middle): 고압 탱크의 강도를 확보하는 역할을 한다. '탄소 섬유 강화 플라스틱(Carbon Fiber Reinforced Plastics)'은 각도를 바꾸면서 몇 층이나 겹쳐 감겨 있다. 원통 부분을 거의 수직으로 감아 가는 '후프말기', 탱크 양끝의 돔 모양 부분을 감는 '저각도 헬리컬 감기', 둘의 경계 부분을 보강하는 '고각도 헬리컬 감기' 등이 조합되어 있다. 이에 따라 가능한 한 벽의 두께를 억제하면서, 충분한 강도를 얻을 수 있다. 벽의 두께를 얇게 하면, 공간 절약과 경량화가 가능해진다.
바깥층(Outer): 표면을 보호하는 역할을 한다.

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