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・집필일시: 2018년 12월 25일
・카테고리: 수소연료전지
[ 중국의 FC 레인지 익스텐더(전전(電電)하이브리드 연료전지차)란? ]
올해도 벌써 연말이네요. 제가 있는 이 곳 중국 상하이는 아직 연말 분위기는 아니고(중국의 설날은 춘제(春節)로 2월 초순 경), 중국 연료 전지 사업은 매일같이 새로운 프로젝트가 뉴스에 보도되고 있습니다. 그런데 최근 중국 연료전지 산업계에서 자주 듣는 전전하이브리드 연료전지차란 무엇인가라는 질문을 받는 일이 있어 이번 블로그에서는 중국의 전전하이브리드, 즉 FC 레인지 엑스텐더란 무엇인가에 대해 알기 쉽게 설명해보겠습니다.
FCV는 크게 나누어 세 개의 카테고리로 분류할 수 있습니다.
"표준 FCV", "플러그인 FCEV", "FC 레인지 엑스텐더"입니다.
표준 FCV란 연료 전지를 연료원으로서 차의 구동 에너지를 출력하는 타입의 연료 전지차를 가리키며, 토요타 Mirai나 혼다 Clarity가 이 타입이며 일본 등에서는 연료 전지차라고 하면 일반적으로는 이 타입의 차를 가리킵니다.
그림 1: 연료 전지 차의 3종류
그림 출처：Marius Walters, et al. Fuel cell range extender for battery electric vehicles. IEEE, 2015
이 타입의 FCV는 연료 전지 단독으로 엔진을 구동할 수 있기 때문에, 엔진 시스템에 부속하는 구동 배터리는 연료 전지에 비해 꽤 작은 것이 특징입니다. 구동 배터리는 감속 시에 에너지를 회수하는 등 하이브리드 차의 기술이 활용되고 있습니다. 하이브리드차의 기술은 일본 발상의 매우 획기적인 기술이며 현재 중국에서는 연료전지차로 이 기술이 활용된 차량은 아직 없습니다.
차의 구동과 연료원으로서의 역할을 배터리에만 의지하면 전지의 사이즈가 거대하게 되어 승용차등의 한정된 스페이스에서는 전지의 사이즈에 제한이 있으므로 주행거리가 짧아지는 과제가 있습니다. 또, 차를 폐기한 후에 배터리는 재활용하기 어려운 등의 환경적인 측면에서의 문제도 있습니다.
이러한 의미에서도 Mirai나 Clarity의 연료 전지와 배터리의 하이브리드 구조는 한정된 스페이스에도 들어가는 작은 사이즈로 가솔린차와 동등한 주행거리를 달릴 수 있어 일본이 자랑하는 훌륭한 기술의 결정이라고 말할 수 있습니다.
그림 2: 표준 FCV 좌: 도요타 Miral 중: 혼다 Clarity 좌: 현대차 NEXO
플러그인 FCEV의 기본적인 시스템 구조는 표준 FCV와 유사합니다. 차의 구동출력은 연료전지가 메인이 되어 이루어집니다. 그러나 배터리는 에너지원으로서의 역할을 완수하기 위해 표준 FCV에 비해 크고 외부 전원으로부터 플러그인방식으로 전기의 충전을 실시할 수 있는 것이 특징입니다. 연료전지는 수소충전소에서 수소를 충전할 수 있습니다.
올해 11월 13일에 메르세데스 벤츠가 세계 최초로 유럽에서 출시한 "GLC F-CELL"이 이 타입에 해당합니다. 수소잔량이 부족해도 가정내 혹은 충전소에서 충전할 수 있어 수소충전소가 부족한 환경에도 대응할 수 있습니다. 개인적으로는 충전과 수소충전을 나누는 것은 불편한 일이라 생각합니다만, 수소충전소 등의 수소 공급 인프라가 충분히 정비되려면 아직 당분간 시간이 걸릴 것으로 예상되기 때문에 지금까지의 변천기에는 이러한 타입의 FCV도 수요가 있을 것입니다.
그림 3: 메르세데스 벤츠 GLC F-CELL
출처：https://insideevs.com/mercedes-benz-glc-f-cell-phev/
여기서부터가 본제로 중국의 FC 레인지 익스텐더의 설명을 하고자 합니다.
레인지 익스텐더(Range Extender) 연료 전지차는 상기 두종의 FCV와 달리 배터리로 차의 엔진을 구동합니다. 연료 전지 단독으로 엔진 구동이 불가능합니다. 따라서 배터리의 사이즈는 표준 FCV나 플러그 인식 FCEV에 비해 큰 것이 특징입니다. 한편 연료 전지는 30 ~ 50kW의 소형 사이즈가 일반적입니다. 통상 플러그인식과 같이 외부 충전은 실시하지 않고, 수소 충전에 의해 연료를 보급합니다(충전 접속구는 백업 전원용). 구동은 배터리를 메인으로 출력하며, 연료 전지를 구동 보조 및 연료원으로 하는 것으로 EV차의 약점이 있던 주행거리를 큰폭으로 증대할 수 있습니다. 통상 중국의 레인지 익스텐더 연료 전지 차는 한번의 수소 충전에서 300~500km정도 주행이 가능합니다.
그림 4: FC 레인지 익스텐더
그림 4: FC 레인지 익스텐더
출처：Marius Walters, et al. Fuel cell range extender for battery electric vehicles. IEEE, 2015
현재 중국에서 운행하고 있는 거의 모든 연료전지차가 이 타입에 해당합니다. 이를테면 중국 자동차 상시 등록 정보 검색 사이트를 보면 중국에서는 2015년 7월부터 2018년 6월까지 총 83차종의 연료 전지 차가 새로운 에너지 차 추천 차량 목록에 등록되고 있지만 거의 모든 차가 레인지 익스텐더 타입의 연료 전지 버스나 상용 수송 차량이었습니다.
그림 5: 좌: Yutong버스(주행 거리 500km, FC 스택 60kW)
우: JD.com물류 차량(주행 거리 150km(배터리) + 150km(FC), FC 스택 30kW)
그림: 2018년 추가된 신에너지 차 추천 차 목록 중 FCV 관련 데이터
출전: 통계데이터, 그래프 당사가 조사하여 편집
레인지 익스텐더 연료전지차의 최대의 장점은 기존의 EV차를 그대로 FC레인지 익스텐더의 시스템을 조합하는 것만으로, 주행거리를 큰폭으로 늘릴 수 있는 점입니다. 또한 중국의 경우 배터리 비용은 유럽, 미국, 일본보다 싸며, 75kW 1.5톤 EV수송 차량에 사용되는 구동 전지의 비용은 약 10만위안(약 1600만원)입니다. 30kW 3.5t연료 전지 수송 차량의 연료 전지 코스트가 약 40만위안(약 6400만엔원)이라서 연료 전지가 구동 배터리보다 얼마나 고비용인지 아시겠지요.
그림 6: 좌: EV표준 FCV, FC레인지 익스텐더의 비용/거리 비교
우: 세 가지 분류의 특징
출처: Salman, P. etal. Hydrogen-Powered Fuel Cell Range Extender Vehicle - Long Driving Range with Zero-Emissions. SAE Technical Paper, 2017-01-1185, 2017
그렇다면 표준 FCV가 아닌 레인지 익스텐더의 FCV로 충분한 것이 아닌가 하는 이야기가 중국에서 이야기 되는 것은 사실입니다. 저도 수송차나 버스 등 대형차량에서는 차체 자체가 크기 때문에 전지 사이즈의 제약이 비교적 적고, 비용이 낮은 레인지 익스텐더가 적합하다는 견해가 합리적이라 생각합니다. 그러나 구동 배터리는 연료 전지에 비해 수명이 짧고, 상용차와 같이 장거리 · 장시간 주행이 필요한 차에서 차의 수명기간에 배터리를 교환할 필요가 있는 등의 불편한 점도 있습니다.
또, 승용차와 같이 소형으로 전지 사이즈에 제약이 있는 경우는 역시 Mirai, Clarity와 같은 표준 FCV가 이상적이라고 생각합니다. 어쨌든 중단기적으로는 향후도 중국에서는 레인지 익스텐더 타입의 FCV의 개발이 선행될 것입니다. 그러나 연료 전지차의 보급에 수반해 연료 전지 비용이 내려가면, 승용차 전용의 중국산의 표준 FCV도 등장하는 날이 올지도 모릅니다.
2018년 12월 25일
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