[인사이트코리아=노철중 기자] 글로벌 자동차 시장에서 전기차 경쟁이 치열한 가운데 또 다른 친환경차로 수소전기차(FCEV)가 주목받고 있다. 전기차는 배터리가 자동차 구동의 핵심이라면 수소전기차는 수소연료전지 스택이 핵심이다. 수소연료전지 스택은 내연기관차의 엔진과 같은 역할을 하며 수소를 공급받아 에너지를 생산해 자동차를 구동시킨다.

수소연료전지는 자동차뿐만 아니라 대체 에너지원으로도 관심을 받고 있다. 정부는 2019년 1월 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발표한 바 있다. 수소경제 활성화 로드맵은 크게 수소전기차와 연료전지를 핵심축으로 한다. 2040년까지 수소전기차 누적 생산량을 620만대로 확대하고 세계시장 점유율 1위를 달성하겠다는 목표를 제시했다. 또 발전용 수소연료전지를 15GW 이상으로 확대하고 수출산업화를 추진하겠다는 계획이다.

현대자동차그룹은 정부의 수소경제 정책 추진에 주춧돌같은 기업으로 통한다. 현대자동차의 수소전기차 넥쏘는 지난해 전 세계에서 6500대가 판매되며 1위를 달렸다. 전체 수소전기차 판매량 중 넥쏘의 시장점유율은 70%에 이른다. 현대자동차그룹은 지난 3월 2일 중국 광저우에 해외 첫 수소연료전지시스템 생산 공장 건설을 위한 기공식을 갖기도 했다. 신설법인명은 현대차 수소연료전지 브랜드 ‘HTWO’를 적용해 HTWO 광저우로 정했다.

수소연료전지 차량용 스택의 성능 리커버리 기술 연구

수소경제를 위한 정책은 세계 각국에서도 최우선 과제로 추진하는 중이다. 수소전기차와 수소연료전지에 대한 생산과 연구·개발도 활발히 진행 중이다. 현대자동차 연구개발본부 연료전지사업부 추현석 연료전지시스템시험팀 팀장(박사)은 ‘수소연료전지 차량용 스택의 성능 리커버리 기술’ 연구로 수소연료전지 개발에 참여하고 있다. 수소연료전지 차량용 스택은 내연기관차의 엔진과 같은 역할을 한다.

논문에서 소개한 세 가지 리커버리 기술은 현재 넥쏘 차량의 스택에도 적용된 기술인가요?

“스택 성능 회복을 위한 리커버리 기술을 개발했지만 현재 넥쏘 차량에는 적용되지 않고 있습니다. 이유는 성능 회복을 위한 요구 운전 조건들이 차량 환경에서 구현하기 어려운 부분이 있기 때문입니다. 대신 내구 연한을 마친 스택을 차량에서 탈거한 후 발전 등에 재생하는 관점에서는 향후 활용성을 기대할 수 있습니다.”

리커버리 기술이 적용된 FCEV는 어떤 장점이 있나요?

“차량 운전 중 스택의 촉매가 고전위에 연속적으로 노출되면 촉매 표면에 산화물 형성이 되어 연료전지 스택의 촉매 활성이 감소함으로써 시스템 효율이 낮아지는 문제가 발생합니다. 차량 환경에서 촉매 활성 저하를 회복시키는 리커버리 기술이 적용된다면 연료전지 시스템 효율향상에 기여할 것으로 예상됩니다.”

FCEV 구동원리에 대해 간단히 설명해 주시죠.

“연료전지 스택은 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전기를 발생하게 됩니다. 스택 내부에는 전기 발생부인 막-전극 접합체가 있으며 전해질 막과 백금-담지체로 구성되는 전극이 접합되어 구성됩니다. 원활한 가스 공급과 물 배출을 위해서는 분리판과 가스확산층이 설계된 기능을 적절히 구현하는 것이 요구됩니다.

스택 주변에는 공기·수소·냉각수 공급을 담당하는 주변장치가 있어 스택에서의 원활한 전기 발생, 냉각, 효율 개선 등의 역할을 담당합니다. 고효율·고내구의 연료전지 스택 운전을 위해서는 스택뿐만 아니라 주변장치 간의 종합적인 시스템 운전 기술이 매우 중요합니다. 스택에서 발생하는 전기는 컨버터를 거쳐 모터를 구동하게 됩니다.”

토요타 미라이와 넥쏘의 연료전지 스택의 차이점은 무엇인가요?

“1세대 미라이와 넥쏘의 스택은 여러 면에서 차이가 있습니다. 스택의 구성은 시스템 구성과 밀접한 관계가 있습니다. 예를 들면 미라이의 경우 시스템 상 가습기가 없어 스택 내부에 항습을 유지해야 하는 구조입니다. 이를 위해 스택 형상 및 소재가 최적화되어 있습니다. 스택 내구 발전부의 촉매 및 막 사양 역시 차이가 있습니다.”

차량용 연료전지 스택과 관련해 개발 중인 또 다른 기술이 있나요?

“연료전지 시스템 운전 기술을 개발하고 있습니다. 차량 적용 전 시스템 단위에서 목표로 하는 효율과 내구 개선을 위한 다양한 운전 조건을 도출 및 검증 시험을 진행합니다. 이후 실제 차량에 적용성을 검증하고 있습니다. 성능 리커버리 기술도 이런 관점에서 활용성을 기대하고 있습니다. 차기 스택은 기존 스택 대비 가격·내구 관점에서 보다 높은 목표를 달성하고자 합니다. 이를 위해 스택을 구성하는 소재에서부터 시스템 운전기술까지 신규 기술을 적용하고자 노력하고 있습니다.”

연료전지 스택을 내연기관차의 엔진이라고 하는데 미래에는 수많은 내연기관 엔진처럼 다양한 종류의 연료전지 스택이 개발될 수 있을까요?

“향후에는 승용차뿐만 아니라 버스·트럭과 같은 상용 및 발전, 항공용까지 다양한 분야에서 연료전지 스택이 동력원으로 활용될 것으로 기대됩니다. 연료전지 시스템은 적용되는 시장에 따라 원가·구성·내구·효율 측면에서 요구되는 상품성이 다양합니다. 시장 요구 사항에 맞도록 다양한 소재 및 시스템 구성을 맞추어 개발하는 것이 중요합니다.”

차량용 수소연료전지 스택에 대한 연구 개발 현황은 어떻습니까? 현재 넥쏘가 세계 FCEV 판매량 1위를 달리고 있는데 자동차 선진국인 독일이나 미국의 상황은 어떤지 궁금합니다.

“최근 수소 산업에 대한 관심이 급증하고 있고 관련 산업 움직임이 매우 활발합니다. 특히 토요타의 경우 수소연료전지차 개발이 활발히 진행되고 있는데 수소차의 내구 및 효율, 가격 측면에서 현대차와 한 치의 양보도 없는 치열한 경쟁을 벌이고 있습니다. 미국과 독일의 경우 국가연구소 등에서 연료전지 기초 및 응용 연구 분야에서 좋은 연구 결과를 내고 있습니다. 최근 독일에서는 정부 주도로 국가 수소 산업 로드맵을 발표했으며 수소 상용차 분야에서도 가시적인 협력 방안이 발표되고 있는 것으로 알고 있습니다.”

미래 수소연료전지는 어디까지 발전 가능할 것으로 보시는지요?

“향후 수소연료전지를 이용한 발전은 점차 확대될 것으로 보고 있습니다. 앞서 말씀드린 바와 같이 버스·트럭 등과 같은 분야에서 활용성이 점차 확대될 것입니다. 연료전지를 활용한 발전 시장 역시 기대되는 분야입니다. 연료전지시스템의 활용은 트램·선박·항공 등 동력원을 필요로 하는 다양한 분야로 적용이 점차 확대될 것으로 기대하고 있습니다.”