연료전지 자동차의 기술개발 동향 및 전망

연료전지 자동차는 내연기관 자동차의 동력변환장치에 해당하는 엔진을 연료전지로 대체함으로써, 연료전지에서 생산된 전기로 모터를 구동시켜 주행하는 자동차이다. 연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직접 전기를 얻기 때문에 기존의 내연기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않아, 자동차의 평균 운전영역에서 연료전지 자동차는 내연기관 자동차보다 2~3배의 높은 효율을 갖고 있다(<표 1> 참조). 또한 연료전지는 수소를 이용하는 기술이기 때문에 연료전지자동차는 내연기관차와 비교하여 유해물질은 물론 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 전혀 배출하지 않는 무공해 자동차로 분류되는 미래 이상적 자동차이기도 하다. 연료전지 자동차는 크게 엔진에 해당하는 연료전지 스택, 연료전지의 최적운전에 필요한 각종 운전장치(수소 및 공기의 공급계, 물 및 열관리계 등), 수소저장장치, 전력변환장치, 구동계(모터 및 감속기), 그리고 이들을 제어하는 제어장치 등으로 구성된다. 기술개발 측면에서 연료전지 자동차 기술은 연료전지 스택기술 발전과 수소저장 기술 발전으로 구분할 수 있다. 최근 연료전지 스택의 초기성능 즉 출력밀도는 크게 향상되었고 -20℃의 냉시동이 확보되는 등, 연료전지 자동차의 실용화에 한층 더 근접되었다고 평가되고 있다. 그러나 연료전지 자동차의 궁극적 목표인 상용화를 위해서는 연료전지 시스템의 가격절감과 내구성 향상의 기술적 노력이 배가 되어야 할 것이다. 향후 연료전지 자동차가 보편화되어 양산체계가 갖추어질 경우 상당부분 가격절감이 이루어지겠지만 이것만으로는 상용화 목표를 달성하기 어렵다는 게 현재 연료전지 자동차 개발이 안고 있는 문제점이다. 연료전지 자동차 개발과 관련된 대부분 업체들은 실용화에 대비하여 부품의 양산기술을 개발하는데 총력을 기울이고 있으며, 국내의 현대차를 포함하여 대부분의 자동차 회사들이 2010년에서 2015년 사이에 양산에 돌입하는 것으로 예측되고 있다. 양산시점이 예정보다 앞당겨지느냐 또는 늦추어지느냐의 여부는 연료전지 자동차의 핵심기술인 MEA(Membrane Electrode Assembly)의 양산기술개발, 스택의 양산공정을 위한 GDL(Gas Diffusion Layer)일체형 MEA개발, 분리판 성형기술개발, 또한 MEA를 구성하는 촉매 및 고분자막, 분리판 소재의 획기적 가격 저하 기술의 개발에 달려있다. 수소저장기술은 연료전지 스택기술과 더불어 연료전지 차량의 일충전 주행거리를 확보하는 중요한 기술로, 2001년 현대자동차에서 350기압 고압저장용기를 최초로 적용한 이후 대부분의 회사가 305기압의 고압수소저장 시스템을 채택하고 있다. 최근 GM은 퀀텀에서 개발한 700기압 고압저장용기를 장착한 사례로 보아 일충전 주행거리 확보라는 측면에서는 큰 문제는 없을 것으로 판단된다. 그러나 장기적 관점에서 고압수소저장 시스템이 갖는 패키지상의 한계성 및 고압가스의 안전성 측면에서 새로운 수소저장기술의 출현을 위해서 지속적 연구개발이 필요한 분야이기도 하다. 연료전지 자동차는 2002년 혼다와 도요타가 처음으로 일본과 미국에서 리스판매를 시작하였다. 이 리스판매가 연료전지 차량의 소량생산 기점이 된 것으로 판단되며, DCX, GM 등의 기업들은 2003년을 기점으로 시범운행용 연료전지 차량을 소량 생산하고 있다. 연료전지 차량이 본격적으로 양산되기 까지는 실용화를 위한 지속적 기술개발과 함께 연료전지 차량의 시범운행 및 실증프로그램을 위한 소량생산이 활발하게 진행될 것으로 판단된다. 시범운행을 위한 실증프로그램의 대표적인 사례는 2000년부터 시작된 미국의 CaFCP 프로그램, 2002년 시작된 일본의 JHFC 프로그램, 2003년에 시작된 유럽의 버스 프로그램, 2004년 말에 시작된 미국 DOE의 Fleet 프로그램 등이 있다. 국내의 현대차도 미국의 CaFCP 프로그램에 참가하여 주행시험을 수행 중에 있으며, 북미, 유럽, 일본, 싱가포르, 호주와 더불어 UN의 지원을 받는 개발도상국 프로그램까지 다양한 형태의 프로그램이 진행되고 있다. 이러한 프로그램을 통해서 각국 정부는 연료전지 자동차의 기술개발과 함께 수소인프라 구성 및 확대, 대중홍보, 각종기술표준화 및 법규정비 등을 수행하고 있다. 연료전지 자동차의 시장형성 전망은 시장형성이 차량의 가격을 낮출 수 있는 한 부분이기 때문에 현시점에서 매우 중요한 의미를 갖는다. 시장예측은 기본적 가정에 따라 다양하게 예측될 수 있는데, 대부분 2010년을 기점으로 연료전지 차량의 판매대수가 경제성을 완전 확보할 때까지 서서히 늘려갈 것으로 전망하고 있다. 미국의 학술원이 발표한 자료에 의하면, 현재 주류를 이루고 있는 내연기관 차량은 2010년을 기점으로 점차 판매대수가 감소하고, 연비 측면에서 유리한 하이브리드차가 그 감소분을 충당할 것으로 전망된다(<그림 1> 참조). 하지만 궁극적으로 석유를 사용하는 하이브리드차의 한계성 때문에 2025년을 정점으로 하이브리드차는 연료전지 자동차로 대체되며, 낙관적 예측이긴 하지만 2040년 경에는 판매되는 차의 약 90%정도를 연료전지차가 차지할 것으로 전망하였다.

한 국가, 더 나아가서 세계적으로도 자동차 산업이 갖는 의미는 매우 크며, 미래에는 더욱 큰 의미를 가질 것으로 예측된다. 고유가 지속에 의한 에너지 위기론, 화석연료의 고갈, 기후변화 등에 의한 국제적 환경규제 등의 위협에 놓여 있는 현 상황에서 새로운 에너지사회로의 전환은 필연적이다. 이의 중심에 서있는 자동차 산업의 미래 또한 새로운 패러다임에 발맞추어야 한다고 볼 때 새로운 자동차 산업기술의 육성은 국가적으로 매우 중요한 의미를 갖는다 할 수 있다. 이에 따라 우리 정부도 이러한 수소와 연료전지의 중요성을 크게 느껴 정부가 기획, 선정한 바 있는 10대 성장동력 산업의 하나로 연료전지 기술을 결정하였으며, 이를 효과적으로 추진하기 위하여 수소연료전지 사업단을 구성한 바 있다. 또한 정부는 2005년을 ‘수소경제’ 원년으로 천명하였고, 오는 2040년까지의 국가 수소경제 정책의 방향성을 제시할 종합 마스터플랜을 준비하고 있다. 다가오는 수소경제사회를 대비하기 위한 이러한 정부의 청사진에서, 연료전지 자동차개발 정책과 이에 부응하는 수소인프라 구축이 가장 중요한 몫을 차지하는 것은 당연하다. 수소연료전지 분야의 산업화를 가속화시키기 위한 기반을 마련하기 위한 산업자원부의 보급정책에 의하면, 2012년까지 연료전지 승용차 3,200대, 연료전지 버스 200대를 보급, 시범운행할 예정이며, 또한 보급, 운행될 연료전지 차량을 위하여 수소스테이션 50기를 건설, 운행할 예정이다. 설정된 보급목표 달성을 위하여 다양한 연구개발 및 실증과제들이 도출되어 수소연료전지 사업단을 통하여 지원되고 있으며, 연료전지 자동차 시범운행을 위한 다양한 프로그램이 검토되고 있다. 정부의 확실한 지원정책에 의거 설정된 보급목표를 달성한 2012년 경에는 연료전지 자동차 기술의 경쟁력을 확보하게 되여, 연산 10,000대 정도의 소량생산 기점이 되리라 예상된다(<그림 2> 참조). 석유시대(내연기관 자동차)를 마감하고 수소경제시대(연료전지 자동차)로 이행하는 것은 에너지 체계의 근본 패러다임을 바꾸는 작업으로 어느 한 기업이나 정부가 단기간에 감당하기에는 부담이 클 수밖에 없다. 앞으로 수소경제를 이끌어 갈 산업체는 단기적 이윤추구에 너무 집착하지 말고 미래에 대한 확실한 투자라는 측면에서 접근하는 지혜가 필요하며, 또한 정부는 이러한 산업체가 위험요소를 안고서도 확실한 투자를 할 수 있도록 수소경제 지향에 관한 정부의 정책의지를 확실히 천명할 필요가 있다.