수소연료전지차, 오리일까? 백조일까?
수소연료전지차, 오리일까? 백조일까?
  • 김종율 기자
  • 승인 2019.08.09 07:53
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수소연료전지 자동차는 친환경 자동차 중에서도 참 애매한 위치에 있다. 미래 가치는 분명 인정받지만 위력이 터지는 그 시기가 언제일지 모호하기 때문이다.

세상을 바꿀 것 같은 위대한 기술들은 그동안 많았다. 1960년대에 등장한 인공지능, 1900년대 초중반에 처음 등장했던 자율주행 자동차, 1800년대에 이미 그 개념이 시작된 전기자동차 등이 대표적이다.

그렇지만 이들 중에서 시장성을 동반하여 우리 곁으로 안착한 기술은 그리 많지 않다. 많은 것들은 아직도 ‘진행형’인 상태에 머물러 있다. 이처럼 ‘진행형’이 계속되면 최악의 결과는 시장에서 도태될 확률이 높아진다. 물론 인공지능이나 자율주행 자동차 등은 업계의 오랜 노력으로 인해 이제 빛을 보려하고 있지만, 이렇게 빛을 보지 못하고 사라지는 기술이 더 많다는 의미이다.

업계에서 차대세 먹거리로 주목하는 친환경 자동차의 대표적인 종류는 ▲수소연료전지차 ▲배터리 전기차 ▲플러그인 하이브리드 자동차 ▲하이브리드 전기차 등이다.

수소연료전지차(FCEV)는 수소를 사용하여 발생시킨 전기로 모터를 구동하는 방식이고, 배터리 전기차(BEV)는 내연기관 없이 배터리와 모터로 구동하는 방식이다. 그리고 하이브리드전기차(HEV)는 내연기관과 전기에너지를 동력원으로 사용(외부 충전 불필요)하는 방식이고, 플러그인 하이브리드차(PHEV)는 하이브리드와 같은 구동 방식이지만, 외부의 전력과 연결시켜 배터리를 재충전할 수 있는 방식이다.

이렇게 봤을 때 친환경 자동차는 동력원으로 전기를 이용하는 자동차와 수소를 이용하는 자동차 등 크게 두 가지로 압축된다고 볼 수 있다.

친환경 자동차 중에서 현재 시장을 이끌고 있는 것은 전기자동차이다. 올 상반기 동안 글로벌 시장에서 판매된 전기자동차는 거의 100만대 수준인 것으로 파악되지만 수소자동차는 고작 3000대 수준에 그쳤다.

수소차와 관련, 시장이 이처럼 황폐한 것은 수소자동차가 가진 기술적인 문제와 더불어 현재 상용화된 수소연료전지차가 단 3종에 불과하다는 등 다양한 이유가 있다. 2019년 상반기 미국에서 가장 많이 판매된 수소연료전지차는 혼다의 클래리티 FCV로 3077대이다. 이어 토요타의 미라이가 616대, 현대 넥쏘는 59대의 판매에 불과했다.

이런 상황인데도 우리 정부는 수소경제를 내세우며 수소연료전지자동차를 밀고 있다. 이는 다시 말해 수소연료전지자동차의 성장성을 믿는다는 뜻이다.

TechNavio가 발표한 자료(Global Fuel Cells Market For Automotive Industry)에 의하면 향후 수소자동차의 성장성은 분명 높다. 이 시장에서 판매량은 아시아-태평양 지역이 2016년 1810대에서 2021년에는 2만 4300대로 증가하고, 북미 지역이 2016년 950대에서 2021년 2만대로 증가한다. 그리고 유럽 지역이 2016년 340대에서 2021년 1만 7700대의 판매량을 기록한다.

이 자료에서는 특히 2016년 전 세계적으로 약 3100대가 판매된 것에 불과한 수소연료전지차는 2021년 약 6만 2000대가 판매될 것으로 기대하고 있다.

이 예측은 각국 정부의 수소차에 대한 움직임이 반영된 데이터이다. 예를 들면 중국 정는 2017년 수소연료전지차 로드맵을 확정하여 2030년 수소연료전지차 100만 대 시대를 공식화했고, 독일 일 정부는 ‘국가 수소 및 연료전지 기술혁신 2단계 프로그램(NIP2)을 통해 수소연료전지 연구개발과 인프라구축을 지원하고 있다.

그리고 현재 일본은 정부의 적극적인 지원과 상용화 정책에 힘입어, 혼다·토요타·닛산 등 3대 완성차 업체가 앞다투어 신형 수소연료전지차를 출시하고 있다.

우리 정부도 이 기류에 동참하고 있다. 2019년 저부는 ‘수소경제 활성화 로드맵을 통해 2022년까지 한국에 전기차 43만대, 수소연료전지차 6.7만대를 보급할 계획을 수립했다고 발표했다.

수소연료전지자동차의 원리
이제 수소연료전지차의 원리도 조금 알아보자. 수소연료전지차는 전기차와 유사하게 동력원이 전기이며, 모터에 의해 구동되는 기계적 구조이다. 하지만 전기차가 배터리(2차전지)에 충전된 전기를 사용하는 것에 반해 수소연료전지차는 수소의 화학 반응으로 생산된 전기를 동력원으로 사용한다.

수소연료전지차는 기존 자동차의 엔진에 해당하는 연료전지 스택과 운전장치, 전장장치, 수소저장장치로 구성된다. 수소연료전지차는 고압수소탱크에 저장된 수소가 연료전지 스택으로 공급되는 동시에 대기로부터 유입된 산소도 연료전지 스택으로 유입되어 연료전지 내부에서 산소와 수소가 전기화학 반응을 통해 전기를 생산하게 된다. 이 전기는 구동모터로 공급되어 회전에너지를 발생시키며, 이 에너지는 감속기 등을 통해 적절한 속도로 바퀴에 구동력을 전달하게 된다.

스택(Stack)은 일반적으로 수백 개의 셀(단위전지)을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체를 일컫는다. 연료전지의 스택은 수소연료전지차 원가의 40%의 비중을 차지하는 핵심부품으로서 다수의 셀을 적층하여 차량 구동에 적합한 전기에너지를 발생시키는 역할을 한다.

순수 전기로만 운행하는 전기차와 수소차를 비교했을 때 수소연료전지차는 1회 충전 주행가능거리와 충전시간에 장점이 있고, 전기차는 차량 가격과 연료의 가격, 충전 인프라구축에서 장점이 있다.

수소연료전지차는 중요한 것은 내연기관의 엔진에 해당하는 연료전지에서 전기를 만들며 내연기관의 휘발유나 경유와 같은 연료를 수소로 대신하며, 전기차의 구동 방식인 모터로 구동축을 회전시킨다는 것이다.

이러한 구조는 전통적인 내연기관 차량의 장점인 긴 주행거리와 연료충전의 편리성과, 전기차의 친환경성을 가진 수소연료전지차만의 장점으로 나타난다. 그러나 전기차와 내연기관의 장점만을 가질 수도 있지만 두 가지의 구조를 모두 가져야 하는 단점으로 인해 비용의 상승과 구조적 복잡함을 동반하는 단점도 있다.

가격은 현재 내연기관 자동차의 2.5배인 6000만원~8000만원정도 하는데, 이렇게 비싼 것은 수소자동차의 좁은 시장성 및 원천적인 기술적 복잡성, 그리고 비싼 연료전지 가격 등이 복합적으로 작용한다고 볼 수 있다.