연료전지 자동차

3. 기술

연료 전지는 전해질, 양극, 음극의 세 부분으로 구성되며, 원리적으로 축전지와 유사하게 작동하여 전기를 생산한다. 하지만 재충전이 필요한 배터리와 달리, 연료 전지는 수소를 연료로 보급받는다.^[23] 연료 전지 자동차에는 주로 고분자 전해질 막(PEM) 연료 전지가 사용된다.^[24]

연료 전지 스택은 수소와 산소를 결합하여 물과 전기를 생성하고, 이 전기는 모터를 구동하여 차량을 움직인다. 연료 전지 자동차는 배터리 전기차(BEV)에 비해 충전 시간이 짧고 주행 거리가 길다는 장점이 있다.

차량용 연료 전지에는 일반적으로 수소를 80 - 90℃에서 반응시키는 PEFC가 사용되지만, 저온에서도 높은 활성을 가진 촉매가 필요하므로, 백금 등의 희소 촉매를 사용해야 한다. 백금 대신 탄소 합금을 사용하는 기술이나, 백금 자체의 응집을 억제하여 사용량을 줄이는 기술, 트럭이나 버스에서의 이용을 고려하여 700 - 800℃에서 반응시키는 SOFC의 차량 탑재 등이 현재 검토되고 있다.

3. 1. 종류

• '''수소 연료 전지 자동차:''' 수소를 연료로 사용하여 PEMFC를 통해 전기를 생산한다. 현대자동차, 도요타, 혼다 등에서 승용차를 양산 중이며, 전 세계적으로 트럭, 버스 등 상용차 보급 및 실증이 진행되고 있다.^[236]

• '''에탄올 개질 연료 전지 자동차:''' 에탄올을 개질하여 수소를 생산하고, 이를 연료 전지에 공급한다. 닛산이 2016년에 개발 계획을 발표했다.^[57]

• '''직접 메탄올 연료 전지 자동차:''' 메탄올을 직접 연료 전지에 공급하여 전기를 생산한다.^[233]

4. 응용 분야

오사카 모터쇼 2019 출품차]]

연료 전지 자동차는 모든 운송 수단에 사용된다.^[34] 가장 흔한 연료 전지 자동차는 승용차, 버스, 지게차 및 자재 운반 차량이다.^[34]

• '''승용차'''

• '''버스'''

• '''트럭'''

• '''지게차'''

• '''기타'''

5. 장점 및 단점

연료전지 자동차는 여러 장점과 단점을 가지고 있다.

2010년까지 연료 전지 기술이 발전하면서 연료전지 자동차의 크기, 무게, 비용이 감소했다.^[121] 2010년 미국 에너지부(DOE)는 자동차 연료 전지 비용이 2002년 이후 80% 감소했으며, 대량 생산 시 이러한 연료 전지를 51USD/kW에 제조할 수 있을 것으로 추정했다.^[122] 연료전지 전기 자동차는 재충전 없이 400km 이상 주행 가능하게 생산되었고,^[122] 5분 이내에 재충전할 수 있다.^[123] 운행 중인 연료전지 버스는 디젤 버스보다 연비가 40% 더 높다.^[121] 에너지 효율 및 재생 에너지국(EERE)의 연료전지 기술 프로그램에 따르면, 2011년 기준으로 연료 전지는 최대 출력에서 42~53%의 연료전지 전기 자동차 효율을 달성했으며,^[121] 10% 미만의 전압 저하로 120000km 이상의 내구성을 달성하여 2006년에 달성한 것의 두 배였다.^[122]

2012년, Lux Research, Inc.는 "자본 비용... 2030년까지 채택을 5.9GW로 제한"하여 "틈새 시장 적용을 제외하고는 극복할 수 없는 장벽"을 제공한다는 보고서를 발표했다. Lux의 분석에 따르면 2030년까지 PEM 고정형 연료 전지 응용 분야는 10억달러에 달할 것이며, 연료 전지 지게차를 포함한 차량 시장은 총 20억달러에 달할 것이다.^[124]

2023년 9월 현재, 캘리포니아의 공공 충전소에서 수소는 kg당 36USD였으며, 미라이는 테슬라 모델 3에 비해 1마일당 14배 더 많은 비용이 들었다.^[125] 2023년 독일의 평균 가격은 kg당 12.5EUR이다.^[126]

5. 1. 장점

• 짧은 충전 시간: 이차 전지식 전기 자동차의 급속 충전 시간은 약 40분인데 비해, 연료전지 자동차의 충전 시간은 약 3분으로 내연 기관 자동차(ICEV, 엔진차)와 동등한 수준이다.^[216]
• 긴 주행 거리: 수소는 에너지 밀도가 높아 주행 거리를 늘리기 쉽다. 따라서 기존 내연 기관차와 비슷하게 운용할 수 있으며, 특히 대형 트럭 분야에서는 연료 전지가 BEV보다 적합하다고 여겨진다.^[216]
• 주행 시 환경 부하 감소: 주행 시 이산화 탄소(CO₂)나 질소 산화물(NO_x) 등 대기 오염의 원인이 되는 유해 물질을 배출하지 않는다.^[219]

5. 2. 단점

6. 개발 현황

연료 전지의 개념은 1801년 험프리 데이비에 의해 처음 시연되었지만, 최초로 작동하는 연료 전지를 발명한 사람은 화학자이자 변호사, 물리학자인 윌리엄 로버트 그로브였다. 그로브는 1842년, "가스 볼타 전지"라고 부른 실험을 통해 백금 촉매 위에서 수소와 산소 간의 전기화학 반응으로 전류가 생성될 수 있음을 증명했다.^[26] 영국의 엔지니어 프랜시스 토마스 베이컨은 그로브의 연구를 확장하여 1939년부터 1959년까지 다양한 알칼라인 연료 전지를 제작하고 시연했다.^[27]

최초의 현대적인 연료 전지 차량은 1959년경 15킬로와트 연료 전지를 장착한 개조된 앨리스-챌머스 농업용 트랙터였다.^[28] 냉전 시대의 우주 경쟁은 연료 전지 기술의 추가적인 발전을 이끌었다. 제미니 계획은 유인 우주 임무 동안 전력을 공급하기 위해 연료 전지를 시험했으며,^[29][30] 아폴로 계획에서 아폴로 사령/서비스 모듈 및 아폴로 달 착륙선의 전력 시스템에 알칼리 연료 전지가 사용되었다.^[29] 1966년, 제너럴 모터스는 최초의 연료 전지 도로 차량인 쉐보레 일렉트로밴을 개발했다.^[31] 이 차량은 PEM 연료 전지를 사용했으며, 120마일의 주행 거리와 시속 70마일의 최고 속도를 냈으나, 연료 전지 스택과 대형 수소 및 산소 탱크가 밴의 후면 부분을 차지하여 좌석은 두 개뿐이었다. 이 프로젝트는 비용 문제로 단 한 대만 제작되었다.^[32]

제너럴 일렉트릭과 다른 회사들은 1970년대에도 PEM 연료 전지 연구를 계속했고,^[29] 연료 전지 스택은 1980년대에도 우주 왕복선을 포함한 주로 우주 분야에 국한되었다.^[29] 1990년대에 이르러 자동차 제조업체들은 연료 전지 응용 분야에 관심을 갖게 되었고, 시범 차량들이 준비되었다. 2001년에는 최초의 700 Bar(10000 PSI) 수소 탱크가 시연되어 차량에 사용할 수 있는 연료 탱크의 크기를 줄이고 주행 거리를 늘렸다.^[33]

1980년대 말부터 캐나다의 벤처 기업인 Ballard Power Systems사 (Ballard사)에 의한 자동차용 PEFC의 연구가 주목을 받았고, Benz사가 Ballard사에 자본 참여를 한 시점부터 FCV가 주목을 받게 되었다.

2000년에 포드가 포커스 FCV의 프로토타입을 발표했다. 당시에는 수소 기술이 아직 초기 단계였기 때문에, 알코올 등을 연료로 하여 개질기를 통해 거기에서 수소를 추출하는 경우가 많았다.^[176] 2002년 혼다가 혼다 FCX를, 토요타 자동차가 토요타 FCHV를 일본과 미국에서 각각 한정 리스 판매를 시작했다.

2003년 미쓰비시 자동차는 다임러 크라이슬러제 연료 전지 시스템을 탑재한 밴 그란디스로 공도 시험을 실시했고, 메르세데스-벤츠 A클래스를 기반으로 한 F-CELL이 리스로 출시되었다. 오펠은 FCV 밴을 개발, 2005년 독일 이케아 가구가 운용했다.^[177] 2004년 닛산 자동차는 엑스트레일 FCV의 리스 판매를 시작했다.^[178] 2006년 BMW는 760Li(E66) 기반 연료 전지 자동차를 개발, 로스앤젤레스 모터쇼에서 공개 후 100대를 한정 생산했다. 2007년 포드는 플러그인 하이브리드 시스템과 연료 전지를 동시 채용한 에지 하이드로젠 하이브리드를 공개했으나 출시는 되지 않았다.

2011년 르노·닛산 자동차 얼라이언스(르노-닛산-미쓰비시 얼라이언스)와 다임러가 연료 전지 자동차 개발 분야에서 공동 개발에 합의했다.^[187] 2013년 포드가 참여,^[188] 2018년 제휴가 붕괴되었다.^[189][190] 2013년 토요타와 BMW,^[191] 혼다와 GM가 제휴했다.^[192] 2018년 아우디는 현대자동차와,^[193] 2019년 토요타는 베이징 자동차와의 제휴를 발표했다.^[194]

2019년 메르세데스-벤츠는 세계 최초 "연료 전지 플러그인 하이브리드차"인 GLC F-CELL을 발표, 수소 인프라가 정비된 일본과 유럽에 한정 리스 판매를 시작했다.^[195] 2020년 토요타는 덴소와 공동 개발한 연료 전지차의 실증 운전을 시작했다.^[196] 2022년 아사히 그룹, NLJ, 세이노 운수, 야마토 운수, 토요타 5개사가 토요타와 히노 자동차 공동 개발 연료 전지 대형 트럭 운행 계획을 발표했다.

2021년 스텔란티스의 구 PSA 그룹(푸조·시트로엥·오펠)은 상용 밴 연료 전지차 "e 엑스퍼트 하이드로젠"/"e 점피 하이드로젠", "비바 로 e 하이드로젠"을 각각 출시했다.^{[197][198][199]} 2021년 볼보 그룹은 "다임러 트럭 퓨얼 셀" 주식 50% 취득 후 다임러와 연료 전지 시스템 개발·생산 합작 회사를 설립,^[200] 2022년 연료 전지 대형 트럭 시험 운전을 시작했다.^[201] 2022년 보쉬는 미국에서 대형 트럭용 연료 전지 스택 생산을 시작했다.^[202]

2024년 2월, 셸이 운영하는 캘리포니아주 수소 스테이션 폐쇄가 결정되었다.^[203] 2024년 7월, 프랑스 과학자 및 학자 120명이 파리 올림픽 주최측에 청소차로서 토요타 미라이 사용 재고를 보고했다.^[204][205]

6. 1. 대한민국

현대자동차는 승용차뿐만 아니라 버스, 트럭 등 상용차 분야에서도 수소전기차 개발 및 보급에 힘쓰고 있다.^[236] 대한민국 정부는 수소차 보급 확대 및 수소충전소 구축을 위한 정책 지원을 강화하고 있다.

6. 2. 해외

7. 환경 영향

연료전지 자동차는 주행 중에 물만 배출하여 대기 오염을 일으키지 않는다.^[130] 그러나 수소 생산 방식에 따라 환경 영향이 달라진다. 재생 에너지를 이용한 수전해 방식으로 수소를 생산하면 친환경적이지만,^[136] 천연가스 개질 방식은 오염 물질을 생성한다.^[131] 수소 생산부터 차량 운행까지 전 과정(Well-to-Wheel)에서 연료 전지 자동차는 배터리 전기 자동차보다 에너지 효율이 낮고 온실가스 배출량이 많을 수 있다.^[127] 일반적으로 연료전지 자동차는 배터리에 직접 전력을 공급하는 것보다 수소의 전기 분해 및 저장이 훨씬 덜 효율적이므로 배터리 전기 자동차보다 2.4배 더 많은 에너지를 소비한다.^[136]

8. 비판 및 논란

2008년, 전기에너지학회지 ''Interface''에서 제러미 P. 마이어스 교수는 연료 전지가 산소 환원 반응의 비효율성으로 인해 배터리만큼 효율적이지 않다고 지적했다.^[139] 그는 연료전지가 전력망에서 분리되어 작동하거나 연료를 지속적으로 공급할 수 있을 때 가장 합리적이라고 말했다.^[139] 같은 해 ''와이어드 뉴스''는 전문가들이 수소가 휘발유 소비나 지구 온난화에 의미 있는 영향을 미치려면 40년 이상 걸릴 것이라고 말했다고 보도했다.^[140] 로버트 주브린은 저서 ''에너지 빅토리''에서 수소를 '가장 최악의 차량 연료'라고 비판하며, 재생 에너지를 사용해 수소를 생산하는 것보다 전기차나 플러그인 하이브리드 차량의 배터리를 충전하는 것이 더 쉽다고 주장했다.^[141]

2009년 ''로스앤젤레스 타임스''는 "어떤 방식으로 보더라도 수소는 자동차를 움직이는 형편없는 방법이다"라고 평가했고,^[142] ''워싱턴 포스트''는 미국 전역의 콘센트에서 전기를 뽑아 자동차 배터리에 저장할 수 있는데 왜 수소 형태로 에너지를 저장한 다음 그 수소를 사용하여 모터에 전기를 생산하려 하는가라고 질문했다.^[143]

2013년 ''모틀리 풀''은 수소차의 운송, 저장, 생산과 관련된 비용이 많이 드는 장애물이 여전히 존재한다고 지적했다.^[144] 폭스바겐의 루돌프 크레브스는 에너지를 이동성으로 변환하는 가장 효율적인 방법은 전기이며, 수소 이동성은 녹색 에너지를 사용할 경우에만 의미가 있지만, 초기 에너지의 약 40%를 잃는 낮은 효율의 수소 변환 과정과 압축 및 저장 과정에서의 추가적인 에너지 손실로 인해 결국 원래 전기 에너지의 30~40%만이 남는다고 설명했다.^[145]

2014년, 전기 자동차 및 에너지 미래학자 줄리안 콕스는 메탄에서 수소를 생산하는 것이 석탄보다 단위 에너지당 탄소 집약도가 훨씬 높다고 지적했다.^[146] 그는 셰일의 수압 파쇄에서 얻은 화석 수소를 환경적으로 지속 가능한 에너지 경로로 착각하면 재생 에너지와 경제적으로 양립할 수 있는 차량 기술에서 투자와 초점을 전환하여 지구 기후 변화 노력을 약화시킬 수 있다고 경고했다.^[146] 같은 해 전 에너지부 관계자 조셉 롬과 그린테크 미디어의 분석가도 재생 에너지를 사용하여 연료전지차량(FCV)용 수소를 경제적으로 생산하는 것이 현재 또는 미래에 불가능하다고 결론 내렸다.^[147][148] 2015년, ''Clean Technica''는 수소 연료 전지 차량의 단점을 나열했다.^[149][150]

2017년 ''Green Car Reports''는 최고의 수소 연료 전지 차량이 전기 자동차보다 마일당 세 배 이상 많은 전기를 소비하고, 다른 동력 전달 기술보다 더 많은 온실 가스 배출을 발생시키며, 연료 비용이 매우 높다고 분석했다.^[109] 또한 새로운 인프라 구축에 최대 4,000억 달러가 소요될 것으로 추산되며, 연료 전지 차량은 틈새 기술이 될 가능성이 높다고 분석했다.^[109] 같은 해 마이클 바나드는 ''포브스''에 기고하여 수소 연료 전지 자동차의 지속적인 단점을 나열하고, 2025년까지는 연료 전지의 꿈을 접어야 할 것이라고 결론 내렸다.^[151] 2019년 ''Real Engineering''은 수소를 자동차 연료로 사용하는 것이 운송 부문의 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 되지 않는다고 지적했다.^[152] 화석 연료에서 여전히 생산되는 수소의 95%는 이산화탄소를 배출하며, 수소 저장, 운반 과정에서도 추가적인 에너지 소비와 탄소 배출이 발생하고, FCV를 1km 이동하는 데 필요한 수소는 BEV를 같은 거리를 이동하는 데 필요한 전기의 약 8배의 비용이 든다고 분석했다.^[152] 같은 해 혼다 유럽 사장 카츠시 이노우에는 수소 연료 전지 자동차는 다음 시대의 기술이라고 말했다.^[50]

2020년 이후의 평가에 따르면 수소 차량의 효율성은 여전히 38%에 불과한 반면, 배터리 전기차는 80%에서 95%의 효율성을 보였다.^[153][154] 2021년 CleanTechnica는 수소 자동차가 전기 자동차보다 훨씬 덜 효율적이며, 생산되는 수소의 대다수는 오염 물질인 회색 수소이고, 수소 공급을 위한 인프라 구축 비용이 높다고 지적했다.^[53] 또한 배터리 및 충전 기술이 향상되면서 연료 전지 차량의 장점인 더 긴 주행 거리와 빠른 연료 충전 시간이 약화되고 있다고 지적했다.^[53] 2022년 ''네이처 일렉트로닉스''의 연구도 이에 동의했다.^[155]

9. 관련 표준 및 규제

국제 연합의 글로벌 기술 규정에 따라 수소 사용과 관련하여 엔지니어링, 무결성, 성능, 안전, 부품 수명 주기 등 다양한 범주에 대한 국제 표준이 있다. 이 규정에서는 압축 수소 저장 시스템의 사용 기간을 15년 이하로 규정하고, 서비스 수명이 종료되도록 하고 있다.^[112]

연료 전지 자동차는 연료 전지와 규격에 따라 분류되며,^[163] 정지형 및 휴대형 연료 전지에 대한 규격도 있다.

연료 전지 자동차 보급을 촉진하기 위해 구매 보조금이나 수소 스테이션 등 인프라 정비와 같은 정책이 시행되고 있다. 2012년 토요타, 다임러, GM 등 세계 주요 자동차 기업 11개사가 수소 공급 시스템 규격 통일에 합의했다.^[225]

2013년부터 경제산업성은 수소 공급 설비 정비 사업비를 사업자에게 보조하여 수소 스테이션 설치를 지원하고 있다.^[226] 일본 내 수소 스테이션 수는 2013년 여름 17개소에서 2016년 3월 38개소, 2022년 5월 161개소로 증가했다.^[227] 일본 정부는 2025년까지 약 320개소로 늘리는 것을 목표로 하고 있다.^[228]

2015년 2월, 토요타, 혼다, 닛산 자동차 3사는 수소 스테이션 정비 촉진을 위해 공동 지원을 발표했다.^[229] 같은 달, 토요타는 수소 사회 실현을 위해 약 5,700건의 연료 전지차 관련 특허를 무료로 공개했다.^[230]

세계 최대의 전기 자동차 시장인 중국은 세계 최대의 연료 전지 자동차 시장 또한 목표로 하고 있으며, 2017년 상하이시 정부는 50개소의 수소 스테이션 정비 계획을 발표했다.^[231][232]

10. 미래 전망

에버레와 리트마르 폰 헬몰트는 2010년에 연료 전지 자동차가 다른 기술과 경쟁력을 갖추기 전에 여전히 과제가 남아 있다고 지적하며, 미국 내 광범위한 수소 인프라의 부재를 언급했다.^[103] 2020년 7월 기준으로, 미국에는 43개의 공공 수소 충전소가 있었으며, 그 중 41개는 캘리포니아에 있었다.^[104] 2013년, 제리 브라운 주지사는 최대 100개의 충전소를 건설하기 위해 10년 동안 연간 2000만달러를 지원하는 법안 AB 8에 서명했다.^[105] 2014년, 캘리포니아 에너지 위원회는 28개의 충전소 건설에 4660만달러를 지원했다.^[106]

일본은 2014년에 첫 번째 상업용 수소 충전소를 설립했다.^[107] 2016년 3월까지 일본에는 80개의 수소 충전소가 있었으며, 일본 정부는 2020년까지 이 숫자를 160개로 두 배로 늘리는 것을 목표로 했다.^[108] 2017년 5월에는 일본에 91개의 수소 충전소가 있었다.^[109] 독일에는 2015년 7월에 18개의 공공 수소 충전소가 있었다. 독일 정부는 2016년 말까지 이 숫자를 50개로 늘리기를 희망했지만,^[110] 2017년 6월에는 30개만 운영되었다.^[111]

모든 연료 전지는 일반적인 전지처럼 전해질, 양극, 음극의 세 부분으로 만들어진다.^[164] 연료 전지의 기능은 기존의 축전지와 유사하지만, 충전 대신 연료를 보급하며, 산소는 대기 중에서 조달된다.^[165] 수소를 연료로 하는 것으로는 고분자 전해질형 (PEFC), 직접 메탄올형, 인산형, 탄산 용융염형, 고체 산화물형 (SOFC), 재생형 등, 여러 종류의 연료 전지가 있다.^[166] 차량용 연료 전지에는 일반적으로 수소를 80 - 90℃에서 반응시키는 PEFC가 사용되지만, 저온에서도 높은 활성을 가진 촉매의 이용이 요구되므로, 백금 등의 희소 촉매를 사용할 필요가 있다. 백금 대신 탄소 합금을 사용하는 기술이나, 백금 자체의 응집을 억제하여 사용량을 줄이는 기술, 트럭이나 버스에서의 이용을 상정하여 700 - 800℃에서 반응시키는 SOFC의 차량 탑재 등이 현재 검토되고 있다.

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