▲ 현대자동차가 개발해 양산을 시작한 수소연료전지자동차 투싼ix.

■ 친환경 자동차로의 패러다임 변화

온난화와 석유자원의 고갈은 자동차 산업에서의 글로벌 패러다임의 전환을 요구하고 있다.
교통수단은 에너지 소비의 21%를 차지하고 있고, 대기오염의 23%를 유발하는 것으로 알려졌고, 세계는 점점 더워지고 있다.

이는 이산화탄소(CO₂) 배출 증가 때문인데 CO₂ 대기농도가 2배 증가할 때마다 온도는 2∼4.5℃ 증가하고 있다.

또한 기후 변화에 따라 물은 부족해지고 있고, 석유자원도 급격한 감소를 보일 것으로 예측되고 있다.

문명의 발전에 따라 석유자원의 사용은 정점에 다다를 것이고 가격대비 효과적인 석유자원과 가스자원은 감소가 급속도로 빨라질 것으로 예측되고 있다.

더불어 브릭스에서의 석유자원 소비는 기하급수적으로 증가하고 있다.

연평균 중국에서 4.1%, 인도에서 3.8%의 석유자원의 소비가 증가하고 있다. 또한 두바이 오일이 연평균 6% 증가하고 2029년에는 배럴당 200달러를 돌파할 것으로 예측되고 있다.

이러한 문제들을 해결해 줄 방법 중 하나로 수소연료전지차가 각광받고 있다.

■ 궁극적 친환경 차량, 수소연료전지차

미래의 친환경 차량으로 주목을 받고 있는 차는 수소연료전지차와 전기차다.

전기차는 우선 CO₂의 배출이 없다는 장점을 가지고 있지만 전기를 에너지원으로 사용하는 이상 전기를 생산하기 위해서는 화석연료를 사용해야하기 때문에 친환경차가 아니라는 반론도 있다.

또한 충전시간이 오래 걸리고 대형 차량을 만들 수 없다는 한계가 존재한다.

수소연료차는 수소를 에너지원으로 전기를 생산하고 배기가스로 수증기가 배출되기 때문에 오염물질 배출이 전혀 없다.

또한 수소차는 장거리 주행이 가능해 짧은 주행거리에 머물고 있는 배터리 전기차에 비해 더 많이 사용될 것으로 예상된다.

전기차는 차체를 작게 할 수 밖에 없는 구조로 소형에 적합하지만 수소차는 자체 크기와는 상관없이 소형부터 대형까지 모든 차량에 적용 가능하다. 또한 충전시간도 짧은데다 신재생에너지를 수소로 변환 및 저장하는 등 다양하게 활용이 가능하다는 점도 큰 장점이다.

■ 현대차, 15년만에 수소차 개발 성공

현대차는 1998년에 수소연료차 개발을 시작했다.

2002년 75kW 산타페 수소연료차가 개발됐으며 2004년에는 80kW의 투산 수소연료차가 개발됐다.

2004년부터 2009년에는 미국 DOE의 거리실증테스트에 32대의 SUVs를 파견했다.

2006년부터 2010년까지는 30대의 SUV와 4버스로 첫 번째 국내 실증을 거쳤으며 2007년에 100kW 투싼3를 개발했다.

2009년부터 2013년까지 두 번째로 100대의 SUV로 국내 실증을 실시했다.
이에 2013년에는 세계 최초로 투싼ix 수소연료전지차를 상용화했다.

현대가 2008년부터 2010년까지 연구를 진행한 수소연료차 보레고는 스택이 바닥 아래로 위치해 있고, 수소차의 15% 이상의 부분에 백금을 사용해 무게를 15% 감소시켰다.

또한 에어프로세싱 시스템을 통해 전력의 35%를 아꼈으며, 영하 15℃ 이하의 찬 환경에도 시동이 가능하고 700bar의 수소 탱크 설치로 장거리 드라이브가 가능해졌다.

수소연료전지는 115Kw, 슈퍼 캐퍼씨티는 100Kw, 모터 시스템은 110Kw의 성능을 갖췄다.
수소탱크는 70메가파스칼에서 7.9㎏, 10.2킬로파스칼에서 17.4파운드를 견디며, 100킬로 도달시간은 12.8초를 기록했다.

주행거리는 700㎞, 435마일을 이동할 수 있으며 최고시속은 160㎞, 99마일을 낼 수 있었다.

보레고 수소차는 2008년 12월 샌프란시스코에서 LA로 637㎞, 396마일 드라이빙 테스트를 진행했다.

637킬로미터 이동하는 동안 7.76㎏의 수소가 탱크에 충전됐으며 이중 86%(6.65㎏)를 소비했고, 약 14%에 달하는 1.27㎏의 수소가 남아 있었다.

2012년에서 2015년까지 생산되는 투싼ix 35 SUV는 소형 시리즈를 위한 모델로 높은 내구성을 보이는 멤브레인과 전기 어셈블리(MEA), 가스 디퓨전 레이어(GDL), 로버스트 스택을 위한 가스켓을 장착했다.

또한 △메탈릭 바이폴라 플레이트 △AC 인덕션 모터 △비용 감소를 위한 리튬 이온 배터리 △양산을 위한 쉬운 조립을 위한 연료전지 시스템 모듈레이션을 장착했다.

투싼ix의 연료전지 파워는 100 kW, 리튬이온 배터리는 24kW다. 모터 시스템은 100kW AC 인덕선 모터를 장착했으며 수소 탱크는 70메가파스칼에서 5.6㎏을 충전할 수 있다. 주행거리는 588㎞를 주행하며 100㎞/h 도달시간은 12.5초가 소요된다. 최고속도는 160㎞/h다.

지역과 글로벌 공급사 양측으로 투싼ix35 수소연료차를 위해 비용대비 효과적인 연료 셀 컴퍼넌트를 제공하다.

현대 투싼ix 2013년 2월 양산, 세계 보다 2년 앞서

수소충전소 건설·정부 구입보조금 수소차 발전 필수

■ 현대차의 검증된 실증

투싼ix는 실증을 위한 수많은 테스트를 거쳤다.

실제도로에서 수소연료자동차가 20만㎞를 주행하려면 혁신적인 부품, 시스템, 컨트롤 기술을 갖고 있어야 한다.

연구소에서 차량의 수명이 끝날 때까지 성능저하를 나타내는 수많은 테스트를 실시한 결과 시스템 데이터와 실제 운행과정의 데이터가 거의 동일한 모습을 보였다.

또한 계절적 연료 효율성을 이전 모델인 보레고와 비교한 결과 보레고는 봄과 가을이 100%의 효율성을 보였다면 여름은 95%, 겨울은 91%의 효율을 보였다.

반면에 투싼ix는 봄, 여름, 가을이 동일한 100%의 효율성을 보여준 반면 겨울은 95%의 효율성을 보여줘 보레고에 비해 향상된 성능을 보여줬다.

화재 테스트에서는 일반 차량이 40분후 연료탱크가 폭발했는데, 타입3을 장착한 수소차는 안전밸브가 22분 후에 작동했으며, 타입4를 장착한 수소차는 13분만에 작동해 향상된 안전능력을 보여줬다.

투싼ix는 이러한 차량의 실증테스트를 위해 미국 DOE 프로그램에 참가했다.

이 프로그램은 2004년 12월에서 2009년 12월까지 진행됐다. 예산은 1억500만달러가 소요됐으며, 컨소시엄과 정부가 50%를 부담했다.

32대의 투싼과 스포티지 차량이 지원됐으며 총 주행거리는 83만5,212㎞를 기록했다. 평균연비는 16.3㎞/ℓ를 기록했다. 겨울 테스트는 미시간에서 3년동안 진행됐다.

2006년 8월부터 2010년 12월까지는 국내에서 30대의 SUV차량과 4대의 버스가 투입된 실증프로그램이 실시됐다.

예산은 4,660만달러가 소요됐으며 50%는 정부가 지원했다. 총 주행거리는 129만7,799㎞를 기록했으며 평균연비는 19.2㎞/ℓ를 기록했다.

2010년 12월부터 2013년 12월까지 진행된 2차 국내 실증은 100대의 수소차가 참여해 울산과 서울에서 총 231만2,730㎞의 주행거리를 기록했다.

2012년 여수 엑스포에는 현대차가 스폰서로 참여해 25대의 SUV와 5대의 버스와 하나의 수소연료전지 파워프랜트를 지원했다.

■ 충전소 건설, 수소차 선두 유지에 필수

올해 2월에는 현대자동차에서 투싼ix를 세계 최초로 양산 체제를 구축했다.

이는 벤츠, 토요타 등 세계 수료연료전지차 선두 업체에 비해 2년 정도 앞선 것으로 평가되고 있다.

이렇게 세계 최초의 타이틀을 얻었지만 세계 최초·최고를 유지하기 위해서는 스택 등 관련 기술의 개발과 함께 수소차가 운행을 위한 충전소 구축이 요구되고 있다.

현재 현대차는 미국 등 선진 업체 들이 독점하고 있던 연료전지 스택을 독자 개발하는데 성공했다.

또한 충전소도 올해 2개의 상용화 충전소가 건설돼 총 15개의 충전소를 가지고 있으며 2015년까지 43개의 충전소 건설과 2030년 500개의 충전소를 확보해 전국에서 수소차가 다닐 수 있게 한다는 계획이다.

수소차를 개발해도 충전소가 없다면 수소차는 더 이상 운행할 수 없다.

현재 세계 최초의 상용화라는 타이틀을 가지고 있는 수소차의 발전을 위해서는 전국 각지에 충전소 건립과 정부의 가격보조가 뒷받침돼 할 것으로 업계는 보고 있다.

▲ 투싼ix 연료전지스택.

▲ 연료전지 발전기.

▲ 투싼ix 구조도.