[세이프티퍼스트닷뉴스] 얼마 전에 현대자동차가  제네시스 수소차 연구를 일시 중단했다는 언론보도가 나가자 수소 관련주들이 급락하는 일이 일어났다. 현대차는 연료전지 개발조직을 축소한 적이 없다고 부인했지만 이들의 급락을 막지는 못했다. 

수소차 개발 중단설에 대한 근원은 현대차의 내부 감사에 있었다.  언론에 보도된 바에 따르면 제 3세대 수소연료전지의 개발성과가 당초 목표에 미치지 못해 2025년 개발키로 했던 제네시스 수소차 개발을 일시 중단키로 하고, 11월 조직 개편과 인사를 통해 연료전지 담당 부서의 역할을 대폭 축소했다는 것이다.

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연료전지 담당부서의 역할을 축소했다는 보도와는 달리 2021년 11월 현대차는 연료전지 담당 조직 확대 개편하여 부사장 직급의 연료전지사업부가 사장직급의 조직으로 격상되었다. 현대차는 이를 두고 연구와 사업이 하나로 묶여 있던 것을 전문성을 키우기 위해 분리한 것일 뿐이라고 해명했고, 감사결과 계획에 일부 차질이 생겨 개발속도를 높이기 위해 조직을 강화한 것이다.  하지만 차세대 연료전지의 핵심부품인 멤브레인 막의 개발속도에 있어 차질이 있는 것은 사실인 모양이다. 막 자체가 워낙 얇아 1,2세대 연료전지의 내구성이 약해 3세대 전지에서 대폭 개선코자 했지만 최근 여기에 결함이 생긴 것으로 보인다. 현재 사용하고 있는 멤브레인 막은 1965년 고어사가 개발한 나피온 계열의 분리막이다. 내구성은 좋으나 가격이 비싸고 내열성이 낮아 80℃ 이상에서는 사용이 불가하다. 이러한 단점을 보완하여 개발된 것이 3M의 탄화수소계 분리막으로 100℃이상에서도 사용이 가능하다. 국내에서는 상아 프론테크가 불소계 분리막인 PTFE(polytetrafluoroethylene)를 개선한 확장형 PTFE (ePTFE)를 상용화하여 현대차에 납품하고 있고, 코오롤머테리얼에서는 탄화수소계 분리막을 개발완료한 상태이다. 

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현대차는 세계 최초로 수소전기차를 양산하기 시작한 자동차 회사이다. 2000년에 350bar의 고압수소탱크를 장착하고, 75kw 급 연료전지 스택을 탑재착해 시속 124km로 160km를 달릴수 있는 산타페 FCEV를 개발했다. 2004년에는 1세대 투싼을 기반으로 한 투싼 수소차를 개발하여 미국에서 32대가 시범운행했고, 2013년에는 세계최초로 100kw급 연료전지2개의 수소탱크를 탑재해 시속 160km의 속도로 588km를 달릴 수 있는 투싼 ix fuel cell을 출시했다. 2017년에는 제네바 모터쇼에서 수소차 컨셉트카가 선을 보였고, 2018년에는 1년전에 발표했던 컨셉트카의 양산모델인 넥쏘가 2세대 모델로 출시되었다. 

이처럼 수소차는 최근 근래의 기술발전의 산물로 인식되지만 수소차의 역사는 무려 1960년대까지 거슬러 올라간다. 당시 미국에 망명한 오스트리아의 과학자인  칼 코르데쉬(Karl Kordesch)가 개발한 수소차를 최초의 수소차로 보고 있다. 이후 GM, 벤츠, 혼다 등의 자동차사를 필두로 하여 포드, 닛산, 쉐보레 등의 자동차사가  기술개발을 해왔지만 역시 최초의 양산차를 생산한 곳은 현대차이다. 

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현대차는 2025년 이후부터는 모든 자동차를 전기차와 수소전기차으로 개발하겠다는 목표를 세우고 있다. 현재의 기술로 전기차가 100km를 가는데  20kWh의 전력이 필요한 반면, 수소차는 현재 기술로는 100kWh로 5배나 많은 에너지가 필요하다. 그래서  테슬라의 창업자 일론머스크는 수소차는 어리석은 기술이라고 혹평하며 앞으로 수소차 시대는 결코 오지 않을 것이다라고 단언했지만 수소차의 탑재되는 연료전지 기술은 계속하여 발전하고 있다.  

전기차는 생산된 전기를 배터리에 저장하는 방식이나 수소차는 전기를 직접 생산하는 방식이기 때문에 에너지의 전환손실이 없는 것도 장점이다. 

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현대차에 탑재되어 있는 연료전지는 고분자 전해질 연료전지로 일명 PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)이라 한다. 고분자 전해질 연료전지는 고분자로 이루어진 막을 전해질로 사용하는 연료전지로, 구조는 촉매가 포함된 전극과 전해질막으로 이루어져있다. 수소가 공급되었을 때 수소가 수소 이온과 전자로 분리되면 수소 이온은 전해질막을 통해서 반대 전극으로 이동하고 전자는 막이 아닌 도선을 따라서 이동하면서 전류가 흐르게 된다. PEMFC는 다른 연료전지와는 달리 부식문제가 없어 4만시간 이상의 운전에도 무리없이 잘 작동하며, 구조가 간단하고  저온에서도 반응이 잘 일어난다. 

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PEMFC는 고분자전해질 막과 연료극, 공기극, 분리판(Separator)으로 이루어져 있고 연료극과 공기극을 고분자전해질 막에 핫프레싱(hot-pressing)방법으로 부착시킨 것을 막전극접합체(MEA,membrane-electrode assembly))라 한다. 연료극(Anode)으로 공급된 압축수소는 백금 촉매층을 거치면서 이온과 전자로 분리된다. 이온은 멤브레인(Menbrane)을 통과하여 공기극으로 이동하고 공기극(Cathode)의 산소와 반응하여 물이 된다. 만약에 연료극에 수소의 공급이 원활치 않으면 연료극에 공기가 유입되면서 공기극에서 일어나야할 물을 생성하는 반응이 일어나 카본을 부식시킨다. 카본의 부식은 막전극 접합체(MEA)의 내구성능을 급격히 저하시킨다. 이러한 부식을 억제 할 수 있는 기술을 RT(Reverse voltage Tolerance) 촉매기술이라 하는데 이 기술을 국내 회사인 오덱에서 개발하였다.

고분자 전해질막(PEM,Polymer Electrolyte Membrane)의 가장 중요한 역할은 선택적 투과능력이다. 고분자 전해질막은 수소이온은 통과시키고, 전자는 통과시키지 않는다. 따라서 고분자 전해질막은 높은 수소 이온 투과능력과 전자 절연능력이 매우 중요하다. 그리고 이 막을 사이에 두고 양쪽 전극에서 각각 반쪽반응이 일어나게 되는데 이 반응들이 독립적으로 일어나기 위해서는 전해질막의 산소와 수소의 투과율이 낮아야만 한다. 

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현재 고분자 전해질막으로 사용되고 있는 대표적인 물질로는 Nafion-115, Aciplex-S, Flemion 등이 있다. 이들은 화학적으로 안정하고 물리적으로 또한 안정적인 구조를 가지고 있어 얇은 막 형태로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라 산성을 띄어서 다량의 물을 포함할 수 있다는 장점이 있고, 다량의 물을 포함할수 있으면 전도도가 높아져 연료전지의 효율에 긍정적인 영향을 미치게 된다. 

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연료전지의 성능을 좌우하는 대표적인 두 물질은 전해질막외에도  전극을 코팅하고 있는 촉매가 있다. 촉매는 연료극쪽으로 공급된 수소를 이온과 전자로 분리해주는 역할이다. 연료극에서는 수소의 산화반응이 일어나 수소는 전자와 이온으로 분리되고, 공기극에서는 분리된 수소이온과 전자가 산소와 반응하여 물이 만들어진다.

연료극은 촉매층과 촉매층을 지지해 주는 지지체로 구성되어 있다. 지지체는 다공성 탄소지(Carbon paper)로 구성되어 있는데 촉매층을 지지해 주는 역할외에도 촉매반응에서 생성된 기체를 촉매층으로 확산시켜주거나, 발생전류를 분리판으로 이동시켜주는 집전체(Current collector)역할, 생성된 물은 촉매층 밖으로 배출하는 통로 역할도 한다. 

연료극에서의 산화반응은 공기극에서의 환원반응보다 빠르게 일어나야 하기 때문에 연료극의 촉매량을 공기극보다 적게 사용해야 하며 공기극에서는 백금을 단독으로 사용하지만 연료극에서는 CO로 인한 백금의 피독현상을 방지하기 위해 합금촉매를 사용한다. 현재 사용하고 있는 백금 촉매의 입자크기는 2~4nm, 탄소입자는 20~100nm이다. 촉매의 입자를 줄일수록 효과적이나 촉매입자를 줄이는 데에는 한계가 있다. 

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문제는 이 촉매로 사용하는 백금이다. 백금은 1g당 5만원으로 가격이 매우 비싼데 최근 공급부족으로인해 가격이 급상승하여 1년 사이에 2배 이상 올랐다. 백금은 보통 접합체 면적 1㎠당 평균 0.1~0.2㎎ 사용되는데 수소차 스택의 총부피는 500,000㎠나 되어 스택에 들어가는 총 백금의 양은 50g이나 된다. 이것이 수소차의 가격경쟁력을 떨어뜨린다. 

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향후 PEMFC개발의 목표는 촉매의 가격을 낮추어야 하는데 높은 효율을 가지면서도 가격이 저렴한 재료를 찾아내는 것이 관건이다. 현대차는 백금촉매의 대체제를 찾기 위해  2021년 8월에 미국의 촉매개발회사인 파자리토 파우더(Pajarito Powder)에 지분을 투자했다. 하지만 촉매기술에 대한 독점권은 확보하지 못한 상태이다. 향후 인력과 자금의 투자가 계속된다면 분리막과 촉매의 개발은 더욱 가속화 될 것이다. 

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