수소사회에서 수소전기차는 친환경 이동수단 이상의 의미를 지닙니다. 수소전기차에 탑재된 수소연료전지는 안정적인 성능, 튼튼한 내구성, 고출력을 필요로 하기에 신기술을 가늠해볼 수 있는 기준이 됩니다. 또 수소전기차에 필요한 수소가 무한하고, 생산과정이 친환경적이라는 점에서 인프라에 필요한 에너지∙철강∙화학∙신소재 등 연관 산업의 동반성장을 촉진하는 중요한 역할도 하게 됩니다.
2013년 세계 최초로 수소전기차를 양산하고, 수소전기차 콘셉트를 꾸준히 선보이며 관련 기술 발전을 거듭해온 현대자동차그룹은 정부 및 지자체와 협력을 통해 수소전기버스를 개발해 공급하고, 수소전기 대형트럭을 세계 최초로 양산해 유럽에 수출하는 성과를 거뒀습니다. 앞으로 현대자동차그룹은 도심형 항공 모빌리티(UAM)와 대형 선박, 철도 분야에도 수소연료전지를 활용할 계획이며, 수소전기차 확대를 위해 수소 충전 인프라도 적극적으로 구축해 나가고 있습니다.
수소전기차는 수소연료탱크에 안전하게 보관된 고압 수소와 공기공급시스템을 통해 들어온 산소를 연료전지스택에 전달, 전기화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산합니다. 생산된 전기에너지는 구동모터를 통해 운동에너지로 전환되어 수소전기차를 움직입니다. 주행 중인 수소전기차는 배기구를 통해 순수한 물 만을 배출합니다.
연료전지시스템은 내연기관 자동차의 엔진과 같은 역할을 합니다. 구동에 필요한 전기를 만들어내는 장치로, ‘3차 전지’라고 부르기도 합니다. 연료전지는 산소와 수소의 전화학 반응을 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환시킵니다. 이때 발생한 전기에너지는 순수한 화학 반응의 결과물로 화석 연료와 달리 이산화탄소 같은 배출가스를 발생시키지 않습니다. 연료전지시스템은 연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등의 다양한 종류가 존재하며, 기본적인 구성은 연료전지스택, 수소공급시스템, 공기공급시스템 그리고 열관리시스템으로 나뉩니다.
연료전지시스템의 가장 핵심이자 수소전기차 생산원가에서 가장 높은 비중을 차지하는 고가의 부품입니다. 연료전지는 수소전기차에 요구되는 출력을 충족시키기 위해 단위 셀을 층층이 쌓아 조립한 스택 형태로 완성됩니다. 하나의 셀은 화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산하는 전극막, 수소와 산소를 전극막 표면으로 전달하는 기체 확산층, 수소와 산소가 섞이지 않고 각 전극으로 균일하게 공급되도록 길을 만들어주는 금속분리판 등의 부품으로 구성돼 있습니다.
연료전지스택의 효율적인 전기에너지 생성을 위해서는 운전장치의 도움이 필요합니다. 이 중 수소공급시스템은 수소탱크에 안전하게 보관된 수소를 고압 상태에서 저압 상태로 바꿔 연료전지스택으로 이동시키는 역할을 담당합니다. 또한 재순환라인을 통해 수소 공급 효율성을 높여줍니다.
공기공급시스템은 외부 공기를 여러 단계에 걸쳐 정화하고, 압력과 양을 조절해 수소와 반응시킬 산소를 연료전지스택에 공급하는 장치입니다. 외부의 공기를 그대로 사용할 경우 대기 중 이물질로 인한 연료전지 손상이 발생할 수 있어 여러 단계로 공기를 정화 후 산소를 전달합니다.
열관리시스템은 연료전지스택이 전기화학 반응을 일으킬 때 발생하는 열을 외부로 방출시키고, 냉각수를 순환시켜 연료전지스택의 온도를 일정하게 유지하는 장치입니다. 열관리시스템은 연료전지스택의 출력과 수명에 영향을 주기 때문에 수소전기차의 성능을 좌우는 중요한 기술입니다.
수소전기차의 안전성을 확보하기 위해 국제기준(GTR: Global Technical Regulation)이 제정되어 있고 꾸준히 개정되고 있습니다. 또한 해당 국제기준을 기반으로 나라마다 안전 법규가 마련되고 있는데, 여기에는 전기 안전성, 수소 안전성 측면에서 만족해야 하는 여러 항목이 규정되어 있습니다. 현대자동차그룹은 해당 기준과 법규를 만족시키는 많은 평가 및 검증을 진행하고 있습니다. 넥쏘에 적용된 연료전지시스템은 10년, 16만km 내구성을 보장하는데, 현재 현대자동차그룹은 보증 기간을 훨씬 웃도는 내구성의 연료전지시스템을 개발하고 있습니다.
에너지 공급원인 고압 수소를 저장하는 장치 역시 중요합니다. 수소는 부피당 밀도가 낮아 보관하려면 매우 큰 공간이 필요한데, 좁은 공간에 더 많은 수소를 보관하기 위해선 700bar(약 690기압) 수준의 고압으로 압축해야 합니다. 이 고압 수소를 안전하게 보관하는 부품이 바로 수소연료탱크입니다. 현대자동차그룹의 수소연료탱크는 높은 압력을 견딜 수 있는 탄소섬유 강화 복합재로 제작하며, 내부에는 내구 복원력이 뛰어난 폴리아미드라이너(나일론 소재)를 삽입합니다. 현대자동차그룹의 차세대 수소전기차 넥쏘에는 세계 최초로 적재공간을 최대화한 3탱크 수소저장시스템이 적용됐습니다.
구동모터는 스택과 배터리에서 공급받은 전기에너지로 구동력을 발생시킵니다. 수소전기차는 전기차 처럼 감속 시 운동에너지를 다시 전기에너지로 환원하는 회생제동 시스템도 갖추고 있습니다. 회생제동 시스템은 속도를 줄일 때 회수한 전기에너지를 고전압 배터리에 저장하는 역할을 하며, 이는 모터 작동에 다시 활용돼 연비 개선에 도움을 줍니다.
2018년 출시된 수소전기차 넥쏘는 현대자동차그룹이 개발한 첨단 기술력이 응축된 모델로, 현재 판매되는 수소전기차 중 가장 우수한 성능을 자랑합니다.
넥쏘는 최대 항속거리 611km(미국 인증) 확보했고, 충전 소요 시간을 약 5분(1회당 6.33kg 수소 충전 가능)으로 단축했습니다. 또한 현대자동차그룹의 첨단 기술력이 집약된 주행 보조 시스템(ADAS), 원격 스마트 주차 보조(RSPA), 차로 유지 보조(LFA) 등의 기능이 적용되어 있습니다.
넥쏘는 고강도 탄소섬유를 포함한 세 겹의 층으로 제작된 수소연료탱크를 장착, 각종 안전 장치로 제어됩니다. 그리하여 수소전기차 최초로 유럽 신차 안전 평가 프로그램인 ‘유로 NCAP’에서 최고 등급을 받았습니다.
현대자동차그룹은 글로벌 수소전기차 리더십을 상용 부문으로 확장해 세계 최초로 수소전기 대형트럭의 양산 체제를 구축했습니다. 2020년 생산을 시작한 ‘엑시언트 수소전기 트럭(XCIENT Fuel Cell)’은 스위스 수출로 이어져 유럽의 상용 수소전기차 생태계에 중요한 역할을 담당하게 되었습니다. 현대자동차그룹은 수소전기차량 개발에만 그치지 않고 스위스 내 수소 솔루션 기업, 발전소, 수소 충전소 사업자, 리테일 물류 체인 및 기타 물류 기업들과 함께 유럽의 상용 수소전기차 생태계 구축에 참여하고 있습니다.
연도
내용
1998
- 수소전기차 개발 착수 : 수소연료전지 개발 조직 신설
2000
- 현대자동차 최초의 수소전기차 모델 개발 : 싼타페를 바탕으로 한 수소전기차 모델 개발
2004
- 연료전지스택 독자 개발
2005
- 연료전지시스템 국산화에 성공 : 주행 거리가 384km에 달하는 연료전지시스템 개발
2010
- 수소전기차 양산 모델 개발에 돌입 : 핵심 부품 모듈화와 부품 공용화를 통한 양산 모델 개발
2013
- 세계 최초 수소전기차 양산 : 수소전기차 양산 모델 투싼ix Fuel Cell 출시
2018
- ‘CES 2018’에서 차세대 수소전기차 최초 공개 : 수소연료전지 시스템 기반 수소전기차 넥쏘 공개
2019
- ‘FCEV 비전 2030’ 발표 : 2030년 연간 50만 대 규모의 수소전기차 생산 체제를 구축하는 중장기 수소전기차 로드맵 제시
2020
- 세계 최초 수소전기 대형트럭 양산
- 유럽의 수소 생태계 구축에 참여 : 스위스에 엑시언트 수소전기 트럭 10대 수출
2025
- 수소전기 대형트럭 총 1,600대 공급 예정
2030
- 연간 50만 대 수소전기차 생산 예정
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