현대자동차그룹은 1998년부터 수소전기차에 투자를 이어오고 있다. 기술의 난이도와 개발에 투입되는 많은 비용으로 인해 경쟁자들이 하나둘씩 포기하던 순간에도 수소전기차 개발과 시스템 구축을 멈추지 않았다. 이러한 노력 끝에 현대차는 2013년 세계 최초의 수소전기차 양산 모델인 투싼 ix Fuel Cell을 선보였고, 2018년에는 넥쏘를 출시하며 글로벌 수소전기차 리더로 자리매김했다. 넥쏘가 친환경차 시장에 성공적으로 안착한 후에는 엑시언트 수소전기트럭을 출시하며 상용차 시장까지 범위를 더욱 넓혔다.
뛰어난 상품성을 전 세계에 입증한 수소전기차와 함께 주목받은 건 현대차그룹이 독자개발에 성공한 수소연료전지 시스템이다. 넥쏘를 통해 뛰어난 성능을 증명한 수소연료전지 시스템은 친환경차를 생산하는 다른 제조사의 관심을 이끌었고, 이는 수소연료전지 시스템 수출이란 성과로 이어졌다. 그러나 연료전지 시스템을 수출하기까지의 과정은 결코 쉽지 않았다. 고객의 수요를 만족시키고 타사 차량에 시스템이 맞도록 조율하는 문제 등을 해결해야 했기 때문이다. 단순히 차량 공급을 넘어, 기술 공급이란 성취를 달성한 현대차그룹 수소연료전지 어플리케이션개발팀의 두 개발자를 만나서 이러한 난관을 어떻게 극복하였는지 이야기를 들어보았다.
현재 자동차 산업은 친환경차를 중심으로 빠르게 변화하고 있다. 전기차를 앞세운 새로운 자동차 제조사가 우후죽순으로 등장하는가 하면, 기존의 자동차 제조사도 앞다투어 새로운 전기차를 선보이고 있다. 이러한 변화의 흐름은 친환경 동력계에 대한 수요를 높이는 결과로 이어졌다. 현대차그룹은 빠르게 늘어나는 친환경차 흐름 속에서 새로운 기회를 발견했다.
Q. 글로벌 자동차 시장에서 수소연료전지 시스템에 대한 수요는 어떠한가?
김수지 연구원 | 탄소중립을 위해 에너지의 생산부터 활용까지 다양한 변화가 산업 전반에 일어나고 있습니다. 내연기관 자동차에서 전기차로의 전환 또한 이러한 변화 중 하나입니다. 하지만 배터리가 자동차의 탈탄소화 문제를 모두 해결하기는 어려울 수 있습니다. 소형 및 단거리 운행을 주로 하는 승용차 분야에서는 배터리 기술이 충분한 역할을 하지만, 장거리 운행이 요구되는 대형 차량에서는 배터리만으로는 필요성능을 만족시키기 어려워 수소연료전지 기술을 접목하려는 시도가 많은 편입니다. 이러한 시장 환경으로 인해 수소연료전지 시스템을 모듈화하여 판매하는 제조사나 연료전지 기술 자체를 사업화하는 사례들이 빠르게 증가하는 추세입니다.
Q. 수소연료전지 기술을 수출하기까지, 현대차그룹은 어떤 과정을 거쳤는가?
이중재 책임연구원 | 수소연료전지 기술은 배터리와 더불어 미래 모빌리티의 주요 동력원 중 하나로 꼽히고 있습니다. 현대차그룹은 연료전지 기술에 연구와 투자를 지속하여 전 세계적으로 인정받는 기술력을 갖추고 있습니다. 기술력을 탄탄하게 다져 놓은 덕분에 타 모빌리티 제조사와 친환경 동력 기술을 필요로 하는 회사에 판매하는 성과로 이어질 수 있었습니다. 그러나 사업을 전개하면서 저희의 기술을 다른 회사 차량에 적용하는 건 기존의 완성차 판매와 많은 부분이 다르다는 점을 깨달았습니다. 고객사의 운행 조건이나 표준 등이 현대차에 맞춰진 사양과 다르기에 이를 조율해야 하는 문제 등 풀어야 할 숙제가 많았습니다. 저희 팀은 이러한 문제를 해결하고 연료전지 시스템을 고객사에 맞게 조율하는 업무를 담당하고 있습니다.
2022년 12월, 현대차그룹은 자동차의 본고장인 유럽에 독자 개발한 수소연료전지 시스템을 공급하는 계약을 체결했다. 독일의 FAUN 그룹 자회사인 엔지니어스(Enginius)가 현대차그룹 수소연료전지 시스템을 탑재한 청소트럭과 중형 화물트럭을 생산하기로 한 것이다. 이전에 스위스에 엑시언트 수소전기트럭을 수출한 경험이 있으나, 차량이 아닌 시스템 단위의 공급 계약은 처음이다. 이번 성과는 새로운 시장을 개척했다는 점뿐만 아니라 현대차그룹의 연료전지 기술력을 인정받은 사례라고 볼 수 있다.
Q. 수소전기차를 시장에 공급하는 것과 수소연료전지 시스템을 자동차 기업에 공급하는 것, 이 두 가지 방식의 특징은 무엇인가?
이중재 책임연구원 | 현대차그룹의 수소전기차 수출과 수소연료전지 시스템 공급은 글로벌 자동차 업계에서 위장을 높이는 효과를 가져왔습니다. 그러나 완성차 판매와 달리 시스템을 공급하는 건 제품에 따라 사용 조건이 달라지기 때문에 다양한 요소를 고려해야 합니다. 가령 공급에 앞서 고객사와 기술 논의를 진행하고 요구 조건에 맞춰 패키지나 소프트웨어를 변경하는 작업이 필요합니다.
Q. 고객사에 공급하는 현대차그룹 수소연료전지 시스템의 특징은 무엇인가?
이중재 책임연구원 | 연료전지 사업화는 크게 PMC와 FDC로 구성되며 위와 같은 구성으로 시스템을 연결할 수 있습니다. 참고로 PMC(Power Module Complete)란 연료전지 시스템을 의미합니다. 그리고 연료전지 시스템과 함께 공급하는 FDC(Fuel Cell DC-DC Converter)는 연료전지 전압을 변압해주는 장치입니다. 연료전지는 시동을 걸 때 공기 압축기를 구동하기 위해 고전압이 필요합니다. 이때 고전압 공급은 배터리가 하며 배터리 전력을 변환하는 데 FDC가 사용됩니다. 또한 연료전지 시스템의 출력 전압을 어플리케이션 작동 전압에 맞게 변환하는 것도 FDC의 역할입니다.
김수지 연구원 | 저희가 공급하는 연료전지 시스템은 화학반응이 이뤄지고 전기를 생산하는 STACK*, 수소 공급을 관리하는 FPS*, 공기 공급을 관리하는 APS*, 화학적 반응에 따라 발생하는 열을 관리하는 TMS*로 구성됩니다. 이외에도 STACK에서 발생된 전기와 고전압 배터리에서 보관된 전기를 컨버터 및 인버터로 전기를 분배하는 정션박스가 있습니다. 고객사에 제공하는 연료전지 시스템의 공급 범위는 상기 부품과 FDC를 포함하여 공급하고 있습니다. 필요에 따라 에어클리너, 이온필터 등을 포함하여 고객사에 제공하기도 합니다.
STACK(연료전지 스택)* - 수소와 산소의 전기 화학반응을 통해 전기에너지를 발생시키는 연료전지의 핵심부품. 연료극, 전해질, 공기극으로 구성된 부품인 ‘셀(CELL)’이 적층된 형태로 구성된다.
FPS(수소공급시스템)* - Fuel Processing System. 연료전지의 연료가 되는 ‘수소’를 공급하기 위한 시스템. 수소량을 조절하는 제어기 및 밸브 등으로 구성된다.
APS(공기공급시스템)* - Air Processing System. 연료전지 반응물로 사용되는 ‘산소’를 공급하기 위해 외부로부터 공기를 유입시키는 장치. 다량의 공기를 압축하여 유입시키기 위해 압축기(컴프레셔), 불순물 유입 방지를 위한 고성능 필터, 가습기, 제어시스템 등으로 구성된다.
TMS(열관리시스템)* - Thermal Management System. 최적의 반응온도를 유지하기 위한 열관리시스템. 냉각수 라인, 펌프, 온도감지센서 등으로 구성된다.
Q. 수소연료전지 시스템을 타사 차량에 적용하면서 발생한 문제는 무엇이 있는가?
김수지 연구원 | 수소연료전지 시스템이 현대차그룹 차량 기준에 맞춰 개발되었기 때문에 타사 차량에 적용할 때 패키징과 관련된 문제가 발생하곤 합니다. FAUN에 시스템을 공급하기 위해 패키지를 검토하는 과정에서 기존에 사용해 왔던 상용차 사양의 에어클리너 높이가 맞지 않고, 압축기 커넥터 방향이 아래쪽을 향해 구성되어 간섭이 발생하는 문제가 있었습니다. 이를 해결하기 위해서는 높이가 낮은 승용차 사양의 에어클리너의 적용이 필요했고, 또한 압축기 커넥터 방향을 측면으로 전환하는 부품을 추가로 개발해야 했습니다. 다행히 패키지의 구성, 기능 등은 기존과 동일하여 개발 기간이 많이 늘어나지는 않았고, 고객사에 적합한 시스템을 적시에 제공할 수 있었습니다. 기존 시스템 대비 높이를 낮춰 개발된 이번 시스템은 낮은 패키지의 높이를 장점으로 보고, FAUN 뿐만 아니라 여러 사업에 적용하는 것을 검토 중입니다. 양측 모두에게 이득이 되는 합리적인 방향으로 프로젝트가 진행되어 남다른 성취감을 느낄 수 있었습니다.
이중재 책임연구원 | FAUN 공급 프로젝트의 경우, 패키지뿐만 아니라 통신 방식도 수정했습니다. 현대차그룹의 차량이 사용하는 제어기의 통신 방식은 CAN 2.0B*(500kbps, extended)입니다. 하지만 고객은 J1939* 통신 방식과 250kpbs 통신 속도를 요구했습니다. 각기 다른 통신방식에 대한 문제를 해결하기 위해 중간 게이트웨이를 적용 및 장착해야 했습니다. 향후에는 다양한 통신 방식, 통신 속도를 대응할 수 있도록 개선함으로써 다양한 고객의 니즈에 부합하는 시스템을 개발할 예정입니다.
CAN 2.0B* - CAN은 차량에 적용하기 위해 고안된 네트워크 통신방식이다. 차량뿐만 아니라 산업용 자동화기기, 의료용 장비에도 사용된다.
J1939* - J1939는 트럭 및 버스와 같은 상업 차량에 사용되는 네트워크 통신 프로토콜이다. 다양한 제어 유닛 간의 데이터를 교환하고 컨트롤러 간의 메시지를 교환할 수 있다.
Q. 엑시언트 수소전기트럭과 같은 상용차를 개발한 경험이 연료전지 대외 판매사업에 어떠한 도움을 주었나?
이중재 책임연구원 | 상용차에 탑재하는 연료전지는 주로 사용되는 사용되는 환경에 따라 내구조건과 출력 등 승용차와는 다른 조건이 요구됩니다. 엑시언트 수소전기트럭을 개발했던 당시에는 특정 부품의 내구조건을 만족시키기 위해 소재부터 재검토를 진행했고, 연료전지 2기를 병렬로 연결해 출력을 높이면서도 하나의 시스템에 과부하가 걸리지 않도록 설계하여 안정성을 확보했습니다. 이러한 경험이 데이터로 축적되어 외부 고객의 새로운 요구사항에 직면했을 때 시작부터 올바른 접근을 할 수 있었다고 생각합니다.
Q. 현대차그룹의 수소연료전지 시스템을 적용한 해외 차량에 대한 관리와 서비스는 어떤 방식으로 이루어지는가?
이중재 책임연구원 | 기본적으로 시스템 운영, 유지 보수 등 다양한 분야에 관한 상세 매뉴얼을 제공합니다. 또한 연료전지 시스템 진단, 이상 유무를 확인할 수 있도록 연료전지 시스템 전용 진단기(GDS, Global Diagnostic System)를 지원하고 있습니다. 이외에도 현대차그룹은 고객사가 공급받은 연료전지 시스템을 처음으로 가동할 때 수소연료전지 전문 엔지니어를 파견하여 고객사 관계자와 함께 시운전을 진행하고 교육을 병행하고 있습니다.
Q. 수소연료전지 시스템 공급 사업의 미래 가능성은 어떠한가?
김수지 연구원 | 국가별 에너지 정책이 탄소중립에 초점을 맞추는 현재의 국제적 흐름은 계속될 것이고, 이러한 흐름 속에서 수소연료전지 시스템의 모듈화가 안정적으로 추진된다면 성장가능성은 무한하다고 생각합니다. 버스, 트럭 등의 상용차뿐만 아니라 신사업 분야의 트램, 선박, 항공 등 산업 분야로의 확장도 가능한 만큼, 수소연료전지 시스템은 높은 가치를 품고 있습니다.
이중재 책임연구원 | 수소연료전지 시스템을 공급하는 일은 사업적 측면에서 장래가 밝다고 생각합니다. 친환경 모빌리티를 생산하는 기업들의 시스템 공급 요청이 점차 늘어나고 있고, 이들을 만족시킬 수 있을 만큼 현대차그룹의 수소연료전지 시스템은 뛰어난 기술력을 갖추고 있습니다. 이번 FAUN과의 계약은 기술력을 인정받아 이뤄낸 수소연료전지 시스템 판매의 첫 사례입니다. 이번 계약을 시작으로 향후 다른 여러 기업과도 협업할 수 있을 것이라 기대하고 있습니다.
이번 수소연료전지 시스템의 수출은 수소 사회를 앞당길 수 있는 현대차그룹의 의미 있는 첫걸음이다. 전 세계적으로 증가하고 있는 친환경 모빌리티의 심장을 공급하기 위해 현대차그룹의 수소연료전지 개발자들은 밤낮으로 노력하고 있다. 이들의 노력이 더욱 빛나는 성과로 이어지기까지, 현대차그룹의 친환경 수소연료전지 기술 개발은 계속될 예정이다.
사진. 박기덕
HMG 저널 운영팀
group@hyundai.comHMG 저널에서 제공되는 정보는 크리에이티브 커먼즈(CCL) 2.0 정책에 따라 콘텐츠의 복제와 배포, 전송, 전시 및 공연 등에 활용할 수 있으며, 저작권에 의해 보호됩니다. 단, 정보 사용자는 HMG 저널에서 제공하는 정보를 개인 목적으로만 사용할 수 있습니다.
HMG 운영정책 알아보기