Special Issues

38 | Journal of the Electric World |

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� 김�준�범�

한국전기화학회 연료전지분과 회장

/ 울산대학교 교수

1 국내 동향

국내의 수소연료전지자동차 개발은 현대자동차를 중심으로 진행되고 있다.

현대자동차는 1997년 G7 사업을 통해 수소연료전지자동차 개발에 착수했다.

1999년 10kW급 스포티지 연료전지 하이브리드 자동차와 2001년 25kW급 산타

페 연료전지 하이브리드 자동차를 개발하였으며, 미국의 IFC와 공동으로 75kW

급 ‘산타페 수소연료전지자동차’를 개발하여 2001년 시험주행을 완료했다. 2004

년에는 저온에서 시동 성능이 개선된 2세대 ‘투싼 수소연료전지자동차’를 개발하

였다. 152ℓ 수소 저장 탱크를 장착한 투싼은 주행거리가 300km로 연장되었고,

최고 시속도 150km로 개선되었다. 2006년에는 국내에서 자체 개발한 80kW급

연료전지를 장착한 투싼 자동차를 선보였다. 2009년에 개발된 3세대 수소연료전

지자동차인 115kW급 모하비는 700기압 수소 충전 시 주행거리가 최대 750km에

이르고 있다. SUV인 투싼iX 모델은 현대자동차가 독자 개발한 100kW급 연료전

지 시스템과 2개의 수소저장 탱크를 내장하여 수소 0.96kg 당 100km를 주행할

수 있고, 1회 충전 주행거리가 588km이다. 또한 최고 속도는 시속 160km이고 배

수소연료전지자동차 개발 현황

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+ 수소연료전지자동차 개발 현황

기구에서 물만 배출되는 무공해 차량으로 영하 20℃

아래의 혹한에서도 시동이 켜지는 수준이며, 기존의

내연기관자동차에 비해 손색이 없을 정도로 상용화에

근접했다.

투산ix 수소연료전지자동차는 기술력과 상품성을

인정받아 2013년 1월에 벨기에 브뤼셀 모터쇼에서 가

장 혁신적인 기술에게 주어지는 ‘2013 퓨처오토 어워

드’상을 수상했다. 현대자동차는 2012년 1월 북유럽 4

개국과 수소연료전지자동차 시범 보급 MOU를 체결

했고, 유럽 시장에서 다양한 협력 활동을 전개하고 있

다. 2012년 5월에는 유럽 최대인 노르웨이 수소충전소

전문 업체 ‘하이옵(HYOP)’과 수소연료전지자동차 시

범 보급 MOU를 체결했고, 2013년에 덴마크 코펜하겐

의 관용차로 15대의 ‘투산ix’(수출명 ix35) 수소연료전

지자동차를 리스 형태로 공급하였다. 현대자동차와 도

요다, 니산, 혼다 등 4개 사는 노르웨이, 스웨덴, 아이

슬란드, 덴마크 등 북유럽 4개국의 수소연료전지자동

차 보급을 공동 추진하기로 합의했다. 연료전지버스

는 ▲2006 독일 월드컵 ▲2010 G20 정상회의 ▲2012

여수세계박람회 등 행사 운영지원 차량으로 제공하였

다. 3세대 100kW급 연료전지시스템 모듈 2기를 탑재

하고 350 기압 수소저장탱크에 40kg의 수소를 저장해

1회 충전 주행거리 500km를 달성하였다. 현대자동차

는 2020년 이후부터 수소연료전지자동차 양산을 통해

국내외 시장에 본격적으로 보급할 예정이다. 연구 개

발을 통한 핵심부품 가격인하, 대량생산에 따른 생산

비 절감을 통해 연료전지자동차 가격을 5,000만 원 수

준으로 낮추어 상용성을 확보한다는 목표를 설정, 추

진 중이다.

2 국외 동향

1990년대부터 일본 도요다와 독일 다임러에서 본격

적인 개발을 시작하였으며, 현재 내구수명 20만km와

영하 30℃에서의 시동기술이 확보된 상태다. 기술적으

로는 상용화 수준에 근접하여 있으며, 내구성 향상과

차량가격을 낮추는 방향으로 연구가 진행되고 있다.

가.�일본�

1 ) 도요다

현재 확보된 하이브리드 자동차 기술을 접목해 수소

연료전지자동차 가격을 저감시키고자 노력하고 있다.

�� 그림�1 �투산ix�수소연료전지자동차�

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전기자동차는 단거리 주행에서의 장점이 있는 반면,

주행거리가 증가할수록 시스템 가격이 증가하는 단점

이 있다. 중대형 자동차나 장거리 운행에서는 수소연

료전지자동차가 유리하다. 현재 도요다의 기술은 20만

km 내구성과 1회 충전 주행거리 830km, 영하 30℃에

서의 시동 가능을 달성하였다(2015년 출시차량 : 1회

충전 500km). 2015년에 출시되는 수소연료전지자동

차의 경우 가습기를 제거하고 수소저장탱크를 2개로

감소시켰으며, 대량생산되는 하이브리드 자동차의 공

용부품을 적용해 가격을 낮추는 효과를 달성했다. 또

한 연료전지스택과 수소저장탱크 등의 부품구조를 간

소화하고 스택의 성능개선을 통해 소재가격을 저감할

계획이며, 막전극접합체 제조시간을 단축하고 스택체

결을 자동화하여 제조 방식도 향상시킨다는 계획이다.

2) 혼다

일본 혼다는 독창적인 ‘V-flow’ 구조를 가진 연료

전지 스택의 성능을 개선해 미국 DOE의 2020년 목

표를 상회하는 출력밀도 3kW/L, 2kW/kg을 달성했

다. 기존 혼다 수소연료전지자동차 ‘FC Clarity’에서

는 스택을 차량 바닥인 언더바디(Center tunnel)에 탑

재하였다. 올 해 출시되는 차량은 연료전지 스택을 앞

쪽 bonnet에 탑재하여 기존 내연기관과 유사하게 배

치하였으며, 3분의 연료 충전시간, 1회 충전 주행거리

482km를 달성하였다. 시동과 정지가 수소연료전지자

동차의 주요 성능열화 인자이며, 일정한 환경을 유지

해 내구성 및 신뢰성을 확보할 수 있다. △전해질막 △

전극 △기체확산층 △분리판 등 스택의 구조에 면밀

한 관리와 스택 적층시간의 저감, 그리고 고가의 소재

저감을 통한 가격저감을 주요 개발이슈로 설정하였다.

올 해에는 혼다 자체기술의 수소연료전지자동차를 출

시하고, 2020년에는 미국 GM과 공동 개발한 수소연

료전지자동차를 출시할 계획이다.

3) 닛산

닛산은 석유와 석탄, 천연가스를 이용하여 수소를

생산하고, 이를 수소연료전지자동차에 이용하는 형태

인 1차 에너지원의 다변화를 발표했다. 수소연료전지

자동차의 상용화를 위해 영하의 조건에서 시동할 때

초기에 생성되는 물이 냉각되는 것을 방지하는 기술과

스택 부피를 소형화하는 기술을 개발하고 있다. 촉매

의 열화와 카본 담지체의 산화 방지기술 개발을 통해

�� 그림�2 �도요다의�친환경차�가격�저감을�위한�HEV�부품�적용�형태�

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+ 수소연료전지자동차 개발 현황

스택 내구성을 확보하고, 대량생산을 통한 가격저감을

주요 연구개발 방향으로 설정하고 있다. 특히, 스택의

막전극접합체 제조가격 저감을 통한 수소연료전지자

동차의 가격 저감에 초점을 맞추고 있다.

나.�미국

1) 포드

2013년 1월 포드는 르노-닛산, 독일의 다임러와 함

께 연료전지를 공동 개발하여 5년 내 상용화한다는 계

획을 발표했다. 이들 업체는 각각 수소연료자동차 제

작기술을 가지고 있지만 상용화를 위한 기술 개발비용

문제로 어려움을 겪었다. 이번 협력을 통해 부품과 차

체의 구조를 규격화하고, 개발비와 부품비를 절감시키

는 계획을 갖고 있다. 또한, 수소스테이션 건설을 위한

사회기반시설 투자에 주력한다는 계획을 수립했다.

2) GM

2013년 7월 GM과 혼다는 소형, 경량, 저비용 연료

전지 시스템과 수소저장 시스템을 개발하여 2020년까

지 5천만 원 수준의 수소연료전지자동차를 출시한다

는 계획을 발표했다. GM과 혼다는 연료전지자동차 관

련 특허에서 세계 선두권에 있는 기업으로 GM은 부식

방지기술, 혼다는 수소와 산소 반응 기술에서 뛰어나

앞으로의 성과가 기대된다. 현재 GM은 수소연료전지

자동차 119대를 투입해 시범 운행하여 총 300만mile의

운행거리를 축적하고 있으며, 혼다는 2002년부터 양

산형 수소연료전지자동차인 혼다 FCX를 투입하여 운

행하고 있다.

다.�유럽

1) 다임러 벤츠

다임러 벤츠는 1994년 최초로 FCEV ‘NECAR 1’을

발표하였고, 2002에는 세계 최초로 양산형 FCEV인

‘F-Cell’을 공개했다. F-Cell의 경우 출력 68.5kW의

연료전지에 65kW의 모터를 조합하였으며, 최고속도

는 시속 140km이다. ‘F-Cell’은 2003년부터 2004년까

지 일본, 독일, 미국, 싱가포르에 60대를 공급하였다.

2005년는 ‘b 클래스 F-Cell’을 발표하였으며, 최고 출

력 100kW의 모터를 탑재해 내구성과 신뢰성을 향상시

켰다. 2013년부터 미국에서 대여 방식으로 70대 정도

를 운행하고 있으며, 2017년에는 닛산, 포드와 공동으

로 양산형 모델을 출시할 예정이다.

2) 폭스바겐

2014년 폭스바겐은 미국 LA오토쇼에서 ‘골프, 파샤

트 하이모션’을 공개했다. 골프 스포츠웨건 하이모션

에는 100kW급 연료전지시스템과 전기모터, 고전압

리튬이온 배터리, 700bar 탄소섬유 수소 저장용기가

탑재되어 있다. 최고 출력은 134마력으로 제로백이 10

초이며, 3분 이내에 수소를 완전 충전할 수 있다. 수소

완충 시 주행거리는 기존의 내연기관 자동차와 비슷한

500km 수준이다. 동일한 동력전달장치를 사용한 파

샤트 모델은 미국 캘리포니아에서 시범 주행을 완료한

상태이다.

그림�3 �폭스바겐�파사트�하이모션