수소 연료 전지차 원리 및 벨류 체인 분석

 

얼마 전, 정부는 수소 발전 의무화 제도 (HPS)를 도입하기로 함을 공시하며, 수소 경제 확대의 핵심인 수소 연료 전지의 보급 확대를 촉진하였다. 현 정권의 가장 강력한 정책 중 하나인 그린 뉴딜에서 가장 대표적으로 추진되고 있는 것이 수소 에너지 확대이다. 현대차 그룹은 2020년 8천대에서 2030년 70만대(차량용 50만대)를 목표하고 있으며, 관련 CAPA 투자는 빠르게 진행 중이다. 2022년 기준으로 생산량은 4만대에 달할 것으로 예상되며, 2023~2025년에 Supply Chain 다변화가 예상된다. (2020년 말 부터는 충주 2공장 가동 시작 예정)

I. 수소 연료 전지차의 기본 원리

1. 배터리와 연료 전지의 차이

- 전기차 배터리는 전기를 저장한 후 충/방전을 통해 수명을 소모해 나가는 것

- 수소연료전지차는 H-H가 에너지원으로 주입되는 한 돌아가는 발전소

 

2. 연료전지의 핵심

- H-H 결합을 깨서 하나의 H는 H+라는 이온으로 만들고, 전자(e-)를 분리해서 음극으로 보냄

- H+이온을 멤브레인 망을 통해 흘려보내면 O2와 만나 H2O가 되면서 전기 발생 

출처 : 이베스트투자증권

II. 수소 연료 전지차의 구성

 

출처 : 이베스트투자증권

1. 수소 공급 시스템 (총 생산비의 20%)

1) 수소 저장 탱크

① 탄소섬유

- 강도/탄성이 철의 10배로 생산비의 75% 이상 차지 (Margin 20% 이상)

* 일본이 압도적 점유 (국내는 태광산업, 효성 등이 시도했으나 유일하게 남은 기업은 효성첨단소재)

② CFRP

- 탄소섬유 3차 가공기술 (Margin 최대 5%)

* 현재는 일진복합소재 (일진다이아의 자회사)이나, 차후 현대위아로 이원화될 것으로 예상 

 

* 현대차 기준 벨류 체인 : 탄소섬유(도레이첨단소재 독점) -> CFRP(일진복합소재) -> 현대모비스 -> 현대차

 

2) 수소 공급 장치

① 고압/저압 레귤레이터

- 고압 레귤레이터는 고압 실링 기술력 / 고온용 초고분자량 폴리에틸렌 등 소재 가격 때문에 여전히 수입에 의존.

② 솔레노이드 밸브

- 중저가 중국 기업 확대

* 국내 ‘유니크' 국산화 성공 (현대차 그룹 내 MS 75%)

 

2. 수소 연료 전지 스택 (총 생산비의 40%)

출처 : 이베스트투자증권

 

1) 막전극집합체(MEA) 

- 막전극집합체(MEA)는 수소연료전지 원가의 43% 비중. 기술 보유: 미국 GORE, 현대차 등

- MEA는 연료극과 공기극 사이에 위치하는 전해질막(Membrane)과 백금촉매로 구성

① 전해질막(Membrane)

- H+ 이온만 통과시키는 필터

- 불소계와 탄화수소계가 있으며, 불소계가 대세 (단가가 더 비싸지만, 탄화수소계를 쓰면 백금촉매 사용량 증가)

* 상아프론테크

② 백금촉매

- H+ 이온을 만들 때 에너지가 적게 들게 하기 위해 H를 Pt에 붙였다가 떼어내는 것

* 일본의 교세라가 독점하고 있음

 

2) 가스확산층(GDL)

- 수소연료전지 원가의 21% 비중. 독일, 일본 기술 보유. 국내 기술 미흡

- 분리판으로부터 공급되는 가스(수소, 산소)를 촉매로 확산하는 역할

* 현재 탄소섬유를 사용하며, 도레이첨단소재에서 독점

 

3) 분리판 (Separator)

- 수소연료전지 원가의 18% 비중. 국산화율 100%(POSCO, 현대제철)

- 기존, 현대스틸공업과 POSCO에서 소재 납품 -> 현대제철에서 제조
* 현재, 현대차 기준, 금속 분리판 생산 세종공업으로 이관 확정

 

4) 가스켓

- 수소연료전지 원가의 10% 비중. 국산화율 100%

* 피에프에스, 동아화성

 

3. 수소 순환 장치 

- 스택에서 전지반응에 사용되고 남은 수소를 스택으로 재순환 공급하는 장치

 

1) 온도압력센서

* 현대차 넥쏘 기준, 세종공업에서 공급

 

2) 워터트랩, 레벨 센서

- 아직까지는 수입 의존: Emerson, Siemens 등

* 세종공업이 국산화 성공했지만 아직 적용 단계는 아님 

 

3) 이젝터, 블로어, 퍼지밸브

- 이젝터 : 주로 현대모비스에서 생산, 납품

- 퍼지벨브 : 모토닉

 

4. 공기 공급 시스템

- 전기화학반응을 위해 연료전지 양극에 산소를 공급하는 장치

 

1) 공기블로워

* 현재 뉴로스가 국산화에 성공

 

2) 에어클리너

- 에어클리너에 쓰이는 고가의 화학 필터는 전량 수입 중으로 소비자 비용부담이 큰 요인 중 하나

 

3) 가습기

- 미국에서 전부 수입해 왔으나, 2020년 코오롱인더스트리가 국산화에 성공

 

5. 열관리 시스템

- 내연기관차에 없는 부품은 이온제거기로 현재, 미국, 일본에서 수입 중

 

 

 

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