수소차 수소 연료 전지 구조 및 관련주

수소차 수소 연료 전지 구조 및 관련주

 

지난 글에서 수소 에너지가 뜨는 이유, 수소의 종류 및 관련 기업을 알아보았다. 이번 글에서는 수소차, 수소 연료전지 구조를 알아보고 주요 부품 관련 기업까지 알아보려고 한다. 

 

 

수소 연료 전지 원리 및 구조

 

미래 세대 자동차로 전기차와 수소차가 대두되고 있다. 전기차는 2차 전지로, 수소차는 수소연료전지가 핵심 부품이다. 수소차의 수소 연료전지 (Fuel Cell)과 배터리의 가장 큰 차이는 수소는 충전을 할 필요가 없다는 점이다. 전기차의 배터리는 에너지를 '저장'하는 방식임에 반해 수소차의 수소 연료전지는 연료를 '변환' 해주는 과정에서 에너지를 생산해 준다. 

 

수소 연료전지의 원리는 H-H가 에너지원으로 주입되어 돌아가며 에너지를 생성하는데,

• 하나의 H는 H+라는 이온을 만들고 전자(e-)를 분리해서 음극으로 보냄
• H+ 를 MEA (멤브레인막)을 통해 흘려보내면 O2와 만나 H2O 2를 만나면서 전기가 발생됨

 

물론 수소 연료전지 원리나 구조를 세세히 알 필요까지는 없지만, 그래도 구조 및 주요 부품은 알아둘 필요가 있다. 따라서 수소 연료전지 구조를 살펴보자. (이베스트 투자증권 자료) 수소 연료전지차는 연료전지 스택, 수소탱크, 가습기 등를 중심으로 다양한 기존 내연기관 부품들이 많이 들어가 있다. 현재 부품을 최소화하는 방향으로 설계를 바꾸고 있다 한다.

 

수소연료전지차 구조 

 

이렇게 다양한 수소연료전지 부품들 중에 주요 부품 3가지를 자세히 살펴보고자 한다. 첫 번째로 수소차 생산비의 가장 큰 비중 약 40%를 차지하고 있는 수소연료전지 스택이다. 두 번째로는 생산비 비중 20%를 차지하고 있는 수소연료탱크이다. 세 번째로는 스택과 수소탱크 모두에 사용되는 수소연료전지에서 빠질 수 있는 소재 탄소섬유 이다. 참고 자료는 이베스트 증권 리서치 자료인데, 비중 순으로 재배열해 정리해 보았다. 수소연료전지 스택 - 수소탱크 - 탄소섬유. 처음 이 그림만 보면 쉽게 이해가 가지 않을 수 있지만, 아래 설명 부분을 읽으면서 다시 보면 이해가 수월 할 것이다.

 

수소연료전지 구조 (출처: 이베스트 투자증권 리서치 자료)

 

 

수소연료전지 스택 (수소차 생산비 40%)

 

스택은 막전극접합체 (MEA)와 기체확산층, 분리판, 가스켓, 인클로저 등으로 구성되어 있다. 이 중에서 막전극접합체 가격이 스택 가격의 약 40%를 차지하는데, 수소가 전기에너지로 전환되는 전기화학 반응을 촉진해 주는 역할을 한다. 자세한 내용을 모두 알 필요는 없고, 주요 부품으로 멤프레인막, 탄소섬유, 분리막/ 분리판이라고 알면 되겠다.

 

 

수소저장탱크 (수소차 생산비 20%)

 

수소저장탱크의 경우, 탄소섬유가 차지하는 비중이 75%다. 이 때 사용되는 용어가 CFRP인데 이는 탄소섬유 3차 가공기술이라는 뜻이다. 탄소섬유는 수소 연료전지에서 빼놓을 수 없는 필수 소재이다. 위 구조 그림 중 3번째 그림을 보면 수소연료전지에 탄소섬유가 곳곳에 사용되고 있음을 알 수 있다. 수소 연료전지 스택을 물론, 수소저장탱크, 스택 프레임 등에 모두 탄소 섬유가 사용된다.

 

지난 글에서 수소에 대해 자세히 설명했듯이, 수소는 가장 가벼운 원소이다. 따라서 이를 저장해 줄 고강도, 고탄성 물질이 필요한데, 이때 사용되는 소재가 탄소 섬유이다. 탄소 섬유는 강철과 비교해 무게는 25% 수준으로 가볍지만 강도는 강철 대비 10배 이상이기 때문에, 경량화로 에너지 효율성을 증대시키는 첨단 소재로 주목받고 있다. 전 세계 탄소 섬유 시장은 매년 10% 이상 성장 중이며 수소전기차와 수소연료탱크에도 탄소복합소재가 사용된다.

 

탄소 섬유 시장은 현재 일본이 전체 시장을 주도 하고 있다. 예를 들어 현대차 수소차의 수소저장탱크에 사용되는 탄소섬유는 일본 도레이 그룹이 독점하고 있다.  현대차 기준 생산 순서 및 밸류체인을 살펴보면, 탄소섬유 (일본 도레이 독점) --> 일진복합소재 (CFRP) --> 현대모비스 --> 현대차 이런 순이 된다.

 

수소 연료전지 관련 기업

위에서 대략적으로 살펴본 수소 연료전지와 관련 된 기업들을 정리해 본다. <ESG 머니 전략>에 소개된 기업 및 추가 자료를 더해 재정리해 보았다.

 

수소연료전지	기업	설명
스택 - 분리막	상아프론테크	국내 유일 불소수지 기반 제품 생산 자체 ePTFE 특허를 기반으로 수소연료전지 스택 분리막 개발 (위의 이베스트 증권 자료에서 분리막은 미국 고어사가 독점이라 적혀있는데 상아프론테크가 첫 국산화에 성공한 것임)
스택 - 분리판  (100% 국산화)	현대제철, POSCO	수소전기차 스택 금속분리판 생산
	세종 공업	기존 내연기관차 배기 시스템 부문 1위 였으나 현재 수소차 관련 증설 및 투자 중 * 2020년 5월 현대모비스에 수소연료전지차 전용 부품 공급을 위한 세종이브이 설립/  현재 현대차용 금속 분리판은 현대제철이 공급하고 있으나, 수소차 볼륨 증가에 대비한 이원화
멤브레인	코오롱인더	* 2020년 멤브레인 국산화 첫 성공한 대표기업 (기존 미국 3M에서 모두 수입) (공기공급시스템에 핵심부품) 수소소재 관련 증설 계획 올해 300억원 매출 --> 내년 600억 내후년 1000억 목표
수소탱크 - 탄소섬유	효성첨단소재	타이어 보강재와 에어백용 원사 부문 글로벌 시장 점유율 1위 최첨단 소재인 아라미드 원사와 탄소섬유 투자 활발 * 탄소섬유 생산 능력이 2019년 연간 2,000톤 -> 2020년 4,000톤 2배 증가 2028년까지 2만 4,000톤 증설 계획
	일진다이아	공업용 합성다이아몬드 제조 * 자회사 일진복합소재가 고압 CNG 탱크, 수소탱크, 매연 저감장치 등 제작 수소연료전지차용 수소탱크를 국내 유일하게 공급하는 업체 * 일진복합소재는 현재차 투싼, 넥쏘 모두 수소탱크 독점 공급

 

이외에도 발전용 수소 연료전지 부문에서 시장 점유율 1위를 차지하고 있는 두산퓨얼셀이 있다. 두산퓨얼셀은 2040년까지 수소연료전지 8GW 설치 목표를 위해 연평균 350~400MW 수소연료전지 발전소 걸설 목표로 하고 있다.

 

수소차 부문에서 글로벌 모빌리티 현대차가 아직은 선두주자이고 국내 많은 관련 부품 기업들이 투자와 증설을 하고 있다. 우리나라 뿐 아니라 전 세계는 탄소 시대에서 수소 시대로 향하고 있다. 지난 글에서 언급 했듯 아직은 그레이 수소 단계에 머물고 있고, 진정한 친환경은 그린 수소에 있으니, 갈 길이 멀어보인다. 그 만큼 그 과정에서 수소 관련 시장에 많은 기회가 있어 보인다.