Nikkei Automotive_2020.6 특집 요약 (p72-77)

도요타의 연료전지차(FCV) 전략
코스트 반감으로 반격

전기자동차(EV)의 기세에 밀려 존재감이 약해진 연료전지차(Fuel Cell Vehicle). 그러나 이 열세를 뒤집는 움직임이 나오기 시작했다. 이를 견인하는 것은 도요타자동차다. 연료전지(FC) 시스템의 최대 과제였던 비용을 기존의 절반으로 삭감한 신형 차량을 20년 말에 발매한다. 심장부인 FC스택은 타사의 승용차나 상용차, 나아가 ‘거리’에까지 공급한다는 전략을 실행에 옮긴다.

연료전지차(FCV)를 ‘보통 자동차’로 만든다. 도요타자동차가 20년 말에 시장에 투입할 예정인 차기 FCV ‘MIRAI’에 부여된 최대 사명이다. 도요타가 초대 MIRAI를 투입한 것은 14년 12월. 초대 MIRAI가 ‘보통 자동차’와는 거리가 멀었던 이유는 팔면 팔수록 적자를 기록할 정도로 연료전지(FC) 시스템의 비용이 비쌌기 때문이다. 차량 판매 가격은 보조금 적용 후에 약 500만엔. 발매한지 5년 이상이 지난 지금도 이 고급차의 누계 판매 대수는 전세계적으로 1만대 정도에 그친다.

자동차업체가 FCV에 착수하는 이유는 제로에미션을 실현하기 위해서다. 주행 중에 이산화탄소(CO₂)를 배출하지 않는다는 점에서는 전기자동차(EV)와 같다. 독일 폭스바겐을 필두로 제로에미션 차량의 주축으로 EV를 미는 움직임이 눈에 띈다. 그러나 도요타의 생각은 다르다. 도요타의 FCV 개발자는 “20년대 초반에 EV에서 FCV로의 역전이 반드시 일어난다. 이 타이밍이 FCV에게는 터닝포인트가 될 것이다”라고 흐름의 변화를 ‘예언’한다.

-- Woven City에도 차기 MIRAI의 FC 스택 --
예언을 현실로 만들기 위해서는 비용의 벽을 넘어야 한다. 20년 말에 발매 예정인 도요타의 차기 MIRAI에서 개발 책임을 맡고 있는 다나카(田中) 씨(Midsize Vehicle Company MS제품기획ZF 치프 엔지니어)는 “FC 시스템의 비용을 초대 MIRAI에서 절반으로 줄인다”라는 목표를 제시한다.

FCV의 비용이 비싼 이유는 대수가 나오지 않기 때문이라고 한다. 그래서 도요타는 폭넓은 용도에서 FC 시스템을 공용하는 전략을 굳혔다. FCV의 중핵 부품인 FC스택(발전부)을 도요타 브랜드의 승용 FCV인 MIRAI 이외로도 공급해 나간다. 구체적으로는 3개 영역에서 대수를 확보한다. 우선 승용차 영역에서는 독일 BMW가 22년에 양산을 시작하는 FCV에 도요타의 FC스택을 채용한다. SUV인 ‘X5’를 베이스로 한 FCV를 “소량 생산할 예정이다”(BMW).

BMW에 대한 공급을 의식해 도요타의 차기 MIRAI는 후륜 측에 모터를 배치하는 후륜 구동으로 한다. 전륜 구동이었던 초대 MIRAI에서 플랫폼을 변경해 ‘크라운’이나 ‘렉서스 LS’ 등에서 사용하고 있는 FR(전부 엔진, 후륜 구동) 플랫폼 ‘GA-L’을 채용했다. BMW의 FCV는 FR의 X5 엔진부를 FC스택이나 인버터 등으로 대체한다.

두 번째 영역은 도시의 에너지원이 될 정치용 FC다. 도요타는 ‘Woven City’라 이름 붙인 스마트시티의 건설을 21년 초에 시즈오카현 스소노시에서 시작한다. Woven City의 건물 옥상에는 태양광 패널을 배치, 그 전력을 사용해 수소를 제조할 계획이다. 제로에미션으로 제조한 수소를 사용하는 FC로 발전함으로써 에너지 자급자족을 목표한다.

-- 대형 FC 트럭은 도요타∙히노 연합으로 --
세 번째 영역이 도요타가 핵심 사업으로 삼고 있는 승용차다. BMW에 대한 공급이나 실증 도시에서의 이용만으로는 규모 확보는 어렵다. FCV에 순풍이 불기 시작한 트럭이나 버스 등에 거는 기대는 크다. 시장조사 회사인 후지경제에 따르면 전세계에서 상용차 FCV 시장은 30년에 18년 대비 38.4배인 1조 5,392억엔이 될 것이라고 한다. 이 숫자는 FC를 파워트레인으로 하는 트럭이나 버스와 함께 포크리프트(지게차)도 포함한다. 

시장 확대의 배경에는 상용차 업계가 안고 있는 문제 의식이 있다. 도요타에 따르면 국내 상용차 전체의 CO₂ 배출량의 약 60%를 대형 트럭이 차지한다고 한다. 도요타는 상용차의 FC화에서 히노자동차와 협력한다. 양사는 히노의 대형 트럭 ‘히노 프로피아’를 베이스로 한 FC 트럭의 공동 개발을 추진한다. 차량의 총 중량은 25톤. 도시간 물류에 사용할 수 있도록 600km의 항속거리를 목표한다.

심장부인 FC스택은 차기 MIRAI의 FC스택을 2개 탑재한다. 이에 히노가 보유하고 있는 하이브리드차(HEV) 기술을 응용한 차량제어 기술을 조합해 나간다고 한다. 도요타는 소형 FC스택도 개발했다. 항속거리가 200km인 차량을 18년 6월에 발표하고 세븐일레븐재팬에 제공했다. 도쿄 미나토구 등에서 냉장∙냉동 차량으로서 우유나 도시락 등을 매장에 배달하는 시험 운용을 추진하고 있다.

-- 가시화된 EV 트럭의 한계 --
상용차 시장에서 세계 최대 기업인 독일 다임러도 FC 트럭 양산을 위해 개발을 가속하고 있다.

“39년까지 일본에서 투입하는 모든 신형 트럭과 버스를 CO₂를 배출하지 않는 차량으로 한다”. 이렇게 선언한 것은 미쓰비시후소트럭∙버스의 Hartmut Schick 사장이다. 미쓰비시후소는 다임러 산하에서 그룹의 전동화 전략과 보조를 맞춘다. 미쓰비시후소는 20년 3월 말에 온라인 기자회견을 열어, EV와 FCV의 2개(의 파워트레인)로 좁혀 개발을 추진함으로써 제로에미션을 달성해 나간다는 계획을 밝혔다. Hartmut Schick 사장에 따르면 “주행 중에 CO₂를 배출하는 HEV 개발을 중지했고, 천연가스 차도 (장기적으로는) 제조하지 않는 것으로 결정했다”라고 말한다.

미쓰비시후소는 17년에 소형 EV 트럭 ‘eCanter’의 양산을 시작했다. 현재, 일본과 미국, 유럽에서 150대 정도가 가동하고 있다. 그 가운데 EV 트럭의 한계도 보이기 시작했다. 최대 과제는 적재량이다. 디젤 트럭과 비교해 최대 400kg 줄어든다고 한다. 이유는 배터리가 무겁기 때문이다.

● FC 트럭은 디젤차와 동등한 최대 적재량 확보

eCanter의 항속거리는 약 100km다. 도시 지역의 정해진 루트를 배송하는 용도에서는 충전하지 않고 하루 사용할 수 있다. 그러나 보다 장거리를 주행하는 용도에서는 전력이 부족하다. 이 경우 전력 충당을 위해 배터리를 더 많이 쌓으면 최대 적재량을 더욱 줄일 수밖에 없다.

미쓰비시후소의 부사장이며 개발본부장을 맡고 있는 Aydogan Cakmaz 씨는 “최대 적재량을 생각하면 EV 트럭이 활약할 수 있는 항속거리는 200km가 한계다”라고 분석했다. 200km를 초과하는 항속거리를 갖춘 제로에미션 트럭을 실현하기 위해서는 FC에 의존할 수밖에 없다고 한다.

이러한 판단 하에서 미쓰비시후소는 20년대 후반까지 FC 트럭을 양산하기로 결정했다. 양산하는 FC 트럭의 규격 등은 “앞으로 수 개월 동안 검증을 통해 결정해 나간다”(Schick 사장). 다임러그룹은 트럭보다 먼저 FC 버스를 22년에 양산할 계획이다. FC스택과 수소 탱크 등의 주요 부품이나 개발 자산은 승용차를 포함해 그룹에서 공용하면서 비용을 줄여 나간다.

미쓰비시후소는 FC 트럭의 양산을 위한 시작차 ‘eCanter F-Cell’를 개발했다. EV eCanter와 같은 7.5톤 클래스로, 최대 적재량은 400kg 많다. 즉, 동격의 디젤 트럭과 동등의 적재량을 확보했다.

eCanter F-Cell의 항속거리는 300km를 목표로 한다. 4개의 수소 탱크를 탑재해 10kg의 수소를 충전할 수 있도록 한다. 수소의 충전 시간은 5~10분. 용량 40kWh의 리튬이온 배터리도 탑재했다. 최고 출력은 시스템 전체에서 135kW. FC스택의 최고 출력은 75kW다.

● FCV도 세대 교체 때마다 비용 절반으로
도요타자동차 치프 엔지니어 다나카 요시카즈(田中義和) 씨

차기 MIRAI는 FC 시스템 비용을 초대 MIRAI 대비 절반으로 줄이는 것을 목표하고 있다. 20년 말의 발매를 위해 개발은 순조롭게 진행되고 있는지, 치프 엔지니어를 맡고 있는 다나카 요시카즈 씨에게 물었다. 다나카 씨는 초대 MIRAI 개발에서도 치프 엔지니어를 맡았었다.

Q: 초대 MIRAI를 발매한지 6년이 지난 지금 처음으로 전면 개량을 실시한다. 개발에서 가장 중요시했던 점은 무엇인가?

A: ‘보통 자동차’로서 소비자의 선택을 받을 수 있을 것인가를 가장 중요시했다. “연료전지니까”라는 이유만으로는 대수가 나오지 않는다. 연료전지라는 기술 때문에 이 자동차를 선택해 주는 고객도 소수는 있을지 모른다. 그러나 널리 지지 받는 쪽을 지향했다. 때문에 FC 유닛의 레이아웃이나 플랫폼을 포함해 제로부터 재검토했다.

‘보통’이라는 말은 여러 의미를 포함하지만 그 중 하나가 항속거리다. 초대 MIRAI와 비교해 항속거리를 30% 늘리는 것을 목표로 개발하고 있다. 두 번째가 승차감이다. 특히 뒷좌석을 개량했다. (초대 MIRAI는 4인승이었지만) 5인승으로 넓힌다.

세 번째는 외관이다. 멋있는 자동차를 목표했다. 소비자가 사고 싶다고 생각할 수 있는 외관으로 완성했다. (‘도쿄모터쇼 2019’에서 선보인) 컨셉트카 ‘MIRAI Concept’는 차기 MIRAI의 개발 최종 단계의 모델로, 외관은 양산 모델에서도 그다지 변경하지는 않을 것이다.

Q: FCV의 보급을 위한 큰 과제는 시스템 비용이다. 도요타는 20년에 시스템 비용을 초대 MIRAI에서 절반으로 줄이고, 25년에는 1/4까지 줄인다는 로드맵을 갖고 있다. 차기 MIRAI에서는 목표 비용 절반을 달성할 수 있는가?

A: 하이브리드차(HEV)에서는 (초대 프리우스를 발매한 이래) 하이브리드 유닛을 쇄신할 때마다 비용을 반감시켜 왔다. 대수 베이스가 HEV와 전혀 다르기 때문에 어려운 면도 있지만 FC 시스템도 마찬가지로 세대를 교체할 때마다 비용을 절반으로 줄여나가지 않으면 안 된다.

Q: 비용 저감책의 하나로서 HEV와 부품을 공용하는 것을 생각할 수 있다.

A: PCU(파워 컨트롤 유닛)와 모터, 배터리 등의 주요 부품은 실은 초대 MIRAI 때도 HEV 부품을 유용하고 있었다. 양산성이 높은 부품을 사용하는 것이 비용 저감에 효과적이라는 사실을 확인했기 때문에 (차기 MIRAI에서도) HEV에서 사용하고 있는 부품을 채용하고 있다.

Q: 초대 MIRAI의 항속거리는 약 650km(JC08모드)로, 30% 늘리게 되면 845km가 된다. 항속거리를 연장하기 위해서는 FC스택의 효율을 높이는 방법이나 수소 탱크의 용량을 늘려 탑재량을 많게 하는 방법 등을 생각할 수 있다. 공헌도 입장에서 보면 어느 쪽이 높은가?

A: 공헌도 입장에서 보면 수소의 탑재량을 늘리는 편이 압도적으로 크다. 탱크 용량을 늘려 많은 수소를 탑재할 수 있도록 했다. 큰 탱크를 탑재해도 승차감을 확실하게 확보할 수 있도록 해 5인승으로 만들었다. 물론 FC스택의 발전 효율도 높였다.

Q: 주행 중에 배기 가스를 배출하지 않는 ‘제로에미션 차’를 두고 유럽과 미국 업체들은 전기자동차(EV) 개발에 적극적이다. 한편으로 EV도 비용이 떨어지지 않고 있어 FCV에 기대를 거는 목소리도 커지고 있는 것 같다.

A: 타사가 EV에 주력하고 있는 가운데 “도요타는 아직 FCV에 계속 주력하는가?”라는 질문을 받은 적도 있다. 그래도 FCV의 가능성을 다시 평가해 주고 있는 것은 사실이다. 그 이유 중 하나는 에너지 캐리어로서의 역할이다. 재생가능에너지의 이용량을 늘리려고 했을 때, 전기는 안정적인 공급이 요구되지만 태양광 발전 등은 아무래도 불안정하다. 발전한 전력을 배터리에 축적하는 방법도 있지만 한계가 있다.

효율적인 입장에서 보면 발전한 것은 저장하지 않고 그대로 사용하는 것이 이상적이다. 그러나 보다 많은 재생가능에너지를 계획적으로 사용하려면 에너지 캐리어로서의 수소가 중요하다. 이 점은 재검토하고 있다. 예를 들면, 후쿠시마현 나미에초에서는 재생가능에너지를 이용해 대규모로 수소를 제조하는 실증실험이 진행되고 있다. 이러한 거점에서 수소의 가치가 인정을 받게 되면 FCV의 존재 의의도 높아질 것이다.

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