Nikkei Automotive_2021.5 특집 요약 (p53~59)

도요타 FCV, 시스템 비용을 반감
다음 수는 모듈의 외부 판매

세대 교체가 이뤄질 때마다 시스템 비용을 절반으로 줄인다---. 도요타자동차는 하이브리드 차량(HEV)에 세워놓았던 철칙을 연료전지차(FCV)에도 적용했다. 1997년에 발매한 초대 ‘프리우스’ 이후, 도요타는 약 20년간 하이브리드 시스템을 제 4세대까지 진화시켜 비용을 극적으로 절감하였다. 이렇게 도요타의 주축으로 성장한 HEV처럼 과연 FCV도 성장 궤도를 달릴 수 있을까?

“초대 차량에 비해 비용을 절반 이상으로 줄일 수 있었다”. 연료전지(FC) 시스템의 비용을 2분의 1로 줄인다는 목표를 달성했다고 밝힌 것은 2020년 12월에 도요타자동차가 발매한 연료전지차(FCV)의 신형 ‘미라이(MIRAI)’에서 개발 책임자를 맡고 있는 다나카(田中) 씨(Mid-size Vehicle Company 치프 엔지니어)이다.

2014년에 발매한 초대 차량과 이번 신형 차량까지 연이어 2대(代)째 미라이의 개발 책임자를 맡은 다나카 씨는 신형 차량에 대한 생각을 다음과 같이 말한다. “미라이는 수소가 미래의 에너지원이라는 것을 널리 알리기 위한 상징적인 존재이며, HEV는 우리에게 매우 친숙한 기술이 되었다. 도요타는 전기자동차(EV)에도 힘을 쏟고 있으며 FCV에 의존하는 ‘외다리 타법’은 아니지만, 도요타에서의 미라이의 역할은 크다고 볼 수 있다”.

도요타자동차에서 FCV의 보급 및 수소 사회를 향한 중요한 단계로서 자리매김한 신형 미라이는 상용차나 철도, 선박 등 폭넓은 용도로 전용(轉用)할 수 있도록 FC 시스템 비용의 절감과 함께, 자동차 자체로서의 매력을 높이는 것을 목표로 개발되었다.

-- 보유하고 있는 HEV 부품을 적극적으로 활용 --
FC 시스템을 초대 차량 대비 비용 반감을 위해 도요타가 택한 방책은 2가지이며, 그것은 (1) HEV 부품을 적극 활용하는 것, (2) FCV 전용 부품의 생산성을 향상하는 것이다.

도요타의 기본 방침은 ‘HEV로 축적해 온 보유 기술 및 부품을 현명하게 사용하는 것’(도요타 Mid-size Vehicle Company MS제품기획 ZS 시미즈(清水) 주임)이다. 발전(発電)을 담당하는 FC 스택이나 수소탱크, FC 승압 컨버터를 제외한 많은 주요 부품들은 HEV로부터 활용된 것이다.

발전한 전력을 저장하는 리튬이온전지는 ‘렉서스 LS’의 HEV와 공용한다. 후륜 측에 배치한 구동용 모터는 “도요타의 FR(전방 엔진·후륜 구동)의 HEV와 동일한 것을 사용하고 있다”(시미즈 씨)라고 한다. 파워 컨트롤 유닛(PCU)도 HEV에서 널리 사용되는 것들이다.

HEV는 FCV와 전압이 다르기 때문에 그대로의 상태로는 부품을 활용할 수 없다. 이에 도요타는 FC 스택(Stack)과 PCU의 사이에 FC 승압 컨버터를 배치했다. FC 스택으로 발전한 전력의 전압을 FC 승압 컨버터에서 하이브리드 시스템의 650V로 승압한다. FC 시스템의 전압에 맞춘 전용 모터나 PCU를 개발∙조달하는 것보다 FC 승압 컨버터를 추가하는 편이 비용이 적게 든다.

FCV 전용 부품의 생산성 향상에 관해서는 FC 스택과 수소탱크 구조의 재검토를 통해 생산 사이클 타임을 대폭 단축시켰다. FCV의 비용 절감에서는 촉매로 사용되는 백금(Pt)에 관심이 쏠리게 되기 쉽지만, “백금 사용량 절감으로 낮아진 비용보다, 양산 규모의 확대를 통해 절감 할 수 있는 비용이 훨씬 더 크다」(다나카 씨)라고 한다.

생산성 향상을 목표로 한 개발 배경에는 초대 미라이의 반성이 있다. 다나카 씨는 “초대 미라이는 터무니없을 정도로 적은 대수 밖에 만들 수 없었다. 능력 증강을 시도했으나 연간 3,000대 생산에 그치고 말았다”라고 회상했다. 도요타는 신형 미라이의 투입에 맞춰 FCV의 생산 능력을 10배로 증강했다. 연간 생산량 3만대 실현을 위해 주요 부품의 설계를 변경했다.

-- FC 셀은 구조도, 생산 방법도 재검토 --
설계 변경을 쉽게 알 수 있는 것에는 FC 스택의 Cell 수가 있다. 최고 출력을 초대 미라이의 114kW에서 128kW로 높이면서, Cell 수를 370매에서 330매로 줄였다. 이로써 셀을 적층하는 공정을 40장만큼 줄일 수 있었다. 성능 저하를 감수하는 것이 아니라, 부피 출력 밀도로 비교할 경우, 3.5 kW/L에서 5.4 kW/L로 높인 것을 알 수 있다.

셀 자체의 구조도 재검토에 들어갔다. 셀은 수소와 공기 중의 산소를 반응시키는 MEA(Membrane Electrode Assembly, 막전극접합체)를 수소와 공기의 유로(流路)를 성형한 분리판 사이에 배치한 구조이다. MEA의 중심에는 전해질막이 있으며, ‘촉매(전극)층’ ‘가스 확산층’ 순으로 적층되어 있다.

신형 미라이 셀은 분리판(세퍼레이터) 수를 기존의 3장에서 2장으로 줄였다. 줄인 것은 공기극 부분. 초대 차량은 2장의 티타늄(Ti)제 분리판을 사용해 가스 확산층과 분리판 사이에 공기가 흐르기 쉽도록 3차원 유로(流路)인 ‘3D 파인 메쉬 유로’를 설치했다. 화학 반응에 의해서 생성한 물을 배제하는 것과 동시에 공기의 확산을 촉진시키는 것이 목적이다. 신형 차량은 1장의 Ti제 분리판으로 동일한 공기의 확산성을 실현할 수 있는 구조로 만들었다. (다나카 씨)

MEA의 생산성도 현격하게 향상되었다. 선대 차량에서는 십여 분 걸리던 장당 셀 생산 사이클 타임을 수 초까지 단축. 전해질 막에 촉매 재료를 도공·정착시키는데 많은 시간이 필요했지만, 자외선을 조사(照射)해 재료를 고정시키는 생산 기술을 도입함으로써 극적으로 시간을 단축할 수 있었다고 한다.

수소 탱크는 70MPa 이상의 고압 수소에 견딜 수 있는 강도를 확보하는 역할을 하는 CFRP(탄소섬유강화수지)층을 재검토했다. 시미즈 씨에 따르면, CFRP를 감는 방법을 바꿈으로써 생산성을 3배로 높였다고 한다. 지금까지보다 적은 양의 CFRP에서도 충분한 강도를 달성한 것이다.

또 한가지, 수소탱크에서 주목해야 할 것은 직경이다. 초대 미라이는 2개의 수소 탱크를 탑재하고 있었지만, 길이도 직경도 제 각각이었다. 신형 미라이는 3개의 수소 탱크를 탑재하고 있다. 이는 길이만 다르고 직경은 3개 모두 같다고 한다(다나카 씨). 직경을 동일하게 맞춤으로써 탱크의 제조 장치를 통일시킬 수 있었다. CFRP 감는 법을 비롯한 탱크의 설계·개발비도 줄일 수 있었던 것으로 보인다.

이렇게 해서 탄생한 신형 미라이의 가격은 710만엔(세금 포함)부터. 초대 차량의 발매 당초의 가격 723만 6,000엔에 비해 가격을 낮추면서, “FCV이기 이전에, 700만엔이라는 가격에 적합한 디자인이나 장비를 목표로 했다”(시미즈 씨).

신형 미라이는 1회의 수소 충전으로의 항속 거리는 선대 차량 대비 30%이상 긴 약 850km(WLTC 모드로 G그레이드의 경우, Z그레이드는 약 750km)로 했다. 차량 크기는 선대 차량보다 한층 더 크게 만들어, 총 길이는 85mm 길며, 전체 폭은 70mm 넓어졌다. 이로 인해 승차 정원은 4명에서 5명으로 늘어났다. 수소 탱크와 FC 스택 배치를 변경한 것이 실내 공간 확장과 저(低)중심의 외관 디자인으로 이어졌다.

-- 다음 한 수는 시스템 외판 --
신형 미라이를 투입한 도요타가 FCV 보급을 위해 던진 다음의 한 수는 FC시스템의 용도 확대이다. 이미 트럭이나 철도, 선박, 정치용 등, 여러 가지 용도로의 이용을 검토하는 사업자들로부터 요구가 들어오고 있다고 한다. (도요타 ZEV팩토리 ZEV보급추진실 수소 FC사업추진그룹의 야스다(安田) 씨)

도요타는 자사 제품뿐만 아니라, FC 시스템의 외판을 확대해 나갈 방침이다. 특히 수요가 큰 것이 트럭이나 버스 등의 상용차. 중국의 상용차 제조사는 이미 도요타의 시스템을 적용할 수 있을 지 여부를 검토하고 있는 단계에 들어갔으며(도요타 ZEV팩토리 ZEV보급추진실 수소FC사업 추진 그룹 주임 테지마(手嶋) 씨), 유럽도 상용차의 FC화에 적극적이라고 한다.

도요타는 협력사를 늘려 양산 규모를 확보하기 위해 정격 출력이 60kW와 80kW인 FC 모듈을 개발했다. 2021년 봄 이후에 외판을 시작할 예정이다. 도요타자동직물기도 정격 출력 8kW의 소형 FC 모듈을 개발. 개발 중의 24Kw 제품과 50kW 제품을 더해, 양사 총 5가지 종류로 폭넓은 용도에 적용하는 것을 목표로 한다. 각 FC 모듈에는 신형 미라이의 FC 스택을 공통으로 사용한다.

“FC 시스템은 ‘탑재하는 것’ 자체의 벽이 높았다”---. 이렇게 말하는 것은 도요타 ZEV팩토리 상용ZEV 제품개발부 요시다(吉田) 부장이다. 크고 무거운 FC시스템에서는 탑재 공간에 한계가 있는 승용차나 소형 트럭에는 싣기 어렵다. 타 부품의 탑재 공간까지 빼앗을 수도 있기 때문이다. 작고 가벼운 FC 시스템을 구현할 수 있다면 탑재 레이아웃의 자유도를 높일 수 있다. 차량의 연비·전비를 향상시키거나 적재 공간을 확보할 수도 있다.

셀 출력 밀도를 높인 작고 가벼운 2세대 FC 시스템을 통해 탑재 장벽을 낮춰 외판을 위한 준비 태세를 갖췄다. 개발한 FC 모듈은 공기 공급, 수소 공급, 냉각, 전력 제어 등, 관련 부품을 FC 스택과 조합해 1개의 상자에 넣고 있다. 상자의 소재는 검토 중이지만 알루미늄(Al) 판금이 유력하다. 고객의 요청에 따라서는 상자의 내용물만 공급하게 된다.

도요타가 개발한 정격 출력 60kW와 80kW의 FC 모듈은 대응 전압의 범위가 400~750V로 넓다. FC전용의 승압 컨버터를 내장한 것으로, 모터와 인버터, 배터리 팩과 같은 전동 차량의 기간 부품에 접속하기 쉽게 했다. 도요타자동직물기의 소형 FC 모듈의 대응 전압은 48V이며, DC-DC컨버터를 통해 전기를 출력한다.

-- 조합으로 대형화 --
정격 출력이 가장 작은 8kW의 FC 모듈은, 총 길이 542×전체 폭 610×총 높이 440 mm로, 질량은 113kg이다. 보다 고출력의 60kW와 80kW에서는 세로형과 가로형을 준비해 다양한 레이아웃에 대응하기 쉽게 했다. 세로형은 총 길이 890×전체 폭 630×총 높이 690mm로, 질량은 약 250kg. 가로형은 총 길이 1270×전체 폭 630×총 높이 410mm로, 질량 약 240kg이다.

도요타자동직물기의 소형 FC모듈은 건설 기계나 농업 기계, 정치 발전기 등으로의 적용을 상정한다. 공장이나 상업 시설, 자치체에의 공급을 목표로 한다. 도요타의 대형 FC모듈은 승용차나 버스, 트럭에 가세해 철도나 선박이라고 하는 모빌리티로의 적용을 상정한다. 도요타자동직기처럼 고정식 발전기에도 사용한다.

고객이 요구하는 출력에 따라 각 모듈을 조합해 대형화도 가능하게 했다. 출력 별로 5종류의 FC 모듈을 전개하는 것은 조합 선택지를 넓히는 효과가 있다.

FC 모듈 외판에 대한 시장의 기대치는 높아지고 있다. “도요타로부터 FC를 도입하는 일도 선택 사항 중 하나다”. 이렇게 이야기하는 것은 경쟁사인 독일 다임러(Daimler) 산하의 미쓰비시(三菱)후소 트럭·버스의 기술자이다.

또한, 지자체 전용의 FC쓰레기 수집차를 개발한 와세다 대학 객원 조교수 이하라(井原) 씨는 “FC 모듈 외판에 주목하고 있다. 양산 효과가 있는 도요타 제품은 비용 대비 효과가 뛰어나 어느 정도 신뢰성이 있다”라며 기대를 걸고 있다.

-- 선박, 철도, 고정 발전기에 --
FC 모듈의 외판 뿐만 아니라, 자사 그룹에서의 다용도 전개에도 주력한다. 그 동안 선대 제품을 사용해 소형 트럭, 대형 트럭, 버스를 개발해 온 도요타. 앞으로는 제 2세대의 FC 시스템을 활용한 개발로 이행한다. 일반적인 FCV뿐만 아니라, 내연기관이나 축전지를 탑재한 모든 수요의 대체를 위해 기술 개발을 계속한다.

제 2세대의 FC 시스템 활용에서 첫 단추를 끼운 것이 대형 FC 트럭이다. 2020년 12월, 도요타의 북미 사업체 Toyota Motor North America(TMNA)가 새로운 대형 FC 트럭의 시작(試作) 차량을 공개했다.

이 차는 트랙터 타입으로 트레일러(피견인차)와 연결해 컨테이너 등의 짐을 나른다. 주로 항만 지역에서 활용한다. 하중량은 약 36톤, 항속 거리는 약 480km 이상이다.

미국 Kenworth(켄워스)제의 트럭 ‘T680’을 베이스로 공동 개발했다. “FC 시스템의 대부분을 보닛 하부로 배치를 변경시켜, 모터를 소형으로 함으로써 휠 베이스를 단축했다” (TMNA 전동차·선진기술부문 제품개발실 이그제큐티브 프로그램 엔지니어 Chris Rovik씨)라고 한다. 차량의 조작성 향상에 기여할 수 있다.

자동차회사인 도요타의 변종은 철도와 선박에 FC 시스템 적용이다. 철도에서는 JR동일본이나 히타치 제작소와 손잡고 FC와 축전지를 조합한 HEV 사양의 시험 차량을 개발한다. 60kW의 FC 스택을 4개 탑재해, 항속 거리는 최대 140km로 한다. 2022년 봄의 실증 실험을 목표로 한다. 2차량 1편성의 철도 차량으로, 한쪽 차량에 도요타의 FC시스템을 탑재해, 다른 한쪽에는 히타치의 축전 시스템을 싣는다. HEV에 의한 구동 시스템도 히타치가 취급한다.

선박에서는, 도요타의 유럽 사업을 통괄하는 Toyota Motor Europe(TME)가 세계 일주 항해의 프랑스선 ‘에너지 옵서버호’ 전용으로 FC 시스템을 개발했다. 선박의 크기는 총 길이 31×전체 폭 13×총 높이 12.85m. 질량은 34t. 원양 항해 시 탑승 인원은 8명이다. 2020년 출항한 이 배는 선대 FC 시스템을 탑재한 것으로 추정된다. 앞으로 FC 선박을 다시 개발하게 된다면 2세대 FC 시스템으로 변경하게 될 것이다.

-- 내구성 확보가 중요한 과제 --

 -- 끝 –

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