한국의 기술로 개발된 수소자동차는 충전식 전기자동차의 단점인 주행거리 한계를 극복한
친환경자동차로 급부상하면서 세계무대를 향해 진출하고 있는데요.
그 내면을 보다 확실하게 들여다보기 위해
수소연료전지차 양산화 기술의 전초기지라고 할 수 있는
현대자동차 마북 연구소를 찾았습니다.
현대자동차그룹에 의해 세계 최초의 양산체계를 갖춘 수소연료전지차 투싼ix는
5년 동안의 연구개발로 탄생된 새로운 친환경 자동차입니다.
국내와 국제 런칭을 통해 대중에게 첫 선을 보인 투싼ix 수소자동차는,
미래형 친환경 자동차분야 종주국으로 우뚝 설 수 있는 기반 조성이자 결실로 평가됩니다.
수소연료전지차는 운행거리가 짧은 충전식 배터리의 문제점을 수소연료로 대체 해결한
신개념 전기자동차이면서도 LPG처럼, 수소를 충전하면
500km이상 어디든 무공해로 운행을 할 수 있는 전천후 자동차로,
서울과 울산 등지를 비롯 덴마크와 스웨덴 같은 친환경도시와 미국에 수출 운행되고 있습니다.
미국 쉘 주유소에 마련된 수소충전소에 하이드로젠 로고가 선명한 낯익은 차 한대가 들어오더니
하이드로젠 충전기 옆에 정차하고 운전자가 직접 수소를 충전하고 있습니다.
충전을 끝낸 투싼ix 운전자는 주유소를 떠나 주택가 도로를 따라 한참을 달리더니
이내 하천과 나란히 조성된 도로로 접어듭니다.
한국의 수소연료전지차는 드넓은 대륙국가에서도 엔진자동차와 같이
전천후 자동차로 입증받고 있고, 그 원동력은 신기술로 이뤄낸 연료전지의 개발입니다.
그리고 이는 세계 최초의 수소자동차 투싼ix 탄생을 만국에 알리는 선두주자 역할을 하고 있습니다.
그래서 1회 충전으로 130km이상을 주행할 수 없는 기술 한계에 부딪친
순수 전기자동차와는 아주 다른, 수소연료전지차의 핵심기술과 원리를 알아봤는데요.
연구소 내에는 1세대 초기 모델부터 양산 모델인 3세대 수소자동차가 차례로 전시돼 있었고,
핵심기술인 수소자동차 연료전지시스템을 비롯한 각종 안전장치에 대한 설명을 들을 수 있었습니다.
3세대라는 변신을 거쳐 탄생된 투싼ix 수소연료전지차의
기술발전과 변천사를 따라가 보는 시간이었습니다.
그렇다면 수소와 산소의 반응으로 전기를 일으키는 소형발전기, 연료전지 핵심기술은 어떤 것일까요?
전기를 만들어내는 융화학기술을 모듈화해 결집시킨 스택에는
수백 개의 연료전지 셀 구성체들이 직렬로 연결돼 있습니다.
각각의 셀 중앙에는 이온 교환막이 있고,
이 막을 중심으로 한쪽은 수소가 다른 한쪽에서는 산소가 통과되면서
전기적 반응을 일으키는 구조인데요.
이온교환막에 부딪친 수소는 이온작용으로 변화돼 전기를 발생시키는 전자와 분리되고,
이 때 발생된 전자는 외부로 연결된 도선을 따라 반대쪽의 분리 판으로 이동하면서
전기에너지와 물을 배출하게 됩니다.
물은, 수소가 교환 막을 통과해 이온상태가 됐을 때
반대편으로 들어오는 산소와 결합해 생성된다고 합니다.
2004년에 처음 출시된 1세대 수소자동차는 아직 이런 모듈화 기술이 적용되지 않아
복잡한 구조만큼 효율도 높지 않았다고 합니다.
특히 2008년에 만들어진 모하비 수소자동차에 보조 동력장치로 장착됐던
고성능 슈퍼 캐패시터는 전기자동차 분야에서는 필수 응용부품이라 생각됩니다.
또 전기에너지를 충전해 보관하는 전기차와 달리,
수소연료만 공급하면 자체적으로 전기를 생성하는 수소자동차는
비축된 전기를 활용해 여러 용도로 사용이 가능합니다.
수소자동차는 이동하는 작은 발전기의 개념으로도 이해가 가능한데요,
수소자동차에서 발생된 전기는 이렇게 일반 가정에서도 직접 이용이 가능하고,
수소자동차 10만대가 보급되면 원자력 발전소 1대가 생산해내는 정도의
전기 활용이 가능하다고 합니다.
발전된 전기로 모터를 구동시키고 컨트롤 하는 수소자동차 기술의 핵심인 ‘스택’과,
발전된 전기를 적절하게 운용하는 운전 장치( BOP),
그리고 모터라는 3가지의 핵심적 기능을 엔진크기로 소형화한 연료전지시스템의 모듈화 기술에는
양산능력의 향상은 물론 다른 차종과 부합되는 신속성이라는 큰 장점이 있는데요.
이는 생산라인의 양산 공유와 원활한 정비서비스에 더해
하이브리드와 전기자동차와의 부품 공용화를 손쉽게 하는 이점 등
무한한 가능성을 내재하고 있습니다.
[김세훈/현대자동차 수소연료전지차 개발팀장]
Q> 투싼 ix 수소자동차의 특징?
기술적으로 보면, 무공해차라는 점입니다. 투싼ix가 운행되면 물밖에 나오지 않거든요,
또 하나는 연료전지 스택에 깨끗한 공기를 집어넣어야 해서
투싼ix가 운행되면 대기 중의 오염물질을 청소해줍니다.
고성능 진공청소기를 계속 틀어놓은 것과 같은 효과입니다.
대기도 깨끗해지고 배출되는 것은 물밖에 없고요, 소음공해도 심한데
투싼ix 는 소음이 거의 나질 않아서 아주 친환경적이라는 것이 장점입니다.
Q> 개발당시 힘들었던 난제는?
저희가 아무래도 10년 이상 늦게 개발을 시작했기 때문에 초기에 특허나 이런 것들을
타사들은 10년 전부터 썼는데 저희가 뒤늦게 따라잡으려다 보니까 어려움이 많습니다.
하지만 지금 어느 회사보다 먼저 양산을 해서, 그런 쪽에서는 상당히 자부심을 느끼고요,
앞으로도 개발해야 되는 것들이 굉장히 많이 남아있기 때문에 내구성도 더 좋게 해야 하고,
원가도 많이 다운시켜야하고 그런 과제를 착실하게 해 나갈 예정입니다.
또한 투싼 수소자동차의 주요 부품들은 국내 200여개 협력사와의 협업을 통해
친환경차 분야의 핵심 기술력을 함께 공유하면서 95% 이상의 국산화율 달성을 이끌어 냈는데요,
물론, 여기에는 한국 유일의 자동차부품 전문개발기업의 힘이 컸습니다.
현대모비스가 개발한 100kW급 대용량 고속 구동모터가
바로 수소연료전지차 동력 발휘의 핵심 부품이기 때문입니다.
투싼 ix로 경기도 양평의 와인딩 로드를 주행하면서
수소연료전지차의 동력성능을 직접 체험해 봤습니다.
“투싼 ix 수소자동차의 실제 성능을 알아보기 위해 제가 직접 시승해보겠습니다.”
투싼 수소연료전지차는 내연기관을 얹은 투싼 ix에 견줄 수 있는
가속성능과 동력성능을 갖췄다고 하는데요,
수소연료전지차는 다른 연소 과정 없이
산소와 수소의 화학반응으로 발생된 전기로 운행되기 때문에 소음이 거의 없습니다.
너무 조용해서 수소연료전지차 주변의 보행자들을 위해
오히려 엔진 사운드를 개발해 적용시켰습니다.
시속 80km까지는 꾸준하게 별 무리 없이 올라가는 모습이고요,
특히나 이런 산길에서 오르막길이나 커브길을 주행할 때도 좋은 힘을 내줍니다.
투싼 수소자동차의 구동 모터는 준중형급 가솔린엔진에 버금가는 출력을 뽑아냈는데요,
전기모터의 특성상 초기 작동부터 큰 토크를 낼 수 있어
시속 80km정도 까지는 내연기관 엔진차보다 뛰어난 동력성능을 보여줬습니다.
산길을 오를 때나 곡선이 심한 코너링시에도 무리 없이 부드럽고 안정적인 주행이 가능했습니다.
주행 후에는 이처럼 물이 배출되는데요. 이 물은 마셔도 될 정도로 순수하다고 합니다.
산과 강을 배경으로 코너 링과 오르막길 주행 시험을 마친 후
수소자동차의 충전을 위해 다시 마북 연구소를 찾았습니다.
수소연료자동차는 연료의 특성 때문에 안전장치들이 많이 필요한데요,
보시다시피 이렇게 접지봉과 접지선이 있다는 점이 특이합니다.
그럼 지금부터 제가 직접 수소연료를 충전해보겠습니다.
수소전지자동차에는 폭발위험을 방지하기 위한 여러 안전장치들이 마련돼 있는데요.
현대자동차는 수소연료의 안전성 우려를 해소하기 위해
총 14개 항목에 달하는 수소저장탱크 인증을 필하고 있습니다.
뿐만 아니라 운행 중 발생될 수 있는 충돌사고에 대비해
고전압과 수소 누출 등 13개 항목의 안전성 인증을 받는 등 신뢰성에 우선하고 있다고 합니다.
또한, 수소연료는 휘발유 가격의 4분의 1수준으로 훨씬 경제적인데요,
2만 5천원에서 3만원 정도면 풀 충전이 가능하고 세금도 붙지 않습니다.
이런 장점에도 불구하고 수소연료전지차는 수소공급 인프라가 부족한 실정입니다.
현재 전국에는 11곳의 수소충전소가 있는데요,
올해 말까지 2곳이 더 추가될 예정이고, 2020년까지 10곳이 더해져
오는 2025년에는 200여 곳의 수소충전소가 세워질 것으로 보입니다.
하지만 내년 양산형 수소연료전지차를 만들겠다고 밝힌 일본의 경우
출시년도에 충전기 100기, 수소자동차 2000대를 보급하겠다고 발표한데 반해,
그보다 10년 뒤의 로드맵에서도 10분의 1수준의 충전 인프라를 만들겠다는
한국 정부의 방침은 수소자동차의 보급을 활성화시키는데 무리가 있어 보입니다.
유럽과 미국에 이미 판매를 시작한 현대자동차는
올해 국내에 총 40대의 투싼ix 수소연료전지차를 판매할 예정이며,
10년 안에 총 1만 대 이상의 수소자동차를 국내에 보급하겠다고 밝혔습니다.
투싼ix의 아킬레스건은 가격인데요, 현재 1억 5천만원으로 책정된 가격은
수소연료전지차의 시장이 커지고 기술 개발이 진전됨에 따라 점차 낮아져서
이르면 2020년부터 일반 고객들의 수요가 급증할 것이라고 현대차 측은 전망했습니다.
현재 걸음마 단계인 전 세계 수소자동차 시장규모는 2025년에 이르면
32조 원까지 급격하게 커질 것으로 전망되고 있습니다.
그래서 많은 자동차 업체들이 치열한 경쟁을 벌이고 있는데요,
내년 도요타의 양산형 수소연료전지차가 시장에 선보이는 등
각국의 자동차 업체들 또한 수소연료전지차 시장에 관심을 보이는 만큼
충전 인프라 확충과 기술 개발을 통한 상품성 개선 등의 대비책이 필요할 것으로 보입니다.
교통뉴스 윤희정입니다.
