Special 탄소중립을 위한 연료전지 미래기술 개발 동향

모빌리티 분야 연료전지 개발 현황

이성철_현대모비스 책임연구원/셀리더

코로나 19 사태로 인해 일반인들 사이에서도 기후 변화의 심각성에 대한 인식이 퍼지고 있고, 장기 저탄소 발전 전략 (Long-term low greenhouse gas Emission Development Strategies, LEDS)의 UN 제출 시한 전후에 주요국의 탄소 중립 선언이 가속화되고 있다.
  우리나라는 ’18년 이후 온실가스 배출량은 정점을 지나고 있으나 해외 타 국가들보다 정점 이후 탄소 중립까지의 기간은 촉박한 상황이다. [출처: 2050 탄소 중립 추진전략, KEA 에너지 이슈 브리핑 제152호 2020. 12. 21] 온실가스 감축을 위한 다양한 노력 가운데 수송 부문 온실가스를 감축하는 것이 상당히 큰 부문을 차지하고 있다. 2050 탄소 중립 전략에 따라 수소/전기차 생산 및 보급 확대를 적극적으로 추진하고 있고 동시에 인프라 확충 및 기술 개발을 통해 친환경차로 전환이 가속화되고 있다. 이와 같은 수송 분야의 급속한 환경 변화에서 순수전기차와 수소연료전지차의 용도에 맞는 영역을 자리 잡는 것으로 판단된다. 순수전기차는 단거리 운행 혹은 승용차 등에 적합한 것으로 이해하고 있으며 수소전기차는 중대형 SUV급 차량이나 그 이상의 트럭과 버스 등에 적합한 기술로 인식되고 있다.
  일반적으로 알려진 연료전지 방식은 전해질의 종류에 따라 용융 탄산염 연료전지 (Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC), 고체산화물 연료전지 (Solid Oxide Fuel Cell, SOFC), 인산형 연료전지 (Phosphoric Acid Fuel Cell, PAFC), 고분자 전해질 연료전지 (Proton-exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)로 구분할 수 있다. 비교적 낮은 온도에서 운전 가능한 PEM 연료전지 시스템이 그림 1과 같이 모빌리티 제품에 유용하게 적용되고 있다.

그림 1. 고분자 전해질막 연료전지 적용 제품 사례

1. 연료전지 시스템의 모빌리티 적용 사례

1) 승용 차량 분야

최근 환경 문제로 인해 대부분 국가에서 친환경차 보급에 전력을 다하고 있다. 수소전지차는 순수전기차보다 생산량에 차이가 있지만, 꾸준히 성장하고 있다. 얼마 전까지 현대자동차와 토요타 중심으로 개발/생산되었다면 최근에는 글로벌 완성차 제조업체로 확대되어 가고 있다. 특히, 국내 수소연료전지 차량의 경우, ‘13년 세계 최초로 양산형 연료전지 차량을 개발/생산하고 ’18년에는 2세대 연료전지 차량인 넥쏘를 개발/양산하였다. 현재는 표1과 같이 1만 대 내외로 생산/판매하고 있는 것으로 알려져 있다.
 현대자동차의 2세대 수소연료전지 차량은 그림 2 (a)와 같이 1) 연료인 수소와 공기를 전기화학 반응을 통해 전기를 만드는 연료전지시스템, 2) 가속할 때 저장해 둔 전기를 공급하고, 감속할 때는 회생 제동으로 전기를 충전하는 고전압 배터리, 3) 연료인 수소를 700bar의 압력으로 저장하는 수소저장시스템, 4) 연료전지 시스템과 고전압 배터리에서 전기를 받아 차량을 움직이는 구동 모터로 구성되어 있다. 여기서 연료전지 시스템을 좀 더 자세히 구분하면 수소와 산소와 반응하여 전기를 만드는 연료전지 스택, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 연료공급시스템, 공기의 압력, 유량 및 가습 정도를 조절하여 연료전지 스택에 공급하는 공기공급시스템, 연료전지 스택을 최적 온도로 제어하기 위한 열관리 시스템으로 구성되어 있다.

   (a)   

       (b)                         
그림 2. 수소연료전지 차량 모식도

2) 상용차

상용 차량은 일반적으로 출력이 높고 긴 운행 시간이 필요하므로 수소연료전지 시스템을 사용하는 것이 유리한 것으로 알려져 있다. 국내에서는 기존 대형트럭인 엑시언트 모델에 180kW급 연료전지 시스템을 장착하여 운행하고 있다. 이때 차량은 350kW 최고 출력으로 운행 가능하며 대형 수소 탱크 7개를 장착하여 일 회 충전 시 31kg의 수소를 충전하여 최대 570km를 운행할 수 있는 것으로 알려져 있다.

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