수소연료전지 관련주 대장주 종목 추천

수소연료전지 관련주 대장주 종목 추천 알아보기

0. 수소연료전지 관련주 개요

'수소차'라는 주제를 다루기로 마음먹고 수소를 공부하면 할수록 '아, 수소도 만만한 녀석이 아니구나.'하는 마음이 커졌습니다. 자동차는 다룰 때마다 복잡하고 어려워서 또 건드리지 말아야 할 걸 건드렸구나 하는 생각이 듭니다.

하지만 '수소차'를 시작으로 '수소경제'가 논의되고 있는 현 시점에서 '수소차'부터 차근 차근 공부해가며 미리 좋은 종목에 투자하는 것이 주식쟁이의 본분이겠죠.

'수소차'만 해도 다룰 내용이 많습니다. 그래서 아래와 같이 주제를 중심으로 구분하여 수소차 관련주 포스팅을 올릴 예정입니다. 더 나아가 수소차 인프라에 대해서도 언급하지 않을 수가 없어서 별도로 다룰 계획입니다. 포스팅을 작성하다가 추가될 수도 있습니다.

Part 1. 수소차 관련주 - 연료전지 편

Part 2. 수소차 관련주 - 연료전지 운전장치 편

Part 3. 수소연료탱크 관련주

Part 4. 수소충전소 관련주

Part 5. 수소에너지 관련주 - 수소 생산을 중심으로

수소차의 핵심인 수소연료전지 관련주 대장주 종목 추천이 궁금하시다면 아래를 참조해주시기 바랍니다.

1. 수소차란?

수소차는 다른 말로 연료전지차(Fuel Cell Vehicle, FCV)라고도 하는데, 쉽게 말해 기존 내연기관자동차의 엔진을 연료전지로 대체함으로써 연료전지에서 생산된 전기로 모터를 구동시켜 주행하는 자동차입니다.

연료전지차는 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직접 전기를 얻기 때문에 기존 내연기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않아 내연기관자동차보다 2~3배의 높은 효율을 가지고 있습니다. 또한 수소를 이용하여 유해물질은 물론 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 전혀 배출하지 않기 때문에 전기차와 함께 친환경자동차로 주목받고 있습니다.

2. 수소차 구성요소

수소차는 크게 엔진에 해당하는 연료전지스택, 수소저장장치, 연료전지의 최적 운전에 필요한 각종 운전장치, 전력변환장치, 구동계(모터 및 감속기) 그리고 이들을 제어하는 제어장치 등으로 구성됩니다.

수소차에서 어떤 요소가 메인인지를 보기 위해서 원가에서 차지하는 비중을 살펴봅시다. 수소차 원가에서 큰 비중을 차지하고 있는 부분은 연료전지 스택으로 수소차 구성요소 중 원가 비중 약 40%입니다. 연료전지 스택(Stack)은 연료전지 단위 셀(Unit cell)을 모아놓은 것이라고 할 수 있습니다.

다음으로 수소연료 탱크가 수소차 원가 중 약 15~20%의 비중을 차지하고 있습니다. 따라서 제일 먼저 수소차 핵심부품인 연료전지를 집중적으로 다루겠습니다.

3. 수소연료전지의 원리

연료전지는 수소와 산소로부터 전기화학반응을 통해 직접 전기를 생산하는 발전장치입니다. 차량에 탑재된 연료전지 속에 수소(H)를 넣어 공기 중의 산소(O)와 결합시키면 화학반응을 일으켜 물(H2O)이 만들어지고 전기가 발생합니다. 수소차는 이 전기를 이용해 전기모터를 구동하여 주행하는 전기자동차의 일종인 것입니다.

다만, 일반 차량배터리는 전기를 저장해두고 꺼내 쓰는 방식인 반면 연료전지는 스스로 전기를 만들어 내는 발전장치라는 점에서 배터리와는 근본적인 차이가 있습니다.

충전소에서 수소를 주입하면 트렁크쪽 수소연료 탱크로 수소가 저장되고 이는 압력 및 양 조절 밸브를 통해 연료전지스택으로 수소(H2)가 들어가게 됩니다. 수소(H2)는 분리판을 통해 가스 형태로 공급되고 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)을 통해 촉매층으로 확산됩니다. 촉매층은 H-H의 결합을 깨서 수소를 수소이온(H+)과 전자이온(e-)으로 분리하는 역할을 합니다.

전자이온(e-)은 외부회로를 통해 공기극으로 이동하고, 수온이온은 전해질막을 통해 공기극으로 이동합니다. 양극(+극)에서 산소이온은 전자이온과 결합하고 수소이온(H+)를 만나 물(H2O)가 되고 최종적으로 물(H2O)이 산소(O2)와 만나서 전기가 발생하는 원리입니다.

4. 연료전지스택의 구성요소

수소연료전지차는 차체를 구동하는데 필요한 전기에너지의 확보를 위해서 다수의 연료전지 셀을 직렬으로 연결하게 되는데 이를 연료전지스택이라고 합니다.

전극을 통해 셀 내부로 연료를 주입하는 역할은 가스확산층(GDL, Gas Diffusion Layer)이 합니다. 전극에 담겨있는 촉매층은 수소를 수소이온과 전자이온으로 분리하는 산화반응을 돕고, 공기극에서는 O2를 O원자로 쪼갠 뒤 음극에서 나온 전자와 반응하도록 돕습니다.

분리판(Seperator 또는 Bipolar Plate)은 단위 셀 외부로부터 연료를 공급하거나 내부 열관리, 셀을 적층하여 스택을 구성할 때 연료극과 공기극을 격리하는 역할을 하며 가스켓은 가스 누출과 연료가 섞이는 것을 방지합니다.

연료전지는 전해질(Membrane)을 중심으로 전극(연료극, 공기극)이 양쪽으로 위치하는 구조입니다. 연료전지에서 멤브레인(Membrane)은 수소연료와 공기가 직접 섞이지 않도록 하는 막 역할을 하며, 전극은 수소이온과 산소가 전자를 주고 받을 수 있도록 돕습니다.

전해질과 전극을 접합한 것을 막-전극 접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)라고 부르고 멤브레인막이라고도 합니다. MEA는 자주 나오는 용어이므로 외워두시는 것이 좋습니다.

연료전지 스택에서 가장 큰 원가비중을 차지하는 것이 막-전극 접합체(MEA)입니다. 셀 안에서 완벽하게 수소이온(H+)만 통과시키는 것은 연료전지의 핵심 기술 중 하나로 MEA내에서 원하는 이온만 통과시키는 장치인 멤브레인막(전해질막)은 중요도가 높을 수 밖에 없습니다. 만약 전자이온이 섞여서 통과될 경우 과열의 원인이 되어 바로 스택불량으로 이어집니다.

4.1. 막전극접합체(MEA) 속 주요 소재

막전극접합체(MEA)을 구성하는 중요 소재는 멤브레인막(불소계, 탄화수소계)과 백금촉매입니다.

멤브레인막

멤브레인 기술은 수소차의 핵심 소재 중 하나로 원하는 이온만 통과 시키는 기술이기 때문에 수소 이온과 친하지 않은 소재들의 결합으로 만들어져 있습니다.

멤브레인막은 불소계, 탄화수소계 두 가지 방향으로 기술개발이 이뤄지고 있습니다. 불소계는 수소 이온 전도성이 높은 장점이 있지만 플루오린이라는 소재가 비싸기 때문에 단가를 낮추고자 나온 것이 탄화수소계입니다.

탄화수소는 모든 곳에서 다 추출해낼 수 있기 때문에 재료가 저렴하여 막의 단가를 크게 낮출 수 있습니다. 다만, 수소이온만 안정적으로 통과시키지 못하는 경우가 발생하여, 연료전지의 수명을 단축시키는 단점이 있습니다.

멤브레인막은 ‘DuPont(미)’, ‘Gore(미)’, ‘Johnson Matthey(영)’, ‘3M(미)’ 등에서 공급하고 있습니다. 넥쏘에 들 어가는 MEA 내 전해질막의 경우 미국 Gore사의 제품을 사용 중입니다.

국내에서는 코오롱인더스트리가 전해질막과 MEA 국산화를 추진 중입니다. 코오롱인더는 2014년 MEA 개발에 착수한 이후, 2016년 고어사로부터 연료전지 MEA 기술을 도입하여 개발을 진행중인 것으로 알려졌습니다. 전해질막 역시 현재 코오롱인더스트리에서 개발 중으로 2020년경 국산화가 완료될 것으로 예상되고 있습니다.

백금촉매

연료전지는 주입된 수소가 수소이온과 전자이온으로 분리되는 것에서 출발하며 촉매가 해당 반응을 촉진시키는 역할을 한다고 위에서 말씀드렸습니다.

연료전지 내에서 촉매로 활용되는 소재는 백금촉매입니다. 백금촉매의 핵심은 최대한 작은 입자 크기와 탄소판 위에 띄워서 고르게 분포시키는 기술입니다.

쉽게 생각해서 비싼 백금을 사용하는데 최대한 적게 사용하여 수소 결합을 하나하나 다 깨려면 나노크기의 작은 입자로 만드는 것이 중요한 것입니다. 또한 반응면적을 넓게 하기 위해 백금촉매를 탄소판 위에 띄우는 것입니다.

백금촉매 기술은 우리나라에 세라믹칼로 잘 알려진 일본기업 교세라(Kyocera)가 거의 독점하고 있다고 보면 됩니다.

4.2. 가스확산층(GDL)

가스확산층은 연료전지 구성요소 중 두번째로 높은 20%의 원가비중을 차지하고 있습니다. 가스확산층은 전극에 연료 및 공기를 공급해주고 촉매로의 가스 이동을 원활하게 해주는 동시에 수분관리에 필요합니다.

현재 가스확산층을 생산하는 업체는 세계에서 3~4개사가 있으며 현대차 수소전기차에는 그동안 독일 SGL의 GDL이 사용되었습니다. 그러나 최근 국내 업체인 JNTG사에서 GDL를 개발 완료하며 MEA를 제외한 주요 수소연료전지 부품의 국산화가 완료되었습니다.

4.3. 분리판

분리판은 스택에 공급되는 수소와 산소 및 스택에서 생산되는 물, 열, 전자의 배출 통로가 되는 부품입니다. 1개의 스택 안에는 총 220개의 셀이 들어가며, 분리판은 약 1천여개를 필요로 합니다. 연료전지 스택에서 분리판은 약 20% 정도의 원가를 차지하고 있습니다.

소재에 따라 크게 금속소재 분리판과 흑연소재 분리판으로 나뉩니다. 금속소재 분리판은 전기 및 열적 전도성이 우수하고 충분한 기계적 강도를 유지할 수 있으므로 분리판의 두께를 줄일 수 있어 가격적인 면에서 유리합니다.

현대차의 넥쏘에 탑재되는 금속분리판은 프레서(유한정밀)-가스켓- 코팅(현대제철) 순으로 생산되어 현대차에 납품되고 있습니다.

4.4. 가스켓

가스켓은 가스가 누출되는 것을 방지하는 것과 공기와 연료가 섞이는 것을 방지하는 역할을 합니다. 연료전지는 가스의 공급을 통하여 전기를 발생시키는 장치이기 때문에 상당히 높은 수준의 밀봉기술을 요구합니다. 가스켓의 소재로는 불소계 고무가 주로 이용되나 높은 가격 때문에 이를 대체하기 위한 실리콘계 고무나 올리핀계 고무가 활용되고 있습니다.

5. 수소연료전지의 종류

연료전지는 작동 온도에 따라 크게 고온형연료전지와 저온형연료전지로 구분할 수 있습니다. 고온형연료전지는 반응성이 우수하고 발전효율이 높은 반면 열충격에 취약하여 한 번 가동시 장기 운전하는 발전소에 적합합니다. 저온형연료전지는 시동시간이 짧아 수송용, 가정용으로 사용될 수 있는데 고온형에 비해 비교적 효율이 낮은 단점이 있습니다.

아래 표는 연료전지 종류별 활용분야를 나타낸 표인데 우리는 차량용으로 활용가능한 'SOFC', 'PEMFC'를 눈에 익혀둡시다. 현재는 차량용 연료전지로 시동이 간편하고 성능이 높은 'PEMFC'가 가장 일반적으로 사용되고 있다고 합니다.

6. 수소차 연료전지 대장주 관련주 알아보기

위에서 수소연료전지에 대한 전반적인 내용을 알아봤습니다. 수소연료전지 관련주 종목에 대해 알고 싶은 분들은 아래를 참고하시기 바랍니다.

아래 표는 수소연료전지 주요 부품별로 관련 주식을 정리한 표입니다. 기업별로 자세한 설명을 이어나가겠습니다.

6.1. 현대모비스

현대모비스는 연료전지모듈을 생산하는 대표적인 기업입니다. 내연기관차와 비교했을 때 연료전지스택, 배터리시스템 등 전동화부품이 추가되어 수소차 1대당 매출액이 크게 증가할 것으로 전망됩니다.

또한 현대모비스는 현대차그룹이 2018년 12월 내놓은 ‘FCEV(수소전기차) 비전 2030’에 맞춰 현재 친환경차부품 생산 전용공장인 충주 공장에 수소연료전지공장을 새로 짓고 있습니다. 이 공장이 완공되면 현대모비스의 수소연료전지 생산능력은 2021년 연간 2만 대 수준으로 늘어날 것으로 파악됩니다.

6.2. 시노펙스

시노펙스는 현재 수소연료전지 사업을 신규사업으로 추진중에 있습니다. 이와 관련해서 2018년 7월에 종료된 국책과제인 ‘자동차 연료전지용 과불소계 술폰산 이오노머 PTFE 강화막 국산화’ 프로젝트의 주관기업으로서 국내 최초로 불소계 소재를 기반으로 한 수소차 연료전지의 강화막 개발에 성공한 바 있씁니다.

또 2019년 4월 연료전지용 PTFE멤브레인 제조라인을 충남 천안지역에 확장 하며 본격적인 사업화를 진행하고 있습니다.

6.3. 상아프론테크

상아프론테크는 슈퍼엔지니어링 플라스틱을 활용한 첨단부품 소재 전문기업으로 수입대체 소재의 국산화 개발을 중심으로 지속적인 사업 확장을 하고 있으며 디스플레이, 2차전지, OA, 반도체, 자동차 등 다양한 분야에서 두각을 나타내고 있습니다.

당사는 다양한 분야에 적용 가능한 특수 소재인 불소계 멤브레인 제조라인을 갖추고 있으며 향후 수소차 연료전지용 소재로 활용될 경우 큰 폭의 성장 모멘텀을 갖게될 것으로 전망됩니다.

6.4. 코오롱인더

코오롱인더스트리는 현대차와 공동연구로 탄화수소계 전해질막을 개발하여 현대차향으로 납품한 바 있습니다. 또한 코오롱인더스트리는 2014년부터 MEA를 개발해왔고, 2016년 11월에 미국의 고어(Gore)사와 라이선스 계약을 맺고 MEA 기술을 도입했습니다.

또한 코오롱인더스트리는 다음 포스팅에서 설명할 연료전지 운전장치 중 막가습기를 생산하는데 막가습기는 수분만 선택적으로 통과시키는 특수 소재 멤브레인을 적용하여 연료전지의 효율을 높여주는 장치입니다.

6.5. 발라드 파워 시스템즈(BLDP)

발라드는 보유한 수소연료전지 특허만 130개에 달하는 세계적인 연료전지 전문 기업입니다. 발라드는 버스 분야에서 연료전지 기술의 경쟁력을 확보했고 현재 전 세계에 발라드의 연료전지 기술로 구동되는 300대 이상의 수소전기버스가 운행 중입니다.

특히 발라드는 중국의 웨이차이 파워(Weichai Power)에 연료전지 핵심기술을 이전하는 대가로 2021년까지 중국 내 수소 트럭, 수소 버스에 차량용 연료전지를 최소 2,000개 납품하는 기회를 얻어 중국 시장을 적극 공략 중입니다.

중국은 신에너지차(NEV)의 하나로 수소차 육성에 적극적인데 전기차의 보조금은 점차 축소 중이지만 아직 초기 개화단계인 수소차의 보조금은 오히려 늘리고 있다는 점에서 수소차 업체들에게 기회가 될 것으로 보입니다. 이를 통해 수소차를 2020년까지 5천대, 2025년까지 5만대, 2030년까지 100만대 공급할 계획이며 목표 상향 또한 검토 중이라고 합니다.

다만, 전기차와 마찬가지로 수소차도 보조금 차등 지급 정책을 통해 자국 업체들을 육성하고 해외 업체들을 견제할 가능성이 높습니다. 그래서 중국 내 업체인 웨이차이 파워와 조인트벤처를 설립하고 전략적 제휴를 맺고 있는 발라드의 경우 초기 중국 시장에서는 경쟁 우위를 갖겠지만 지속가능성에 대한 우려가 있습니다.