연료전지 자동차의 개발현황
한국과학기술정보연구원 전 문 연 구 위 원 진 영 훈 (yh jin @ re se a t.re .kr)
1. 자동차 주변 환경과 연료전지 자동차
○ 최근 석유 소비량은 계속 증가하는데 비해 원유 발견량은 계속 감소하 고 있다. 이에 따라 화석연료에서 탈피하여 액체연료, 전기, 수소, 태양 광, 그리고 풍력을 활용하는 새로운 에너지 공급원 개발의 필요성이 대 두되고 있으며, 이러한 에너지의 다양화에 대응하는 자동차 파워 소스 의 개발이 시급하다.
○ 대기 중 CO2의 급증에 의한 급격한 기후변화가 현실로 나타나고 있다.
CO2 증가를 그대로 방치하면, 최근의 이상 기상에 의한 지역재해에 그 치지 않고 지구 전체의 생태계와 주거환경 변화, 그리고 경제적 손실은 헤아릴 수 없을 정도로 커질 것이다. 지금 바로 CO2 배출을 삭감해도 대기 중의 CO2 안정화에는 오랜 시간이 소요된다.
○ 장기적인 관점에서 에너지 공급에 관한 대대적인 기술 혁신이 필요하 다. 이러한 배경을 고려하여 다양한 에너지의 공급원에서 제조가 가능 하고, CO2 절감효과가 큰 수소를 연료로 한 연료전지 자동차(FCV:
Fuel Cell Vehicle)의 개발이 추진되고 있다.
2. 연료전지 자동차의 개발현황
○ 일본의 Toyota 자동차는 연료전지 스택은 물론, 고압 탱크를 포함한 시 스템 전체의 개발을 중심적인 위치에서 추진하고 있으며, 승용차뿐만 아니라 대형 도시 버스, 경자동차, 산업용 차량, 가정 용 연료전지 시스 템을 공동으로 개발하고 있다.
○ Toyota의 연료전지 하이브리드 자동차인 FCHV(Fuel Cell Hybrid Vehicle)은 2002년 12월에 세계에서 처음으로 한정 리스(lease) 판매를 시작한 이래 17대가 연 21만 km 이상 주행하고 있다. 또한 2005년 7 월부터는 새로운 보안 기준에 적합한 ‘형식인증’을 받은 신형 하이브 리드 자동차 16대가 2007년 3월까지 연 11만 km를 주행하였다.
– Toyota FCHV-BUS는 기본적으로 승용차의 시스템을 채택하였으며, 연비는 디젤 버스에 비해서 약 1.6배 향상되었다. FC 버스의 개발은 도시의 대기환경 개선, 소음 저감에 추가하여 승객들에게 FC 기술을 홍보하고 수소 인프라 도입을 추진하는 역할도 기대되고 있다.
○ FCHV 버스는 2007년 3월까지 주행거리 연 18만 km, 약 100만 명의 승객이 이용하였다. 유럽과 미국에서도 FC 버스의 실차시험이 매우 활 발하게 진행되고 있으며 도시 버스로 사용하기 위해서는 주행거리의 연장과 장기 내구 신뢰성의 확보, 그리고 차량 코스트의 대폭적인 절감 이 필요하다.
3. 보급을 위한 개발과제
○ FCV의 대량보급을 위해서는 국가와 에너지 제조회사 등은 연료 제조·
공급의 과제와 인프라를 해결해야하고, 자동차 회사에서 차량 시스템을 개발하여야 한다.
– Toyota 연료전지 스택의 내구성 문제는 물리적·화학적 열화를 감소 시켜 내구성을 실용 수준에 도달하도록 개선해야 한다. 출력저하의 과제는 착실히 향상되고 있지만 계속적인 개선이 필요한 상황이다.
– 빙점하의 시동성과 시동 후의 주행성능은 가솔린 차량에 비해서 손 색이 없었지만 상품화를 위해서는 시동 시간 단축과 내구성 개선이 필요하다.
○ 지금까지는 기본 특성의 장래성이 개발의 주체이었지만 서서히 코스트 절감의 개발로 이행해야 할 단계이다. 그렇지만 코스트의 절감은 성능 저하를 초래하는 등 개발이 용이한 것이 아니므로 설계, 재료, 생산기
술 모든 분야의 혁신이 필요하고, 상당한 개발기간이 소요될 것으로 추 정된다.
○ 고압 수소 탱크의 FCV는 주행거리가 짧은 것이 해결해야 할 큰 과제 로 실용 주행거리 500km의 확보가 필요하다. 이에 대응하는 기술로 수 소 탱크를 35에서 70MPa로 고압화 하는 기술이 있으나 단순히 고압 화하는 것만으로는 충분하지 않다.
– 탱크에 관한 기술개발과 시스템의 연비 향상으로 고압 수소 탱크 FCV의 목표 주행거리 달성을 위해 노력하고 있다. 수소 저장에 대 한 추가적인 기술로 수소 흡장재료와 카본 나노 재료의 활용, 유기 하이드라이드(hydride)에 의한 수소의 저장, 액체 수소 등 여러 가지 방법이 검토되고 있다.
○ 실용화에 시간이 소요되기 때문에 수소 저장분야에의 획기적인 개혁을 위하여 세계의 연구자와 기술자가 협력하여 연구·개발을 추진하는 것 이 바람직하다. 주행거리 문제에 추가하여 연료전지 자동차가 널리 보 급되기까지 해결되어야 하는 중요한 과제는 수소 제조시의 CO2를 줄이 는 것이다.
○ 여러 가지 파워 트레인의 자동차가 배출하는 CO2를 비교해 본 결과 연 료전지 자동차는 주행 시 CO2를 배출하지 않아 대폭적인 CO2의 감소 가 가능한 잠재력을 가지고 있다. 그러나 1차 에너지원을 어떻게 하느 냐에 따라 CO2 배출량이 크게 변한다. 석탄과 천연가스에서 수소를 만 들면 CO2가 많이 발생하기 때문에 수소제조 시의 CO2 고정화 기술의 개발과 실용화가 필수적이다.
4. 결론
○ FCV의 개발은 실증시험을 통해서 여러 가지 지식을 얻을 수 있어서 보급을 위한 과제에 대응책도 진전되었다. 내구성과 저온 성능이 착실 히 발전되어 온 기술도 있지만 아직까지 해결되어야 할 과제가 산적되 어 있다. 특히 주행거리의 연장, 수소 저장분야, 비용 절감은 매우 중요 한 과제로 보급에 장벽이 되고 있다.
– 재생 가능한 에너지로는 미래에 수소·전기가 점유하는 역할이 높아질 것이라는 의견이 많고, 궁극적인 에코 카로 잠재력을 갖는 FCV의 개 발 의의가 크다.
○ 1997년에 세계에서 처음으로 하이브리드 차인 프리우스가 시판되기 시 작한지 10년이 경과했지만 일본의 판매 점유율은 1%에 지나지 않는다.
증기 자동차가 주류를 이루던 1900년 당시의 미국에서는 가솔린 자동 차가 시장에 출시된 후 주류로 자리 잡기까지는 27년이 소요되었다.
○ FCV를 대량 보급하면 인프라를 포함하여 큰 사회의 변화가 수반되어야 하므로 상당한 시간이 소요될 것으로 예상되지만 석유자원의 고갈, 지 구 온난화의 문제가 심각하므로 조속히 해결되어야 한다. 수소 사회의 도래를 의문시 하는 의견도 있지만 건전한 수소사회의 실현으로 미래에 큰 문제를 해결하겠다는 강한 의지로 FCV의 개발을 가속해야 한다.
○ 자동차의 개발은 부정적인 측면을 최소화하는 “Zeronize"에 추가하여 쾌적함, 안락함, 즐거움 등 사람들 마음의 풍요로움을 최대화하는 사명 도 있다고 생각한다. FCV가 자동차의 새로운 가능성을 제공하는 측면 에서 꿈의 자동차로 불리기를 바란다.
출처 : 木崎 幹士, “燃料電池自動車の 開發狀況”, 「自動車技術(日本)」, 61(9), 2007, pp.31~36
◁전문가 제언▷
○ 일본의 Toyota 자동차는 개선된 연료전지 시스템을 탑재한 Toyota FCHV의 일반도로 주행 시험의 일환으로, 2007년 9월 28일 Osaka- Tokyo간 장거리 주행 시험을 실시하여 도중에 수소를 보충하는 일 없 이 완주하였다. 도요타는 연료전지 자동차의 주행 거리 확보, 저온 시 동성이나 내구성 향상, 비용 저감 등 연구 개발과 동시에 국가와 에너 지 업계 등 관계 기관과 협력하여 친환경 자동차의 개발을 적극적으로 추진하고 있다.
○ 친환경 자동차의 개발에는 초기의 엄청난 규모의 투자가 필요하며 차 량가격도 일정대수 이상의 양산이 이뤄지기 전까지는 수익창출이 어렵 기 때문에 친환경차 보급 활성화를 위해서는 범 정부차원의 세제지원·
보조금 지원뿐 아니라 인프라 구축 등의 지원이 필요하다.
○ 일본, 유럽 등 자동차 선진국에서는 이미 1990년대 초부터 저연비·저공 해자동차에 대한 취득세·자동차세 등 각종 세제지원과 차 값의 50% 이 상 보조금 지급, 저리융자 등의 자금지원과 인프라 구축 등 체계적인 인센티브 제도를 시행, 자동차산업 발전과 에너지절감, 환경보전 등을 동시에 추진하고 있다.
○ 우리나라는 천연가스(CNG: Compressed Natural Gas)버스에 대한 취득 세 면제 및 일반차량 가격대비 일정 부분의 보조금 지급 등의 지원을 제외하고는 연료전지 자동차, 하이브리드 자동차, 전기자동차 등 친환 경 자동차에 대한 세제 인센티브 등 지원책이 거의 전무하다.
○ 친환경기술은 향후 자동차기술의 핵심으로 국내 자동차산업의 기반기 술로 집중 육성할 필요가 있다. 현재는 기술 변화의 과도기적 단계이지 만 미래기술 경쟁에서 낙오하면 한국 자동차산업의 경쟁력 저하가 우 려된다. 현재 일본이 앞서 가고 있는 하이브리드 차와 경쟁을 위해 연 료전지 자동차의 집중적인 기술개발로 한국 자동차산업의 재도약과 자 동차공업의 선진국 진입이 이루어지기를 기대한다.
