전동화로의 전환에 있어 가장 큰 걸림돌은 전기차의 충전문제일 것이다. 특히 충전 인프라 문제와 함께 거론되는 가장 큰 요인으로는 역시 충전에 걸리는 시간을 꼽을 수 있다. 현재까지 고속 충전 시스템을 이용해도 내연기관의 몇 배에 달하는 긴 시간이 소요되므로 이동에 걸리는 시간이 그만큼 더 길어질 수밖에 없기 때문이다.

대표적 수소연료전지차인 현대 넥쏘(왼쪽)와 토요타 미라이

따라서 이를 해결하기 위한 대안으로 여러 가지가 제시되는데, 하이브리드 시스템의 경우 내연기관을 함께 이용하기 때문에 결국은 사라지게 될 것으로 보이고, 가장 합리적인 대안으로 제시되는 것이 바로 수소연료전기자동차(이하 수소차)이다. 수소차의 경우 충전속도 면에 있어서 거의 내연기관과 비슷할 정도로 짧은 시간이면 충분하고, 또한 이 시스템을 기반으로 트럭, 버스, 기차, 선박 등 대형 운송수단에도 활용할 수 있다는 장점이 있다. 이 분야에서 가장 앞서나가는 브랜드로는 현대차와 토요타를 꼽을 수 있다.

토요타의 수소연료전지 시스템 모듈

토요타는 지난 3월 1일 수소연료전지 시스템을 패키지화 한 시스템 모듈(이하 FC 모듈)을 개발하는데 성공했다고 밝혔다. 토요타는 미라이 수소차를 비롯해 수소버스인 소라를 개발한 바 있으며, 수소차 관련 기술과 특허의 로열티 없는 사용을 허용하는 등 친환경 이동수단의 가장 효율적 대안인 수소 사회를 조성하기 위한 노력을 기울이고 있다. 이 과정에서 토요타는 다양한 업체들이 자사 제품에 적용할 수 있는 수소연료전지 시스템을 필요로 하고 있음을 파악, 이번 FC 모듈 개발에 나서게 됐다.

가로형, 세로형 2가지 형태가 있어 수요에 맞춰 다양하게 대응할 수 있다

이를 위해 2세대 미라이에 탑재된 시스템을 기반으로 공기 공급, 수소 공급, 냉각 및 전력 제어를 하나의 소형 모듈로 통합시켰다. 모듈은 수직형과 수평형으로 나뉘며, 모듈은 60kW 또는 80kW의 출력을 낸다. 모듈의 전압은 400~750V로, 이를 바탕으로 모터, 인버터, 배터리 등 기존 전기장치에 직접 연결할 수 있어 연료전지를 사용하는 제품의 개발, 제조가 훨씬 수월해진다. 또한 용도나 원하는 출력, 사용 공간에 맞춰 유연하게 적용할 수 있는 것이 특징이다.

수소연료전지 작동에 필요한 구성을 통합해 하나의 모듈로 구성했다

연료전지의 핵심인 수소의 안전한 보관, 고전압에 대한 안전성을 위해 그동안 토요타가 전기차에서 쌓아온 대책을 적용해 수소가 누출되지 않도록 보장하는 것을 기본으로 하며, 사고 등으로 누출이 발생하는 경우 즉각적으로 감지, 시스템을 중단시킨다. 그리고 다양한 환경에서 작동하도록 설계되어 기온이 높거나 낮은 곳에서, 또는 산소 농도가 낮은 고지대나 진동이 심한 곳에서도 안정적으로 작동할 수 있게 했다. FC 모듈을 적용하고자 하면 연비, 사용 기간, 운영 비용 등에 맞춰 고도로 숙련된 엔지니어가 최적의 레이아웃과 설계를 지원을 요청할 수 있다.

FC 모듈은 스택 내부 발전 과정에서 생성된 물을 순환시킴으로써 별도의 가습기를 장착하지 않아도 되는 토요타의 소형 연료전지 시스템의 특성을 반영, 단위 부피 당 세계 최고 수준의 출력 밀도를 달성했다. 또한 유지보수에 있어서도 관리 요구 사항이 간단하고 잦은 관리가 필요없어 조달부터 사용, 폐기에 이르기까지 드는 총 비용을 크게 줄일 수 있다.

현대차 역시 넥쏘의 수소연료전지 모듈을 기반으로 한 1MW급 발전 시스템을 선보인 바 있다

토요타와 경쟁을 펼치고 있는 현대차 역시 지난 1월 20일 넥쏘 수소연료전지 모듈을 기반으로 한 1MW급 수소연료전지 발전 시스템을 준공, 시범 운영에 들어간 바 있으며, 앞으로 수소연료전지 브랜드 ‘HTWO’를 론칭해 2030년 70만 기의 수소연료전지 판매 목표를 내세운 바 있다. 향후 후발 주자들의 빠른 시장 진입이 이루어지지 못할 경우 두 선두 브랜드들에 의해 관련 시장이 재편될 것으로 보이는 만큼, 빠른 기술 개발을 위한 업체들의 노력이 더욱 치열해질 것으로 예상된다.

<저작권자 © 라이드매거진, 무단 전재 및 재배포 금지>