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수소차 넥쏘가 나오기 이전, 수소차는 어떻게 발전해 왔나?

김태근 에디터

2018년 1월 17일

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최근 수소차에 대한 내용을 자주 접할 수 있다. 물론, 현대차에서 출시 예정인 수소차에 대한 내용이지만 얼마나 대단하기에 집중적으로 다루고 있는지 궁금해지기 마련이다.

분명 수소와 밀접한 관련이 있는 것은 알지만, 이름만 들어봤을 뿐 정확히 어떤 차인지 모르는 경우가 많다.

그렇다면, 과연 수소차란 무엇인지, 그리고 과연 안전한지 알아보고 수소차에 대한 역사와 더불어 국내외 수소차는 어떤지 살펴보는 시간을 가져보자.

우리가 여러 미디어를 통해 접하는 수소차는 정확히 수소연료전지 자동차(이하 수소차)’를 이야기한다.

수소차는 수소와 산소의 화학반응으로 생기는 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 과정을 통해 에너지를 얻는다.

이때 부산물로 물만 나오기 때문에 자동차 관련 친환경 기술의 최고로 손꼽히고 있다.

하지만 촉매제로 사용되는 팔라듐, 백금 등 재료가 비싸 차량 가격에 영향을 미치고 있어 대체재 연구가 과제로 떠오르고 있다.

수소차는 초창기 메탄올 등에서 수소를 추출해 연료를 변환하는 과정을 거쳤지만, 요즘은 주유소처럼 수소 주유소를 건설해 수소차 내부에 설치된 수소가스탱크에 고압으로 충전하는 방식을 사용하고 있다.

국내외 수소차 중 대표적인 모델로 포드의 포커스 연료전지차, GM의 하이드로젠3, 혼다의 FCX 현대의 투싼iX와 넥쏘 등이 있다.

간혹 “수소차는 고압용기 때문에 폭발 위험이 있다.”는 이야기와 함께 ‘수소 핵폭탄’에 대한 전설이가 퍼져있어 막연히 불안해하는 사람들이 많다.

하지만 전문가들은 “수소차가 폭탄으로 바뀔 일은 없다.”는 의견을 보이고 있다.

수소 자체가 위험한 기체인 것은 맞지만 일정 농도 이상으로 압축된 이후에 여러 가지 조건이 맞아야만 이 터지는 만큼 그 조건이 까다롭다.

게다가 수소 자체가 워낙 가볍고 확산이 빠른 특성을 가지고 있기 때문에 폭발 위험 가능성은 제로에 가깝다.

그리고 수소차에 탑재되는 수소 연료 저장 탱크는 이중 삼중으로 안전장치를 만들어놨기 때문에 끄떡없다고 한다.

수소차 분야에 있어 상위권을 달리고 있는 현대차를 기준으로 보면, 수소 연료 저장 탱크는 초 고강도 탄소섬유 복합재료를 사용하고 있고 두께만 100mm에 달해 엄청나게 튼튼하다고 한다.

실제로 현대차 연구원들은 수소탱크에 총을 쏘며 실험을 하기도 했다고.

그리고 추돌사고에 대비해 트렁크와 뒷좌석 밑 공간에 탑재되기 때문에 형체를 알아볼 수 없을 정도로 큰 사고가 나지 않는 이상 수소탱크가 충격에 의해 손상될 일은 거의 없다.

여기에 차량에 화재가 발생했을 경우 수소탱크에 들어있던 수소를 모두 방출하게 되는데 워낙 고압의 수소를 방출하다 보니 오히려 불을 끄는 소염효과까지 가지고 있다고 한다.

즉, 각 제조사들이 수소의 특성과 고압 용기에 대한 위험성을 개발 단계부터 고려해 만들었기 때문에 안전하다는 의미다.

일각에서는 “희박한 확률로 터지는 일이 있지 않나?”하는 의견을 보이기도 하는데, 그렇게 따지면 가연성 연료인 휘발유와 경유를 싣고 도로 위를 달리는 일반 내연기관 자동차들도 마찬가지로 위험하다.

수소 연료 전지차에 대한 역사는 연료전지 개발 역사와 큰 관련이 있기 때문에 먼저 어떻게 발견되어 발전해 왔는지 잠시 알아보자.

연료전지의 시작은 19세기 초에 시작됐다. 1801년 영국의 화학자 험프리 데이비(Humphry Davy)가 연료전지의 개념을 성립했다.

1983년 독일의 화학자 크리스티안 프리드리히 쇤바인(Christian Friedrich Schönbein)이 전기분해 실험을 하면서 연료전지에 대한 기초적인 실험 과정을 진행했다.

실제로는 전기분해에 따른 오존(0₃)발견이지만 전기분해라는 개념은 동일하기 때문에 연료전지 개발 측면에서 어느 정도 관련이 있다.

1842년, 영국의 화학자이자 물리학자인 윌리엄 로버트 그로브(William Robert Grove)가 연료전지를 개발하는데 성공했다.

그가 만든 연료전지는 백금 촉매를 통해 수소와 산소 사이의 전기 화학반응을 일으킨 것으로 오늘날 수소연료전지의 시초다.

하지만 개발 당시에는 연료전지(Fuel Cell)라는 용어를 사용하지는 않았고, 47년 뒤 연료전지를 연구하던 샤를스 랑게르(Charles Langer)와 루드윅 몬드(Ludwig Mond)에 의해 처음 사용됐다.

이후 기술적 문제로 큰 진전이 없다가 1950년대 후반~ 1960년대 초 냉전 시기 미국 NASA와 GE(General Electric)는 유인 우주 임무를 위해 연료전지 연구를 진행했다.

여기서 얻어진 성과는 유인 우주선 계획인 ‘제미니 프로젝트(Project Gemini)’에 활용됐다.

덕분에 우주왕복선에 12kW 연료전지가 탑재되어 지구 밖에서 승무원들이 다양한 연구를 할 수 있었다고.

비슷한 시기 소련에서는 연료전지를 전투기, 잠수함 등 군사용으로 개발하고 있었고 시간이 흘러 소련 유인 우주 계획 등에 활용됐다.

이처럼 20세기 중반까지는 정부 및 극소수의 학자들을 중심으로 연구개발이 이어졌으나, 1970년대 이후 GM(General Motors), 유니언카바이드(Union Carbide)등 민간기업들을 중심으로 연료전지 상용화가 시작되었다.

이들이 주목한 분야가 바로 자동차다. 현재 우리가 수소 연료 전지 자동차, 연료 전지차, 수소차로 부르는 것들이다.

이들이 갑자기 연료전지 상용화에 뛰어든 것으로 보일 수 있으나, 당시 석유파동과 에너지 부족에 대한 우려로 세계 각국에서 효율적인 에너지 생산에 대해 고민을 하고 있던 것이 주요 원인으로 작용했다.

1990년대 이후부터는 주요 자동차 제조사들이 연료 전지를 자동차의 주요 동력으로 사용하는 방법에 대해 본격적으로 연구하기 시작했고, 2001년에는 수송수단으로 사용할 만한 크기의 수소연료 탱크가 개발되면서 수소차 개발에 대해 주목할 만한 발전을 보이기 시작했다.

그리고 오늘날 혼다, 도요타, GM, 포드, 벤츠, 현대 등 주요 자동차 제조사들은 수소차 양산 단계까지 이르게 됐다.

앞서 언급한 수소차에 대한 역사를 보면 각 제조사들이 현재 어떤 수준의 수소차 기술을 가지고 있을지 궁금해지기 마련이다.

분명 수소차 연구만 1990년 이후 28년 동안 진행되어 왔을 텐데 얼마나 발전했는지 알 길이 없으니 말이다.

해외 제조사들은 1990년대 초반부터 수소차 개발에 열을 올리기 시작했다.

관련 개발에 있어 도요타, 혼다, 닛산, 포드, GM 벤츠, 폭스바겐이 선두주자다.

도요타는 고유의 하이브리드 기술 노하우를 수소차에 접목시켜 차량 가격 인하를 유도하고 있다.

현재 주행거리 830km에 영하 30도에서도 시동이 걸릴 정도로 높은 수준의 수소차를 만들 기술을 갖추고 있다.

여기에 20만 km 내구성은 일반 내연기관 자동차와 비교해서 차이가 없음을 보여준다.

혼다의 경우 독창적인 V-Flow 구조를 가진 연료전지 성능을 개선해 출력을 향상시켰고, 기존 내연기관과 유사하게 배치할 수 있어 범용성을 높이는데 주력하고 있다.

현재 3분 충전에 482km를 주행할 수 있을 만큼의 기술력을 보유하고 있다. 그리고 GM과 협업해 수소차 출시를 계획하고 있다.

닛산은 다른 제조사들과 달리 석유와 석탄, 천연가스를 이용해 수소를 생산하고 이를 수소차에 적용하는 1차 에너지원의 활용에 집중하고 있다.

여기에 수소차 연료탱크 소형화, 효율성 증가, 양산체제를 통한 가격 절감 개발에 박차를 가하고 있다.

포드의 경우 르노, 벤츠와 함께 연료전지를 공동 개발하는 중이다.

이들은 수소차에 대한 기술 자체는 가지고 있지만 개발비용 문제로 어려움을 겪고 있던 것이 공동 개발의 주요 원인으로 작용했다.

그래서인지 개발 자체도 비용 절감에 초점이 맞춰져 있는데, 차체 구조 규격화, 개발비와 부품비 절감에 주력하는 중이다.

여기에 수소충전소 건설을 위한 사회기반 시설 투자에 주력할 계획을 가지고 있다.

GM은 혼다와 함께 수소차 소형화, 경량화, 비용 절감 등을 함께 연구해왔다.

이를 통해 2020년까지 5천만 원 수준의 수소차를 출시할 계획을 가지고 있다.

이들의 공동연구는 다른 제조사들에 비해 좀 더 경쟁력을 가지고 있는데, 현재 연료전지 관련 특허로 세계 선두권에 있기 때문이다.

구체적으로 GM은 부식 방지 기술, 혼다는 수소와 산소의 화학반응 유도 기술에 특화되어 있어도 기업의 기술력이 합쳐진다면 고성능 수소차 등장도 기대해 볼 수 있다.

벤츠는 수소차 산업의 선구자 역할을 하고 있다.

1994년 FCEV ‘NECAR 1’을 개발했고 2002년에는 양산형 FCEV인 ‘F-Cell’을 공개했다.

그리고 2005년에는 B 클래스 F-Cell 버전을 출시하기도 했으며 2013년 이후부터는 대여 방식으로 수소차 사업을 운영하고 있다.

폭스바겐은 2014년 LA오토쇼에서 골프와 파사트 수소차 버전을 공개했다.

성능은 다른 제조사들과 비슷한 수준이며 3분 완충에 주행거리 500km를 기록하고 있다.

해외 제조사들 못지않게 현대자동차의 수소차 기술력 또한 우수한 것으로 평가받고 있다.

특정 분야에서는 오히려 더 앞서기도 한다. 그렇다면 현대차의 수소차 개발은 언제부터 시작됐고, 근황은 어떨지 잠시 살펴보도록 하자.

현대차의 수소차 개발은 1997년 ‘G7프로젝트’를 통해 시작됐다. 당시 대기오염 등 여러 문제에 대해 크게 신경 쓰지 않은 시대였지만, 현대차는 미래 회사의 운명을 결정지을 기술로 수소차를 지목했다.

해당 연구에 뛰어든 지 2년이 지난 시점, 미국 캘리포니아 연료전지 시범사업(CaFCP)에 참여하면서 주목할 만한 기술성장을 이루어냈다.

이때 등장한 현대차의 첫 수소차로 ‘싼타페 FCEV’가 있다.

이 시제품은 6개월 동안 165억 원을 들여 만든 모델로, 한 번의 수소 충전으로 160km를 달릴 수 있었으며 124km/h의 최고속도를 기록했다.

엄밀히 따지자면 순수 국산 기술이 아닌 미국 연료전지 회사 IFC와의 공동 개발이지만 해당 연구를 통해 수소차 분야에 대한 다양한 경험을 할 수 있는 기회가 됐다.

그리고 싼타페 FCEV 이전에 1999년 스포티지 연료전지 하이브리드와 2001년 싼타페 연료전지 하이브리드 자동차가 개발됐지만, 순수 수소차는 아니기 때문에 최초 타이틀로 인정받지는 못했다.

현대차는 수소차 시제품 등장에 만족하지 않고, 세계 최초로 350기압 수소 충전에 성공해 전 세계를 놀라게 했다.

수소차는 한 번 충전으로 얼마나 멀리 갈 수 있는지가 가장 중요한 사안이기 때문인데, 향후 수소차의 미래를 결정지을 만큼의 중요성을 가지고 있었다.

덕분에 연구단계에서 머물고 있었던 수소차는 비로소 양산 단계까지 갈 수 있는 교두보를 마련하게 된 계기가 됐다.

2003년에는 수소연료전지에 대한 개념 확립, 핵심 기술 개발, 핵심 부품 연구 등 체계화 작업을 시작하게 됐고, 이듬해 미국 국책사업인 연료전지 시범운행 시행사로 선정되어 미국 전역에서 32대의 수소차를 시범운행할 기회를 얻게 됐다.

미국 전역에서의 시범운행은 언뜻 보기에 “그냥 도로 위를 달린 것이 전부 아닌가?”하고 생각할 수 있지만, 실제 도로 주행을 통해 다양한 연구 데이터를 얻을 수 있고 이를 기반으로 상용화 가능성을 한 층 더 높일 기회의 장이었다.

이때 현대차는 싼타페 FCEV(1세대)에 이어 투싼 FCEV(2세대)를 개발했다. 2세대 모델은 전 세대에 비해 저온 시동능력이 향상되었으며, 수소 저장탱크 용량을 늘려 300km주행거리에 150km/h 최고속도를 갖추게 됐다.

덕분에 현대차는 2006년 세계 최고 수준의 수소차를 개발하는데 성공했다.

이전 모델로 싼타페, 투싼 등 여러 수소차가 있었지만, 당시 개발한 모델은 현대차 독자 개발 차량이며 주요 부품을 국산화하는데 성공해 큰 의미를 가지고 있다.

당시 연구를 주도했던 남양연구소는 이후 양산 체계를 목표로 차량 출력 향상, 핵심 부품 표준화, 양산 공법 개발 등을 진행했고 2009년 3세대 수소 연료전지 차인 모하비 FCEV를 내놓았다.

모하비 FCEV는 기존 350기압에서 700기압으로 용기 압력을 두 배로 올려 주행거리만 750km에 이르렀다.

현대차의 수준 높은 수소차 기술력을 지켜보고 있던 북유럽 4개국은 2012년 수소차 시범 보급 MOU를 체결하기도 했다.

같은 해 유럽 최대 수소충전소 전문 업체 ‘하이옵(HYOP)’과 수소차 시범 보급 MOU를 체결하기도 했다.

2013년에는 안정성 및 성능을 개선한 4세대 수소차 투싼ix가 등장하면서 수소차 양산 시스템을 구축하게 된다.

투싼ix는 100kW급 연료전지 시스템과 2개의 수소 저장탱크를 내장해 주행거리 588km에 최고속도 160km/h를 기록했다.

특히 배기구에서 물만 배출되는 무공해 차량이라는 점과 영하 20도 이하 혹한에서도 시동을 켤 수 있어 일반 내연기관 자동차에 거의 근접한 수준에 이르게 됐다.

덕분에 2013년 1월 벨기에 브뤼셀 모터쇼에서 세계에서 가장 혁신적인 기술에 주어지는 상인 ‘2013 퓨처오토 어워드 상’을 수상했다.

가장 최근인 2018년에는 5세대 수소차인 넥쏘(NEXO)가 라스베이거스 CES에서 정식 공개됐다. 넥쏘는 덴마크에 위치한 섬의 이름으로, ‘첨단 기술’의 의미를 담고 있다.

동시에 고대 게르만어로 ‘물의 정령’을 뜻하고, 라틴어와 스페인어로는 ‘결합’이라는 뜻을 가지고 있다. 이름에서부터 현대차가 이 모델에 얼마나 신경을 썼는지 짐작할 수 있다.

이 모델은 2017년 상반기 제네바 모터쇼에서 공개된 콘셉트카’FE’의 양산형 모델이다. 넥쏘는 제로백 9.5초에 40.2kg.m 토크 성능을 갖추고 있으며 5분 충전에 주행거리 600km를 기록하고 있다.

여기에 영하 30도에서도 시동이 걸리고, 10년 16만 km 보증을 내걸 수 있을 만큼 내구성이 향상되어 이제는 내연기관 자동차와 같은 수준으로 발전했다.

한 가지 재미있는 점은 넥쏘는 연료로 공기를 사용하는 과정에서 고성능 필터를 사용하기 때문에 초미세먼지를 99.9% 걸러 배출하는 공기 청정 기능까지 있다는 점이다. 종합해보면 ‘친환경’ 타이틀을 부여하기에 가장 적합한 기술이다.

현대차 관계자에 따르면 “아이오닉 등 전기차 기술과 수소 연료전지 기술들을 하나의 모델에 합친 기술적 플래그십 모델이다.”라고 언급하기도 했다.

수소차는 앞으로 내연기관 자동차를 대신할 미래 기술로 각광받고 있다. 하지만 수소차는 기술력과 더불어 인프라 확충이 시급한 상황이다.

자동차가 아무리 좋아도 충전할 시설과 수리 인력이 부족하다면 무용지물이니 말이다.

이에 대해 기업들은 기반 시설 건설에 힘을 쏟고 있으나 규모와 경제적 측면에서 어려움을 겪고 있다고 한다.

정부에서는 이에 대해 지원을 하고 있다고 이야기를 하고 있지만, 공감을 얻고 있지 못하고 있는 것이 현실이다.

미래를 준비하는 것은 20년 30년 뒤를 생각하고 덤비기엔 너무 늦다. 오늘날 미래는 과학기술의 빠른 성장으로 인해 3년, 5년을 바라보고 해야 할 지경이다.

하루가 다르게 급변하는 오늘날, 미래 환경을 책임질 대안으로 떠오른 수소차를 활성화시키려면 정부의 아낌없는 지원과 더불어 기업은 이에 호응해 수소차를 완성시키고 일반 시민들이 부담 없이 구매할 수 있는 수준으로 만들 필요가 있다.