수소연료전지차 기술 현황 및 전망

SUMMARY

목적

수소연료전지차 국내외 기술개발동향을 분석하여 “First mover”의 지위를 지속적으로 유지할 수 있도록 관련 산업의 기술개발 고취와 기술개발 방향 제시

주요현황

한국은 ’13년 세계 최초로 수소연료전지차 양산을 시작하였으며 글로벌 리더로 나아가기 위한 상용화를 위한 기술개발을 진행 중

2014년 FC EXPO에서 발표한 경쟁국가 기술을 분석해 보면 일본의 경우 양산은 국내에 비해 뒤처져 있지만 연료전지시스템의 기술적인 면에서는 국내보다 높은 수준임

시사점 및 정책 제안

국내에서 수소연료전지차 가격 저감을 위한 양산기술과 내구성 확보 등에 치중하고 있을 동안 일본은 기술 확보를 통한 초기 양산 가격수준을 달성

이번 FC EXPO에서 전반적으로 국내 수소연료전지차의 양산기술과 내구성이 해외 경쟁사보다 우수한 것으로 나타났으나 2015년 미국, 유럽 등의 초기시장 경쟁에서 일본에 비해 가격경쟁이 뒤처질 것으로 전망

본격적인 시장경쟁(일반인 판매)이 전망되는 2017~2020년에 가격경쟁이 가능한 기술을 확보할 수 있도록 관련 산학연 및 정부의 관심과 지원이 필요

ｌ저자ｌ 손영욱 PD / KEIT 그린카 PD실 서재익 책임 / KEIT 그린카 PD실

이준석 선임 / KEIT 그린카 PD실

구영모 선임 / 자동차부품연구원

수소연료전지차 기술 현황 및 전망

PD ISSUE REPORT MARCH 2014 VOL 14-3KEIT PD Issue Report

062 한국산업기술평가관리원 063Korea Evaluation Institute of Industrial Technology

1. FC EXPO 2014 전시회 개요

전시회 개요

일본에서는 국내외에 수소ㆍ연료전지 기술과 제품을 매년 개최하고 있으며 효율적인 전시를 위해 수소연료전지박람회(FC EXPO), 풍력발전박람회(WIND EXPO), 태양광발전시스템박람회(PV SYSTEM EXPO), 태양광박람회(PV EXPO), 배터리박람회(BATTERY EXPO), 프로세싱테크놀로지박람회(ENETECH JAPAN), 친환경주택박람회(ECO HOUSE& ECO BUILDING EXPO), 스마트그리드박람회(SMART GRID EXPO)를 동시에 개최하고 있음.

- 2004년 1회를 시작으로 10회째 박람회를 개최

- 기간 및 장소 : 2014년 2월 26~28일 ,도쿄 빅사이트(Tokyo Big Sight)

- 방문자수 : 67,371명(FC, PV, PV System, Battery EXPO 합계)

- 전시업체 : 도요타, 혼다, 닛산 등 200여개 업체(FC EXPO)

- 주최 : Reed Exhibitions Japan Ltd.

※ FC EXPO 홈페이지 : www.fcexpo.jp

이번 전시에는 ’11년형 FCV-R 후속으로 2015년 양산할 것으로 계획된 Toyota 수소연료전지차가 전시되어 향후 수소연료전지차 시장이 확대될 것이라는 전망과 각국의 완성차업체에서 상용화를 위한 이슈에 대한 발표를 하였음

| 그림 4-1 Toyota 수소연료전지차와 스택 및 수소탱크(2015년 출시계획) |

※ Toyota 수소연료전지차 홈페이지 : www.toyota.com/fuelcell

| 그림 4-2 Nissan 수소연료전지차와 스택(2015년 출시계획) |

ISSUE 4수소연료전지차 기술 현황 및 전망


2. 수소연료전지차의 이해

수소연료전지차의 개념

수소연료전지차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)는 수소와 산소를 이용하여 전기화학반응으로 전기를 생성하고 모터를 구동시켜 운행되는 자동차

- 장점 : 1충전 주행거리 600km, 유해물질 무배출, 정속성, 순간출력, 다양한 방식으로 제조 가능한 수소연료 등

- 단점 : 수소충전을 위한 수소충전소 추가 구축 필요, 높은 차량가격

| 그림 4-3 기존 자동차와 수소연료전지차와의 비교 |



수소연료전지차의 구조

수소연료전지차는 기존 자동차의 엔진에 해당하는 연료전지시스템과 전장장치, 수소저장장치로 구성되어 있으며 연료전지시스템에는 연료전지 스택과 수소·공기·물을 관리하는 운전장치로 분류됨

- 스택 : 수소와 산소가 만나서 전기를 발생시키는 장치로 다공질 탄소막을 접합시켜 기체의 확산을 최적화 및 촉매층과 접촉을 용이하게 하는 투과막/전극접합체(MEA : Membrane/Electrode Assembly)와, 연료와 공기의 통로가 되면서 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 수행하는 분리막(Separator 혹은 Bipolar plate)으로 구성됨

- 운전장치 : 스택에 수소와 공기를 공급, 제어하고 발생되는 물과 열을 제거하는 장치로 공기공급계(APS : Air Process System), 열 및 물 관리계(TMS : Thermal Management System), 수소공급계(FPS : Fuel Process System)로 구성됨

- 전장장치 : 연료전지스택으로부터 출력된 DC를 AC로 변환하는 인버터와 제동시 발생하는 전기를 저장하기 위한 슈퍼커패시터 및 이차전지 등으로 구성됨

- 수소저장장치 : 고압수소를 저장하고 압력을 조절하는 장치로 수소탱크, 압력조절밸브, 탱크내장형 솔레노이드 밸브, 압력센서, 수소센서 등으로 구성됨

| 그림 4-4 수소연료전지차의 구조 |



3. 국내·외 기술개발 동향

국외 기술개발 동향

1990년대부터 독일 Daimler, 일본 Toyota가 개발을 시작하였으며 현재 내구수명 20만km와 영하 30oC 시동기술이 확보됨. 기술적으로는 상용화 수준에 있으나 시장진입의 걸림돌인 1억 원 이상인 차량가격을 낮추는데 연구를 진행 중임

| 그림 4-5 주요 해외 완성차업체의 수소연료전지 기술 동향 |

※ 수송용 연료전지 보급 확산을 위한 생태계 구축 방향(한국자동차산업연구소, 2014)

이번 FC EXPO에서 국내외 주요 완성차업체가 Technical conference에 참여하여 현재 기술과 전망 등에 대한 토론이 진행되었음

미국 GM에서는 현재까지 수소연료전지차 실증에서 가장 많이 주행된 차가 16만km 이상이며 실증사업에 투입된 수소연료전지차의 충전횟수가 34,000회이며 이로 인한 온실가스 저감효과는 253톤에 해당한다고 발표함

독일 Daimler는 온실가스 저감에 탁월한 전력기반차1) 중 전기차는 주행거리 100~150km, 수소연료전지차는 주행거리 400km이상에서 적합하다고 발표함.

- Daimler의 기존 수소연료전지차는 연료전지시스템을 차량 언더바디에 탑재하는 형태였으나 차기 차종에서는 자동차 앞쪽 bonnet에 탑재하는 형태

1) 전력기반차 : 화석연료가 아닌 전기, 연료전지 등을 사용하여 직간접 ‘고출력 전기 동력’을 생성하여 구동하는 자동차

- 전기차(EV), 플러그인하이브리드차(PHEV), 하이브리드차(HEV), 수소연료전지치(FCEV)

※ 제 10차 녹색성장위원회 보고 “그린카 사업 발전전략 및 과제”(2010)



| 그림 4-6 Daimler 수소연료전지차의 연료저지시스템 Target(FC EXPO 2014) |

일본 Toyota는 친환경차 개발에 현재 확보된 하이브리드차 기술을 접목하여 수소연료전지차 가격을 저감시키고자 노력하고 있다고 발표함.

- 전기차는 단거리에서 장점을 가지지만 주행거리가 증가할수록 시스템 가격이 증가하는 단점이 있어 수소연료전지차 유리

- 현재 Toyota 수소연료전지차 기술은 20만km 내구와 1충전 주행거리 830km2), 영하 30oC 시동을 달성(2015년 출시차량 1충전 500km)

- 2015년에 출시되는 수소연료전지차 가격저감 형태를 5가지로 설명

① 부품 제거/감소 : 가습기를 제거시키고 수소저장탱크 3개에서 2개로 감소시킴

② 대량생산 제품 이용 : 하이브리드차의 공용부품 적용

③ 부품구조 간소화 : 연료전지스택, 수소저장탱크

④ 소재가격 저감 : 스택성능을 2배로 증가시켜 고가의 소재 적층수 감소, 백금사용량 저감, 수소저장탱크에 사용되는 카본파이버 감소

⑤ 제조방식 향상 : 핵심부품인 막전극접합체 제조시간 단축, 스택체결 자동화, 수소저장탱크 카본파이버 winding 속도 개선

2) 10-15 mode : 일본 연비모드로 시가지 주행 10 mode를 기본으로 최고속도 70km/h인 15 mode인 고속패턴을 추가한 것



| 그림 4-7 Toyota 친환경차 가격 저감을 위한 HEV 부품 적용 형태(FC EXPO 2014) |

| 그림 4-8 EV, FCEV의 주행거리 대비 시스템 가격 비교(FC EXPO 2014) |

일본 Honda는 독창적인 “V-flow” 구조를 가진 연료전지 스택의 성능을 개선하여 미국 DOE3) 2020년 목표를 상회하는 출력밀도 3kW/L, 2kW/kg을 달성하였다고 발표함.

- 기존 Honda 수소연료전지차 “FC Clarity”에서는 스택을 차량 바닥인 언더바디(Center tunnel)에 탑재하였으나 ’15년 출시차량은 연료전지 스택을 앞쪽 bonnet에 탑재

3) DOE(Department of Energy, 미국에너지성) : 수소연료전지차 상용화를 위한 시스템, 부품의 기술수준, 가격 등 목표를 2020년까지 제시하고 있으며 이 목표치를 기술개발 지표로 국내외에서 연구개발을 진행 중



- 기존 내연기관과 유사한 연료 충전시간(3분), 1충전 주행거리(482km)를 달성

- Honda사는 수소연료전지차의 개발 이슈를 3가지로 설명

① 내구성/신뢰성 : 시동/정지가 주요 성능열화 인자이며 일정한 환경을 유지하는 것이 중요

② 품질관리 : 전해질 막, 전극, 기체확산층, 분리판 등 수백장이 적층되는 스택의 기계적 구조가 중요하기 때문에 보다 면밀한 관리가 필요

③ 가격저감 : 스택 적층시간 저감, 고가의 소재 저감(저백금), 대량생산

- ’15년에는 Honda 자제기술의 수소연료전지차를 출시하고 2020년에는 미국 GM과 공동개발한 수소연료전지차를 출시할 계획

AIR

Coolant-layer configuration

Reduced coolant-layer configuration

MEA

MEA

Coolant

AIR

H2

H2

H2

Coolant

MEA

MEA

Coolant

Air

H2

Air

Reduced thickness

| 그림 4-9 Honda “V-flow” 분리판 형태 및 이를 이용한 스택적층 부피 저감 형태 |

※ 18th World Hydrogen Energy Conference 2010, “The Honda FCX Clarity”

| 그림 4-10 2015년 출시예정인 Honda 수소연료전지차와 스택 |

※ Honda 수소연료전지차 홈페이지 : world.honda.com/FuelCell



일본 Nissan은 석유, 석탄, 천연가스, 핵연료, 바이오, 신재생 등을 이용한 전기를 이용해 전기차와 전기를 통한 수소를 생산하고 이를 수소연료전지차에서 이용하는 형태로 수송분야 연료의 1차 에너지원의 다변화를 발표함

- 수소연료전지차의 상용화를 위한 기술이슈를 4가지의 형태로 설명

① 영하조건에서 시동 : -30oC 영하조건에서 시동 시 초기에 생성되는 물이 얼어버리는 현상 방지기술

② 스택 소형화 : 한정된 차량공간에 탑재할 수 있는 스택 부피(’05년 스택부피를 ’11년 40% 수준으로 소형화함)

③ 스택 내구성 : 촉매열화와 카본담지체의 산화 방지기술(원자 또는 분자 단위의 분석기술 필요)

④ 수소연료전지차 가격 : 기술 극복과 대량생산을 통한 가격저감, 스택뿐만 아니라 운전장치의 가격저감도 필요하며 특히, 스택의 MEA(막전극접합체) 제조가격 저감이 중요(2013년의 DOE 자료에도 초기시장에서는 MEA가격이 백금촉매보다 높은 것으로 분석되고 있음)

| 그림 4-11 미국 DOE에서 분석한 2013년 수소연료전지차 스택 가격 |

※ “Fuel Cell System Cost”(DOE, 2013년 10월)

국내 기술개발 동향

현대자동차는 ’13년 전세계 최초로 수소연료전지차를 양산하였으며 지금까지 230대의 승용차와 버스를 실증하였고 470만km를 주행하였다고 발표함.

- ’13년 양산 수소연료전지차 “ix35”의 1충전 주행거리는 594km, 휘발유 환산 연비는 27.8km, 냉시동 온도는 –25oC임

- 운전장치 소형화와 대량생산 기법인 Die-casting4)을 통하여 가격을 저감시킴

4) Die-casting(다이캐스팅) : 필요한 제품을 CNC 가공 등을 통하지 않고 금속을 용융하여 제품을 만드는 정밀 주조법



- 실험실에서 시험한 연료전지시스템과 실제 수소연료전지차의 연료전지시스템의 성능감소 현상이 동일한 결과를 도출(20만km 내구 달성)

- 차기 수소연료전지차 모델은 EV/HEV 공용부품을 이용하고 기존 2L급 엔진크기와 동등한 연료전지시스템을 개발할 계획

2016년까지 스택 부품 100% 국산화, 5,000시간 이상 스택 내구성 확보, 4시간 이내 Stacking으로 생산성 확보를 위한 자동화 기술개발이 진행 중

4. 시사점 및 정책 제안

시사점

FC EXPO의 국내외 완성차업체의 발표자료에 의하면 수소연료전지차의 상용화를 위해서는 차량가격 저감이 필수적임.

- 수소충전소 확충이 필요하다는 내용은 모든 완성차업체에서 언급하고 있으나 이는 각국의 초기시장 보급 정책방향대로 추진되고 있다고 보고 있음

미국 DOE에서는 2013년 기준으로 연간 1천대를 지속적으로 생산 시 연료전지시스템 가격을 1만 8천 달러로 추정하고 있으며 현 수준에서 기술개선만으로도 60%이상 가격 저감이 가능할 것으로 전망되고 있음.

| 그림 4-12 수소연료전지차 상용화에 필수적인 가격저감을 위한 기술향상과 양산 |

※ 수송용 연료전지 보급 확산을 위한 생태계 구축 방향(한국자동차산업연구소, 2014)



현재 전 세계에서 유일하게 판매5)가 가능한 수소연료전지차는 현대자동차의 “ix35”이며 차량 판매가격이 1억 5천만원에 육박함. 현재 연간 수백대의 생산수준으로 DOE가 예측한 1천대 수준에는 못 미치고 있음.

’15년 일본 Toyota, Honda가 수소연료전지차를 양산하여 자국의 공공기관에 500백대 이상을 보급하는 것으로 발표하였으며 차량가격은 약 7천만원으로 예상되고 있음

지금까지 국내 수소연료전지차 기술이 세계 최고 수준에 있다고 볼 수 있었으나 3년 사이에 일본의 연료전지시스템 성능이 개선된 수준이 아니라 완전히 새로운 기술수준으로 발전된 것으로 발표되었음

- ’11년 국내 미흡한 스택기술을 해외최고수준까지 확보하기 위해 정부지원으로 “100kW급 자동차용 연료전지 스택부품 국산화 및 stacking 자동화 기술개발”이 진행 중이며 2016년까지 스택 출력밀도 2kW/L(’11년 당시 Toyota 2kW/L)를 목표로 하고 있음

- FC EXPO에서 Toyota와 Honda는 연료전지 스택 출력밀도를 2020년 미국 DOE 목표인 2.5kW/L를 상회하는 3kW/L를 달성하였다고 발표(기술적으로 2020년 이후에나 가능할 것으로 보였던 성능을 구현)

국내에서 수소연료전지차 가격 저감을 위한 양산기술과 내구성 등에 치중하고 있을 때 해외 경쟁사는 기술 확보에 더욱 투자를 하여 양산을 통한 가격저감 효과보다 더 많은 가격 저감을 기술로 해결함

- 이번 FC EXPO에서 전반적으로 국내 수소연료전지차의 양산기술과 내구성이 해외 경쟁사보다 우수한 것으로 나타났으나 2015년 미국, 유럽 등의 초기시장 경쟁이 가격경쟁에서 뒤처질 것으로 전망됨

’15년부터 완성차간의 수소연료전지차 경쟁이 시작될 것으로 보이며 보급이 초기에는 차량가격이 시장경쟁의 주요 인자로 적용될 것으로 여겨짐

- 스택부피, 고압수소용기 등에 의해 SUV 형태로 출시되었던 수소연료전지차가 일반인 보급형인 세단형태로 출시될 것으로 전망되고 있음

본격적인 시장경쟁은 공공보급이 아닌 일반인 판매시기인 ’17~’20년 사이에서 이루어질 것으로 예상되고 이 기간 전후로 부품업체간의 기술경쟁이 치열해질 것으로 보이므로, 지금이라도 독창적인 선도기술을 산학연 협력으로 확보할 수 있도록 정부의 지원이 필요

- FC EXPO를 통한 국내의 기술개발이 필요한 분야는 아래와 같음

① 전해질 막 및 막전극접합체 기술 : 초기시장에서 스택 가격 30%이상을 차지하고 연료전지 내구성을 결정짓는 핵심소재

② 분리판 기술 : 산소확산과 물 배출을 개선할 수 있는 다공성 분리판 등의 기술로 Toyota, Honda, Nissan의 경우 기본개념을 확립함(성능향상 50%)

③ 수소저장장치 기술 : 안전성 관련 연구가 부족해 가능한 많은 카본파이버를 사용하고 있음(Toyota의 경우 카본파이버 소재 및 제조기술을 통한 소재 사용량을 줄이고 안전성을 확보)

④ 촉매저감 기술 : 3년 이내 달성해야하는 시급한 기술은 아니지만 1만대 이상의 차를 생산하는 시기에는 촉매가격이 전해질 막 가격보다 높아질 것으로 예측되고 있어 장기적인 기술개발이 필요

5) 수소연료전지차를 판매하기 위해서는 국내 “자동차관리법” 등과 같은 차량 인증을 받아야 하며 현재 현대자동차의 수소연료전지가 유일하게 유럽, 국내, 미국 인증을 통과 또는 진행 중에 있음



5. 결론

’14년 2월에 있었던 FC EXPO의 각국의 수소연료전지차 기술 동향을 정리 및 분석하여 국내 수소연료전지차의 초기시장 경쟁력 확보를 위한 정책제안을 제시함

경쟁국 대비 앞서 있는 양산기술과 내구성 기술은 유지하되 DOE에서 예측한 대량생산 전단계의 기술개발을 통한 가격저감 60% 달성과 미흡한 기술을 확보할 수 있도록 관련 산학연 및 정부의 관심과 지원이 필요

[참고문헌]

1. “Daimler’s Perspective on Commercialization of Fuel Cell Technology: Opportunities and Challenges”, Daimler AG, FC EXPO 2014 Technical conference

2. “Fuel Cell Electric Vehicle-Development Focus at GM”, General Motors LLC., FC EXPO 2014 Technical conference

3. “Current Status of Development and Commercialization of Fuel Cell Electric Vehicle”, Hyundai Motor Co., FC EXPO 2014 Technical conference

4. “FCV Development and Initial Market Creation”, Toyota Motor Corp., FC EXPO 2014 Technical conference

5. “Honda Fuel Cell Electric Vehicle Development and Introduction”, Honda R&D Co. Ltd., FC EXPO 2014 Technical conference

6. “FCEV Development at NISSAN”, Nissan Motor Co. Ltd., FC EXPO 2014 Technical conference

7. “세계 4강 도약을 위한 그린카 산업 발전전략 및 과제”, 제10차 녹색성장위원회 보고, 2010.12.6.

8. “수송용 연료전지 보급 확산을 위한 생태계 구축 방향”, 한국자동차산업연구소, 2014.2

9. “Fuel Cell System Cost”, DOE, 2013.9.18

[국내외 주요 기술개발 현황]

연구기관명 프로젝트명 개요 연구기간

현대자동차• 100kW급 자동차용 연료전지 스택부품

국산화 및 Stacking 자동화 기술개발

• 자동차용 연료전지 스택 부품 국산화, 내구성 확보 및 생산성 확보를 위한 부품 stacking 자동화 기술 개발

2011.6 - 2016.5

현대모비스• 시스템 소형화를 위한 가변압력 PEMFC

핵심부품 개발

• 시스템 출력밀도 670W/L 및 시스템 최대효율 64%를 달성하는 80kW급 연료전지시스템용 운전장치 개발

2011.7 – 2016.6

수소연료전지차 기술 현황 및 전망

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