지속가능한 수소사회로 나아가는 현대자동차의 올곧은 신념, 수소전기차 디 올 뉴 넥쏘가 마침내 우리 앞에 등장했다. 디 올 뉴 넥쏘는 현대차가 지난 27년간 쌓아온 수소연료전지 기술을 한층 고도화해 더욱 향상된 효율과 성능, 여기에 720km(18인치 휠 기준)의 주행가능거리와 5분 내외로 수소 완충이 가능한 운용 편의성까지 두루 갖춘 점이 특징이다. 이로써 운행 중 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 수소전기차의 장점을 보다 편리하게 누릴 수 있게 됐다.
디 올 뉴 넥쏘의 기술 진보는 이뿐만이 아니다. 세계 최고 수준의 안전성으로 수소전기차에 대한 고객의 믿음을 강화한 점도 디 올 뉴 넥쏘의 대표 매력 중 하나다. 디 올 뉴 넥쏘의 수소연료전지 시스템과 수소 저장 시스템에는 수소 누출 감지 기능을 비롯한 다양한 수소전기차 특화 안전 기술을 탑재해 극한의 환경에서도 안정적인 신뢰성을 확보했다. 수소를 압축해 수소탱크에 저장하고, 이를 수소연료전지 시스템으로 공급한 후 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 전 과정에서 모든 위험을 감지하고 내구 성능을 강화하는 기술 방안을 마련한 것이다.
아울러 디 올 뉴 넥쏘의 차체는 전방 다중 골격 구조, 측면 B필러 구조 보강, 후방 수소탱크 보호 설계 등의 전방위적인 안전 설계로 충돌 사고 시 탑승자의 부상과 수소탱크의 손상을 최소화했다. 이는 ‘안전이 최우선’이라는 현대차그룹의 개발 이념 아래 안전 기술 개발에 역량을 집중한 결과다. 차량 설계 단계부터 내구 및 충돌 시험까지, 수소전기차 디 올 뉴 넥쏘의 내구 및 안전 성능을 개발한 MLV프로젝트2팀 조삼재 책임연구원, FC시스템내구개발팀 고미옥 연구원, 수소저장시스템설계팀 박성녕 연구원, MLV내구시험팀 권영섭 책임연구원, MLV차체설계2팀 권연호 책임연구원, 양현식 연구원, 안전성능시험2팀 양민호 책임연구원, 이상철 연구원, 박진우 연구원을 만나 이에 대한 이야기를 들어봤다.
Q. 수소연료전지 시스템은 ‘수소전기차의 핵심’이라고 말해도 과언이 아니다. 수소연료전지 시스템의 안전성과 내구성은 어떻게 확보했나?
조삼재 책임연구원 I 수소연료전지 시스템은 기체로 이뤄진 수소를 연료로 사용해 전기에너지를 만든다. 따라서 수백 볼트의 고전압 전류가 밖으로 새 나가지 않는 전기안전성, 수소가 외부로 누출되지 않도록 하는 수소안전성을 각각 확보하는 것이 매우 중요하다. 또한 전류가 새 나가더라도 인체에 해를 끼치지 않고 외부로 방출되도록 부품 간에 전기연속성을 확보해야 한다.
디 올 뉴 넥쏘는 성능뿐 아니라 절연(전기가 통하지 않도록 하는 성질), 기밀, 내구, 진동, 충격, 방수 및 방진, 부식, 환경(저온, 고온, 열 사이클) 평가 등 다양한 테스트를 통해 고객이 신뢰할 수 있는 안전성과 내구성을 확보했다. 특히 수소연료전지 시스템은 10년, 16만 km의 보증을 제공하지만, 실제로는 이를 훨씬 웃도는 품질과 내구성을 유지하도록 개발했다.
권영섭 책임연구원 I 내구 시험은 예상하지 못한 차량의 문제점을 보완하는 점에서 중요하다. 이를 고려해 디 올 뉴 넥쏘의 개발에서는 수소전기차 고객의 실제 주행 조건을 보다 적극적으로 반영한 새로운 ‘실차 내구 주행 시험(실차 기반 가속 내구 모드)’을 도입해 수소연료전지 시스템의 내구성을 꼼꼼히 살폈다. 차량 운행 과정에서 발생할 수 있는 각종 문제를 내구 시험 개발 과정에서 찾아내는 것이다.
이를 위해 고객이 운행하는 기존 넥쏘 1만 대와 넥쏘 택시 20대의 주행 데이터를 분석했고, 기존 실차 내구 주행 시험에서 드러난 차량 이슈와 대조하면서 수소연료전지 시스템의 내구성을 빠르게 파악할 수 있는 검증 방법이 무엇인지 확인했다. 이 과정에서 영하의 온도에서 수소연료전지 스택 내부의 잔존 수분이 결빙되는 상황을 발견했고, 실차 내구 주행 시험에 저온 시험을 추가해 차량을 평가하기로 했다.
이 외에도 주행 성능에 영향을 줄 수 있는 잠재적 문제까지 철저히 검증했다. 개발 차량으로부터 실시간 데이터를 모두 수집한 뒤, 고객이 품질 문제라고 여길 만한 요소를 미리 발견하고 개선하는 데 집중했다. 모든 연구원들이 한정된 기간과 조건에서 다양한 시각을 갖고 심층적으로 접근하는 게 완성도 높은 차량을 개발하는 방식이라 생각하고 개발에 참여했다.
Q. 수소연료전지 시스템의 내구성을 끌어올린 신기술은 무엇인가?
고미옥 연구원 I 기존 수소전기차의 운행 과정에서 나타난 수소연료전지 시스템의 주요 문제를 개선하고자 노력했다. 추운 겨울철 수소연료전지 스택이 결빙되지 않도록 신규 제어 로직 ‘웨이크 업(Wake up)’ 기능을 적용한 점도 그중 하나다. 알다시피 수소전기차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기에너지를 만들고, 그 부산물로 순수한 물을 배출한다. 그러나 차량이 정차 중이거나 수소연료전지의 발전량이 극히 적은 상황에서는 수분이 원활하게 방출되지 못한 채 수소연료전지 스택 내부에서 얼 수 있다. 웨이크 업 기능은 이런 문제가 발생하지 않도록 FCU(Fuel cell Control Unit)를 통해 필요에 따라 수소연료전지 스택의 온도를 높이거나 내부 수분을 제거하는 최적 제어로 수소연료전지 스택의 내구성을 유지하고 동절기 차량의 냉간 시동성을 향상시킨다.
Q. 수소연료전지 스택은 화학반응을 통해 전기에너지를 만든다. 따라서 수소연료전지 스택의 화학적 안정화가 수소연료전지 시스템의 완성도를 결정한다. 이와 관련된 기술 개선 요소로는 어떤 것이 있나?
고미옥 연구원 I 수소연료전지 스택은 수소와 산소를 공급하는 통로이자 스택 구조를 지지하는 2개의 금속분리판(Bipolar Plate) 및 기체확산층(GDL, Gas Diffusion Layer), 수소와 산소의 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)로 구성된다. 새로운 넥쏘에서는 성능과 내구성이 검증된 기존 넥쏘의 막전극접합체를 기반으로 전해질막의 화학적 내구성을 보다 강화했다.
더불어 수소공급 및 공기공급 시스템을 개선해 막전극접합체의 최대 성능 발휘 구간을 확대했다. 이처럼 다양한 기술을 동원한 결과, 디 올 뉴 넥쏘의 수소연료전지 시스템은 기존 대비 약 16% 향상한 110kW의 최고출력을 발휘한다. 이 외에도 수소연료전지 스택의 전위 조정(연료전지 스택 내에서 발생할 수 있는 전기적 불균형을 제어하는 조치)을 통해 스택 열화를 최소화하고, 고전압 배터리와 협조 운전을 최적화하는 등 수소연료전지 시스템의 내구성과 효율을 동시에 강화했다.
Q. 수소전기차의 안전성에 대해 선입견을 갖는 일부 고객이 존재한다. 수소저장 시스템에 적용한 주요 안전 기술은 무엇인가?
박성녕 연구원 I 아직도 일부 고객은 수소전기차에서 충돌 사고나 외부 화재가 발생했을 경우 수소탱크가 폭발할 가능성을 우려한다. 물론 이는 잘못된 선입견이다. 수소는 공기보다 약 14배 가볍다. 따라서 수소 누출 시 공기 중으로 빠르게 날아가며, 누출된 수소에 불이 옮겨 붙는 경우는 발생하지 않는다고 단언할 수 있다. 이런 높은 안전성을 증명한 차가 1세대 넥쏘다. 1세대 넥쏘는 지난 2018년 출시한 이래로 2025년 현재까지 이와 같은 우려를 불식시키며 단 한 번의 화재로 인한 사고 없이 우수한 안전성을 입증했다.
디 올 뉴 넥쏘에서는 수소전기차의 특화 안전 기술을 더욱 가다듬었다. 충돌 사고나 외부 화재 발생 시에도 수소저장 시스템이 구조적인 안전성을 유지할 수 있도록 고안했고, 수소 누출에 대한 대응 방안도 확보했다. 수소 감지 센서, 연료량 변화, 압력 변화 등을 실시간으로 모니터링하고 수소 누출 여부를 판단해 수소 대량 누출에 의한 사고 발생 가능성을 사전에 차단한다. 덕분에 화재로 차량이 전소하는 상황에도 수소탱크가 폭발할 가능성이 전혀 없고, 오히려 가솔린 내연기관차보다 높은 안전성을 자랑한다.
Q. 새로운 수소저장 시스템은 성능 측면에서 어떤 부분이 개선됐나?
박성녕 연구원 I 수소탱크는 저장 밀도를 향상해 주행 가능 거리를 증대하는 동시에 안전성까지 강화했다. 수소탱크의 저장 용량이 기존 6.33kg에서 6.69kg으로 약 360g 늘어난 반면, 수소탱크의 무게는 최적 경량화 설계로 약 3.6kg 감소했다. 이는 수소탱크 외피에 고성능 탄소섬유강화 플라스틱을 활용해 두께를 줄이고, 동일 공간 대비 수소 저장 용량을 확대한 덕분이다. 물론 기존과 마찬가지로 총기, 기밀, 낙하, 가압, 화재, 고온 등 15개의 가혹한 인증시험을 두루 거치며 세계 최고 수준의 안전성도 충분히 검증했다. 수소탱크 주변 온도가 과도하게 올라갈 경우를 대비해 수소를 대기로 빠르게 방출하는 안전밸브까지 갖췄다.
수소탱크의 기밀 안정성을 강화하기 위해 수소탱크 밸브도 개선을 거쳤다. 솔레노이드 밸브는 수소탱크 내부의 높은 압력(700bar)과 영하 40℃에서 영상 85℃에 이르는 작동 조건에서 수소 기체를 안전하게 공급하고 차단하는 부품이다. 개선품은 기존 단일 기밀 구조에서 이중 기밀 구조로 고압·고온·저온 환경에서도 수소 기체의 누설을 최소화한다.
디 올 뉴 넥쏘의 수소저장 시스템은 소프트웨어 측면에서도 진일보했다. 수소저장 시스템의 고장 진단 범위를 확대하고 무선 소프트웨어 업데이트(OTA)를 통해 지속적인 개선이 가능한 점이 특징으로, 자동차 기능 안전성 국제 표준인 ISO 26262를 충족한다. 아울러 전용 암호화 프로세서(HSM), UN 유럽경제위원회 산하 자동차 사이버보안 규정 R-155 및 R-156 인증, 보안 업데이트 기능 등 디지털 보안 대책도 완비했다.
Q. 디 올 뉴 넥쏘는 충돌 안전 기준이 세계에서 가장 엄격한 미국과 유럽에도 판매될 예정이다. 충돌안전성을 강화한 차체 설계의 특징은 무엇인가?
권연호 책임연구원 I 최근 몇 년 사이 미국, 유럽, 국내의 자동차 충돌 안전성 평가 기준이 높아짐에 따라 충돌 시험에서 차체가 견뎌야 할 충돌 속도, 대차 질량 등이 크게 증가했다. 이런 가운데 현대차는 수소전기차의 안전성에 대한 고객의 우려를 해소하고, 세계 최고 수준의 충돌 안전 성능 확보하기 위해 더욱 정밀하고 강건한 차체 설계 대응책을 동원했다.
우선, 차체 전면에는 다중 골격 구조를 도입하여 최신의 충돌시험 프로토콜에 대응했다. 다중 골격 구조는 프런트 사이드 멤버(전방 충격을 흡수하는 기둥 형태의 전방 구조물), 어퍼 멤버, 서브프레임 등의 전방 충격 전달 경로(로드패스)를 최적화해 충돌 에너지를 고르게 분산한다. 이로써 프런트 사이드 멤버를 측면으로 비껴가도록 의도한 미국 IIHS의 스몰오버랩(차체 전면부 25% 면적 충돌) 충돌 시험에서도 우수한 안전성을 기대할 수 있다.
양현식 연구원 I 차체 측면의 구조적 안전성도 한층 개선했다. 지난 2021년부터 미국 IIHS는 측면 충돌 시험(Side Impact 2.0) 기준을 강화하면서 충돌 대차의 무게를 약 1.5톤에서 1.9톤으로, 충돌 속도 또한 시속 31마일(약 50km/h)에서 37마일(약 60km/h)로 각각 상향했다. 이에 따라 속도와 질량을 제곱한 총 충격 하중이 82%나 증가했다. 또한 해당 시험은 B필러 하단 부위로 충격 하중이 집중돼 차체 손상을 크게 유발한다.
우리 연구원들은 이에 대응하고자 디 올 뉴 넥쏘의 차체 측면에 멀티피스 구조와 핫스탬핑 공법 적용 비율을 확대했다. 멀티피스 구조는 부위별로 연신율과 두께가 다른 강판으로 구성해 각 부분이 유연하고 효과적으로 충격 하중을 흡수한다. 가령 B필러 아우터 두께를 증가해 충격 하중을 견디도록 설계했고, 기존 넥쏘 대비 두께를 증대시킨 사이드 아우터 레인프 하단부는 연성이 높은 강판을 사용해 측면 충돌 시 파단되는 현상을 억제한다.
사이드 이너 패널에는 성형성을 개선한 초고장력 강판(3세대 강판)을 확대 적용하고, 시트를 지지하는 가로축 크로스 멤버와 리어 사이드 멤버 전단부의 구조를 보강하는 등 여러 방법을 동원해 충격 하중을 분산하도록 유도했다. 또한, 차체 후방에서 전방으로 지나는 수소 연료 공급 라인이 차체 측면을 거치는 만큼, 이와 관련된 안전성도 한층 높아졌다.
한편, 수소탱크는 고압 수소를 저장하는 원통형 용기로 부피, 무게, 팽창 특성 등으로 인해 차체 설계의 제약 요소로 작용했다. 이번 개발에서 가장 까다로웠던 부분은 수소탱크가 내부 압력 변화에 따라 미세하게 팽창과 수축을 반복하는 점이었다. 다행히도 충분한 리어 오버행을 활용하여 다층적이고 정교한 후방 구조를 완성할 수 있었다.
Q. 후방 충돌 시 수소탱크를 보호하는 차체 구조의 특징은 무엇인가?
박진우 연구원 I 디 올 뉴 넥쏘의 후방 구조는 충돌 시 에너지 분산 효과를 극대화할 수 있도록 구성됐다. 특히 리어 사이드 멤버의 경우 구간별로 다른 재질을 적용해 위치에 따라 충격을 흡수하는 역할이 달라지도록 설계했다. 예컨대 리어 사이드 멤버 후방은 에너지 흡수를, 전방은 수소탱크를 지지하며, 수소탱크 후방과 각 수소탱크 사이에 위치한 고강성 크로스 멤버는 외부 충격을 효과적으로 차단하는 방식이다. 또한 수소탱크를 고정하는 마운팅 구조도 전면적인 재검토가 이루어져, 충돌 시 수소탱크와 차체가 안정적으로 결속될 수 있도록 개선됐다.
Q. 충돌 안전 성능 개발 당시 주안점을 두었던 부분은 무엇이었나?
양민호 책임연구원 I 탑승자에게 전달되는 충돌 에너지를 최소화하기 위해 견고한 차체 구조를 만드는 것이 중요했다. 구조적 안전성을 높이고자 가혹한 충돌 시험을 다양하게 진행했고, 이 과정에서 차체가 변형되고 파단되는 형태를 분석하며 구조 보강 및 소재 연질화 등으로 발전시켰다. 이로써 전방 충격 전달 경로인 로드패스를 최적화할 수 있었다. 이후 탑승자 신체를 직접적으로 보호하는 안전 장치인 에어백, 안전벨트 등을 마지막으로 조율하며 사고 시 상해 가능성을 최소화했다.
Q. 실제 사고 시에는 정면 뿐만 아니라 측방, 후방 등 여러 방향으로 충돌한다. 이런 상황에서 탑승자를 효과적으로 보호하는 디 올 뉴 넥쏘의 안전 사양이 궁금하다.
이상철 연구원 I 디 올 뉴 넥쏘에는 전 방향의 충돌에서 탑승자를 보호하는 9개의 에어백을 탑재했다. 이는 운전자, 조수석 탑승자를 보호하는 1열 전방 에어백, 측면 충돌 시 운전자와 조수석 탑승자의 머리가 서로 부딪혀 부상할 가능성을 줄이는 센터 사이드 에어백, 뒷좌석 탑승자의 골반과 가슴 부상 가능성을 줄이는 후석 사이드 에어백 등으로 구성됐다.
Q. 디 올 뉴 넥쏘와 함께하는 고객에게 전하고 싶은 메시지가 있다면?
양민호 책임연구원 I 지구환경을 생각하는 고객 여러분께 진심으로 감사드린다. 수소전기차 디 올 뉴 넥쏘는 탄소중립과 지속가능한 미래로 나아가는 중요한 발걸음이다. 앞으로도 수소전기차의 기술 개선을 통해 더 나은 경험을 제공할 수 있도록 현대차는 끊임없이 노력할 것이다. 고객 여러분의 의견은 수소사회를 만들어가는 소중한 자산이다. 언제든지 목소리를 들려주기를 바란다.
이상철 연구원 I 언제 어디서 사고가 발생할 수 있다는 불안감에 운전대 잡기를 두려워하는 분들이 많으리라 생각한다. 우리 연구원들은 ‘내 가족과 지인이 탑승할 자동차’라고 항상 유념하면서 세계 최고 수준의 안전성을 구현하기 위해 노력하고 있다. 더 많은 분들이 디 올 뉴 넥쏘와 함께 행복하고 안전한 드라이빙을 즐기시기를 바란다.
사진. 최대일, 김범석
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