수소 자동차

3. 주요 제조사

2001년, 플랫 필드는 시험 차량 발표, 2006년 7월 28일 국토교통성 장관 인증, 공도 시험 주행 시작. 닛산 시판차 개조. 수소 직접 연소, 연소열로 물을 수증기로 만들어(수증기 폭발) 운동 에너지화. 주행 거리 약 150km, 최고 속도 180km이다. 2008년 2월, 플랫 필드는 가솔린-수소 혼소 유기 수소화물 수소 자동차 발표. “유기 수소화물 수소”는 수소 결합 유기 화합물, 상온·상압 보관 가능 특징.

2008년 11월 4일, 미국 텍사스주 Ronn Motor사 "H2GO" 실시간 수소 공급 시스템 탑재 차량 발표. 물 전기 분해, 기체 수소 추출, 가솔린 혼소, 연비 향상 및 배출가스 저감. 저장 탱크 등 특별 인프라 불필요, Scorpion 스포츠카 타입 소량 판매.^[187]

3. 1. 현대자동차

3. 2. 도요타

3. 3. 기타 제조사

2001년, 플랫 필드는 시험 차량을 발표했다. 2006년 7월 28일, 국토교통성 장관 인증을 받아 공도에서의 시험 주행을 시작했다. 시험 차량은 닛산(日産)의 시판차를 개조한 것이다. 이 엔진의 특징은 수소를 직접 연소시켜, 연소열로 물을 수증기로 만들어(수증기 폭발을 일으켜) 운동 에너지로 하는 점이다. 주행 거리는 약 150km, 최고 속도는 180km이다. 2008년 2월, 플랫 필드는 가솔린과 수소를 혼소하는 유기 수소화물 수소 자동차를 발표했다. “유기 수소화물 수소”란 수소가 결합된 유기 화합물로, 상온·상압에서도 보관할 수 있는 특징이 있다.

2008년 11월 4일, 미국 텍사스주의 Ronn Motor사는 "H2GO"라는 실시간 수소 공급 시스템을 탑재한 차량을 발표했다. 이 시스템은 물을 전기 분해하여 기체 수소를 추출하고, 가솔린과 혼소시켜 연비를 향상시키고 엔진 배출가스를 줄인다. 수소 공급을 위한 저장 탱크 등 특별한 인프라가 필요하지 않으며, Scorpion이라는 스포츠카 타입으로 소량 판매를 실시했다.^[187]

4. 종류

• 2007년, 중국 상하이의 Pearl Hydrogen Power Source Technology Co는 PHB 수소 자전거를 시연했다.^[88][89]
• 2014년, 뉴사우스웨일스 대학교의 과학자들이 Hy-Cycle 모델을 발표했다.^[90] 같은 해 캐니언 바이크는 Eco Speed 콘셉트 자전거 개발에 착수했다.^[91]
• 2017년, 프랑스 프라그마 인더스트리(Pragma Industries)는 단일 수소 실린더로 100km를 주행할 수 있는 자전거를 개발했다.^[92]
• 2019년, 프라그마는 "알파 바이크(Alpha Bike)"가 전기 보조 페달링으로 150km의 주행거리를 제공하도록 개선되었으며, 처음 200대의 자전거가 프랑스 비아리츠에서 열린 제45차 G7 정상회의를 취재하는 기자들에게 제공될 것이라고 발표했다.^[93]
• 2020년, Alles over Waterstof^[94]는 수소 연료를 사용하는 2륜 수소 동력 스탠드업 스쿠터를 개발했다. 이 스탠드업 스쿠터는 15g의 수소로 20km 이상 주행할 수 있으며, 교체 가능한 1리터 200바 수소 실린더를 사용한다.
• 2021년, 이 회사는 고정식 3리터 300바 충전식 수소 실린더를 사용하는 수소 동력 화물 자전거를 개발했다. HydroCargo 자전거는 80g의 수소로 최대 100km까지 주행할 수 있다.^[95]

4. 1. 수소 연료 전지 자동차 (FCV)

4. 2. 수소 엔진 자동차 (HICEV)

• 1807년 프랑수아 이삭 드 리바즈는 최초의 수소 연료 내연 기관을 설계했다.^[112]
• 1965년 당시 고등학생이었던 로저 E. 빌링스는 포드 모델 A(1927~1931)를 수소로 작동하도록 개조했다.^[113]
• 1970년 폴 디에게스는 가솔린 엔진이 수소로 작동할 수 있도록 하는 내연기관 개조에 대한 특허를 받았다.^[114]
• 1970년대부터 무사시 공업대학(현 도쿄 도시 대학) 교수였던 후루하마 쇼이치(古濱庄一)는 레시프로 엔진을 개조한 수소 엔진을 탑재한 "MUSASHI 시리즈" 차량 연구를 진행했다.^[180][181]
• 1990년대부터 마쓰다와 BMW는 기존 엔진을 개량하는 방식으로 수소 연료 엔진 개발을 진행하고 있다.
• 2006년, 수소 에너지 개발 연구소는 수소와 물을 연료로 하는 엔진(HAW 엔진)을 개발하여 세계 35개국에서 특허를 획득했다.

• 2003년, 도쿄 모터쇼에서 마쓰다는 RX-8을 개량하여 '''수소 로터리 엔진'''을 탑재한 모델을 출품했다. 수소만으로 주행 가능 거리는 약 150km였다.
• 2004년 11월, 시험 차량이 번호판을 취득하여 공도에서의 시험 주행이 가능해졌다. 연료는 수소 가스와 가솔린 2종류를 전환하여 사용 가능하며, 두 연료를 합쳐 약 630km까지 주행 거리를 늘였다.
• 2009년, 프레마시를 기반으로 수소 로터리 엔진으로 발전하여 전동기로 주행하는 시리즈형 하이브리드 자동차인 '''프레마시 하이드로젠 RE 하이브리드'''를 발표했다. 수소로의 주행 가능 거리는 200km이며, 가솔린으로 전환하여 주행이 가능하다.
• 2009년, 히로시마시에 마쓰다 RX-8 수소 엔진 탑재 차량이 공급되었다. 마쓰다는 포드와 제휴하고 있다.

• 2021년 슈퍼 내구 시리즈에 참가한 ORC 루키 레이싱은 카롤라 스포츠를 기반으로 수소 자동차로 개조한 레이싱카인 "카롤라 H2 컨셉트"를 제3전 후지 24시간 레이스에 투입하여, 토요타 아키오 사장(모리조우)을 포함한 드라이버들이 완주를 달성했다.^[188] 엔진은 GR 야리스의 G16E-GTS를 기반으로 하며,^[189] "G16-GTS Hydrogen"이라고 명명되었다. 이 머신은 슈퍼 내구 시리즈에 연중 참가하여 랩타임 향상 및 보급 시간 단축 등의 개선을 거듭하고 있다.
• 2022년에는 카롤라 H2 컨셉트의 엔진을 카롤라 크로스에 이식한 "카롤라 크로스 H2 컨셉트"가 토요타가 하이브리드 차량으로 10년간 참가하고 있는 WEC(세계 내구 선수권 대회, 르망 24시간 레이스를 포함하는) 후지 라운드에서 공개되었고, WEC 운영 간부들이 시승을 했다.^[190] 또한 토요타가 참가하는 WRC(세계 랠리 선수권 대회) 벨기에전 이프르 랠리에서는, 전설적인 챔피언 유하 칸쿠넨과 모리조우에 의해 수소 엔진 사양의 GR 야리스 데모 주행이 이루어졌다.

5. 기술적 특징

수소 자동차는 일반적인 내연기관 자동차와 달리 수소를 연료로 사용하여 움직이는 자동차이다. 수소 자동차는 크게 두 가지 기술적 특징을 가진다.

첫째, 수소 연료 전지를 사용하여 전기를 생산한다. 이 연료 전지는 백금과 같은 희귀 물질을 촉매로 사용하기 때문에 생산 비용이 비싸다는 단점이 있다.^[116] 그러나 최근에는 백금 사용량을 줄이는 새로운 촉매 기술이 개발되고 있어, 연료 전지 비용을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.^[117]

둘째, 수소를 저장하는 방식이다. 수소는 상온에서 에너지 밀도가 매우 낮기 때문에, 차량에 저장하기 위해서는 초저온 액체 또는 고압 가스 형태로 저장해야 하며, 이는 추가적인 에너지를 필요로 한다.^[142] 현재는 탄소 섬유 복합재 기술을 기반으로 하는 고압 수소 탱크가 사용되고 있으며,^[140] 암모니아를 이용하여 수소를 보다 안전하게 운송하는 기술도 연구되고 있다.^[143]

수소는 화석 연료나 헬륨처럼 채취할 수 있는 매장지가 없고, 천연가스나 바이오매스와 같은 원료에서 생산하거나 물을 전기 분해하여 얻는다.^[127][128] 2014년 기준으로 수소의 95%는 메탄에서 생산되는데,^[4] 이는 온실 가스 배출을 야기한다.^[136] 재생 에너지를 이용한 물의 전기 분해는 친환경적이지만, 비용이 많이 든다는 단점이 있다.^[4]

5. 1. 연료 전지

5. 2. 수소 저장

5. 3. 수소 생산

6. 장점 및 과제

수소 자동차는 여러 장점과 함께 해결해야 할 과제들이 있다.

수소는 연소 시 폭발 농도 범위(연소범위)가 넓어 가솔린보다 인화 위험성이 높지만, 매우 가벼워 대기 중으로 빠르게 확산되므로 실제 위험성은 크지 않다는 주장도 있다. 그러나 금속에 침투하여 취성을 증가시키는 수소취화 현상, 충돌 시 차체 변형 등을 고려한 차량 탑재 방법에 대한 문제는 여전히 존재한다.^[191]

수소 엔진은 연소 속도가 빨라 노킹이나 백파이어가 발생하기 쉽고, 출력도 가솔린 엔진의 50% 수준에 그친다. 또한, 수소 연소 과정에서 질소 산화물이 생성되는 문제도 있다. 반면, 연료전지 자동차에 비해 기존 엔진을 개량하여 사용할 수 있어 저렴하게 생산할 수 있다는 장점이 있다. 마쓰다 RX-8 하이드로젠 RE(수소와 가솔린의 바이퓨얼)는 기존 차량보다 100만 엔 정도 높은 가격으로 예상되었다.^[191]

수소는 천연가스 등의 개질로 생산되는데, 제조 효율이 60~70% 정도이며, 가솔린 및 경유의 열효율(90% 이상)보다 낮다. 따라서 수소 자동차를 대량 도입하면 천연가스 소비가 증가하고 이산화탄소 배출량이 늘어날 수 있다는 견해도 있다. 그러나 공업 부산물로 생성되는 수소를 활용하면 폐기물 재활용이 가능하다. 수소 스테이션 인프라 정비도 중요한 과제이다.^[191]

BMW와 GM 등은 액체 수소 탱크를 개발하여 평가하고 있다. 액체 수소는 극저온으로 인해 단열 대책이 필요하지만, 사고 시 위험성은 가솔린과 비슷하거나 낮다. 수소 흡장 합금을 이용한 저압 수소 탱크 개발도 진행 중이지만, 흡장 방출 속도, 반응열, 합금 질량 등에서 해결해야 할 문제가 많다.^[191]

에탄올, 메탄올, 액화천연가스 등의 연료를 사용하는 저공해차는 이미 보급되어 있다. 수소 연료는 주행 시 이산화탄소를 배출하지 않는다는 장점이 있지만, 위에서 언급된 여러 단점들이 실용화를 어렵게 만들고 있다.^[191]

6. 1. 과제

7. 안전성

수소는 가볍고 확산 속도가 빨라 누출 시에도 빠르게 대기 중으로 흩어지기 때문에, 폭발 위험이 상대적으로 낮다는 주장이 있다. 실제로 수소 자동차의 화재 시험 결과, 수소 화염은 눈으로 확인이 가능하며, 화재 발생 시 주변에 미치는 영향은 기존 자동차와 다르지 않은 것으로 나타났다.^[192][193] 또한 수소는 연소 한계 하한값이 메탄, 프로판과 거의 동일하여, 가솔린 자동차에 비해 극히 위험한 상태에 이르지 않으며, 기존 자동차와 동등한 수준이라고 할 수 있다.

하지만, 수소는 연소 범위(폭발 농도 범위)가 매우 넓어, 가솔린(1.4~7.6vol%)에 비해 인화 위험성이 높다는 우려도 존재한다.^[194][195] 수소의 연소 범위는 4.1~71.5vol%이다. 또한, 수소 연료는 낮은 착화 에너지(자연 발화 온도 참조)와 높은 연소 에너지, 그리고 작은 분자 크기 때문에 탱크에서 누출되기 쉽다.^[170] 수소 취성은 만성적인 누출이 있는 경우 저장 탱크 재료뿐만 아니라 탱크 주변의 자동차 부품에도 문제가 된다. 수소는 무취이기 때문에 특수 탐지기 없이는 누출을 쉽게 감지할 수 없다.^[171] 수소 충전소에서의 폭발 사고도 보고된 바 있다.^[172]

현재 대부분의 수소 자동차는 압축된 수소를 연료 탱크에 저장한다. 이 연료 탱크는 탄소 섬유복합재에 알루미늄 합금 라이닝(내장)을 시행한 35 MPa급 고압 탱크가 개발되어 사용되고 있다. DOE(미국 에너지부)의 추산에 따르면, 가솔린차와 동등한 주행 거리를 얻으려면 70 MPa급의 고압 탱크가 필요하며, 토요타 자동차 등은 70 MPa급 고압 탱크를 실용화하고 있다. 이러한 탱크는 극히 고압의 수소를 가솔린 정도의 안전성을 유지하면서 저장할 필요가 있기 때문에, 안전성 보증을 위해, 수소 충전 시의 탱크를 라이플로 쏘는 건파이어 테스트 등을 클리어하는 강도를 가져야 한다. 연료 탱크를 계속 가열하면 탱크 내부의 가스가 팽창하여 파열될 수 있는데, 이를 방지하기 위해 탱크에는 안전밸브가 장착되어 있다.

8. 비판 및 논란

수소 자동차는 화석 연료 의존도를 낮추고 온실가스 배출을 줄일 수 있다는 잠재력을 가지고 있지만, 여러 가지 비판과 논란에 직면해 있다.^[10]

일부 전문가들은 수소 자동차의 효율성과 경제성에 대해 의문을 제기한다. 특히 전기 자동차와 비교했을 때 수소 자동차의 낮은 효율성과 높은 비용이 문제점으로 지적된다.

수소 생산 과정에서의 환경 문제도 비판의 대상이다. 2014년 기준으로 수소의 95%는 메탄에서 생산되는데,^[4] 이 과정에서 많은 양의 온실가스가 배출된다. 수증기 메탄 개질을 통해 생산되는 수소는 가솔린 자동차만큼 많은 탄소 배출을 유발할 수 있다.^[159] 재생 가능한 에너지를 사용하여 수소를 생산할 수 있지만, 이 역시 비용이 많이 드는 공정이다.^[4]

수소 인프라 구축 비용도 큰 문제다. 전국적인 수소 충전소 네트워크를 구축하는 데에는 막대한 비용이 소요될 것으로 예상된다.^[157][158] 2023년 9월 기준 캘리포니아의 공용 주유소에서 수소 가격은 킬로그램당 36달러였는데, 이는 테슬라 모델 3에 비해 미라이의 마일당 가격이 14배나 더 비싸다는 것을 의미한다.^[131] 캘리포니아에서는 수소 공급 부족 문제로 인해 미라이 소유주들이 집단 소송을 제기하기도 했다.^[57]

조셉 롬(Joseph Romm)과 같은 전문가는 수소 자동차가 온실가스 감축에 있어 가장 비효율적이고 값비싼 방법 중 하나라고 비판한다.^[156] 로버트 주브린(Robert Zubrin)은 수소를 "최악의 자동차 연료"라고 평가하기도 했다.^[159]

2020년 이후의 평가에 따르면 수소 자동차의 효율은 38%에 불과한 반면, 배터리 전기 자동차의 효율은 80%~95%에 달한다.^[166][167] 또한, 수소 생산 과정에서 발생하는 오염 문제와 수소 인프라 구축의 어려움으로 인해 수소 자동차의 미래는 불투명하다는 평가가 지배적이다.^[55]

이러한 비판에도 불구하고, 수소 자동차 기술 개발은 계속되고 있다. 토요타는 2014년 미라이를 출시하며 수소차 시장을 선도하고 있지만,^[40][41][42] 초기 판매 가격이 높고 충전 인프라가 부족하여 판매에 어려움을 겪고 있다. 패트 콕스(Pat Cox) 전 유럽 의회 의장은 토요타가 미라이 1대당 약 10만 달러의 손실을 볼 것이라고 추산하기도 했다.^[46] 현대자동차의 넥소는 2018년에 "가장 안전한 SUV"로 선정되기도 했지만,^[38] 2024년에는 연료 누출 및 화재 위험으로 리콜되기도 했다.^[39]

2013년에는 BMW가 토요타로부터 수소 기술을 임대하기도 했고,^[51] 2015년에는 토요타가 수소차 관련 특허를 무료로 공개하기도 했지만,^[52] 2017년까지 다임러는 수소차 개발을 포기했고,^[53] 대부분의 자동차 회사들은 배터리 전기차에 집중하고 있다.^[54]

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