연료전지 자동차
연료전지 자동차(Fuel Cell Vehicle)는 연료전지로 전기모터에 전력을 공급하여 주행하는 자동차이다. 연료전지차 혹은 FCV라고도 한다.
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개요[편집]
연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학 반응을 이용하는 연료전지가 전기 모터를 구동시키는 방식의 미래형 자동차이다. 기존 가솔린 연료를 쓰기 때문에 전기의 힘으로만 움직이는 전기자동차와는 다르다. 연료전지 자동차의 원리는 다음과 같다. 우선 가솔린에 열을 가해 기화시킨 다음 수증기와 공기를 혼합해 수소와 일산화탄소를 만든다. 일산화탄소는 증기의 촉매 작용을 통해 이산화탄소와 수소로 바꾸고, 만들어진 수소가스를 산소와 화학적으로 결합시켜 모터를 움직이는 전기를 만들어 차를 움직인다. 이 차는 배출가스가 없어 공해가 발생하지 않는다. 연료전지 자동차는 전기와 연료를 함께 사용하는 하이브리드 자동차(hybrid car)에 이어 미래자동차 산업을 주도할 가능성이 높다.[1] 연료전지 자동차는 휘발유차나 하이브리드 자동차보다 연료 효율, 연료 공급의 편의성, 정숙성 등이 좋다. 특히 수소를 연료로 사용하므로 물 이외에 배기가스가 없는 친환경적인 자동차이다. 이산화탄소의 발생량이 적고 연료의 열효율을 높일 수 있기 때문에 에너지 절약 자원, 저공해를 목표로 미래의 자동차로서 주목받고 있다. 획기적인 연비 향상을 통한 운행 비용 절감과 함께 배기가스 감소에 따른 대기오염을 방지하는 효과가 있다는 장점이 있다.[2]
등장 배경[편집]
화석연료를 사용하면서부터 발생된 환경 오염은 산업이 발달함에 따라 그 정도가 매우 심각해지고 있으며, 특히 자동차는 환경 오염의 주범으로 인식되어 각 국가에서 강력한 규제책을 마련하고 있다. 자동차 배기가스 규제는 각 지역마다 특성에 따라 다르게 규제되고 있지만, 점점 더 강화되고 있는 것은 공통적으로 적용되고 있다. 미국은 배기가스의 규제와 더불어 캘리포니아에서 적용되던 무공해자동차(Zero Emission Vehicle) 규제가 하이브리드 자동차를 AT-ZEV(Advanced Technology Zero Emission Vehicle)로 인정하고 연료전지 자동차의 최소 판매 대수를 명시하여 연료전지 자동차의 중요성을 크게 부각시켰다. 전 세계는 자동차 산업의 문제를 해결하고자 친환경, 고연비, 신연료 자동차로 수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차를 개발하고자 했다.
기술[편집]
연료전지 시스템의 4가지 주요 하위 시스템은 연료전지 스택, 공기 공급, 수소 공급 및 물과 열 관리이다. 연료전지 자동차의 이 요소를 연구하기 위해 인정된 방법은 FCV심(FCVSim)과 같은 시뮬레이션 도구이다. 수소는 화석 연료에서 개질될 수도 있고 물의 전기 분해를 거쳐 생산하거나 가스화를 통한 바이오매스로부터 추출하기도 한다. 연료전지 자동차에는 연료보급소나 차내에서 생산된 수소로 보급된다. 연료 충전소에 공급되는 수소는 자체에서 생산하거나 중앙 생산 공장으로부터 수송된다. 천연가스의 개질, 셀룰로오스 에탄올과 같은 바이오연료의 개질, 바이오매스의 가스화, 탄소포집과 저장(CGS) 장치를 갖는 석탄 통합 가스화 복합사이클(IGCC)과 궁극적으로는 원자력, 재생 에너지와 같은 탄소 제로 전기로부터 전기 분해이다. 수소의 추출에는 막과 흡착의 두 가지 분리 기술이 있다. 톨루엔이 고농도로 존재할 때는 막에 톨루엔의 강력한 흡착으로 수소 확산이 방해가 되기 때문에 팔라듐 막이 더 유망하다. 궁극적으로 수소의 차내 정제를 피하기 위해 미래자동차는 수소로 연료가 보급될 것이다. 차내 수소 저장은 금속 수소화물, 탄소나노튜브, 압축가스 및 액체수소를 포함한다. 현재 이 모든 옵션은 가솔린 탱크보다 더 무겁고 크다. 그러나 이들을 경량화하기 위한 노력은 계속되고 있다. 자동차에 적용하는 폴리머 전해질 연료전지의 내구성에 대한 연구가 연료전지 자동차로 가기 위한 좋은 지표가 된다.[3]
주요 모델[편집]
미라이[편집]
미라이는 2014년 토요타(Toyota)가 출시한 세계 최초의 양산형 연료전지 자동차이다. 1세대 미라이는 도요타가 2014년 12월 출시한 수소연료전지차로 화학 연료대신 수소를 연료로 사용한다. 완전히 충전하는데 걸리는 시간은 3분에서 5분 정도이다. 한 번 충전으로 650km를 달릴 수 있으며 일본과 유럽, 미국에서 판매되고 있다. 수소 연료전지 시스템인 토요타 연료전지 시스템(TFCS, Toyota Fuel Cell System)은 FC 부스트 컨버터, 고압 수소 탱크, 모터, 배터리로 구성된다. 장거리 주행을 위해 수소를 고압력으로 압축해 탱크에 축적했다. 이 압력은 70MPa로 통상 대기압(101.33kPa)의 약 700배이다. 이 때문에 부품에는 고압에 대응할 수 있는 높은 내구성과 기밀성이 요구됐고 배관과 밸브에는 아이치 제강과 제이텍트가 개발한 보다 고강도 강재가 채용됐으며 연료전지 스택에는 도요타 자체가 개발한 3차원 구조체가 적용되었다. 미라이 2세대 모델은 발전 시스템이 개선돼 연비가 초대 모델과 비교해 10% 가량 높아졌다. 수소를 넣는 탱크를 2개에서 3개로 늘려 주행거리도 약 30% 늘어나 최장 850㎞까지 달릴 수 있다. 또한 차내로 유입되는 공기 중의 유해 물질을 필터로 제거하는 공기 청정 시스템이 토요타 차량 중 최초로 장착됐다. 차량의 정원도 4명에서 5명으로 늘어났다. 토요타는 연간 최대로 기존 모델의 10배 규모인 약 3만 대를 생산할 예정이다. 일본 정부는 2050년 탈(脫) 탄소 사회 실현을 목표로 2030년대 중반까지 신차 시장에서 휘발유차 판매를 금지하기로 했다. 특히 도쿄는 휘발유차 판매 금지 시기를 2030년까지 앞당기기로 했다. 이 때문에 일본 자동차 업계는 연료전지 자동차와 전기차 중심으로 생산 체제를 전환하기 위한 대책 마련을 서두르고 있다.[4]
동향[편집]
국내[편집]
대한민국은 국력에 비해 연료전지 분야에 많은 투자를 하고 있는 편에 속한다. 특히 자동차용 연료전지 분야는 상당히 앞서 있는 것으로 평가받는다. 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)는 2000년 6월부터 캘리포니아 연료전지 시범 사업(CaFCP)에 참여하고 있다. CaFCP은 미국 캘리포니아 주 새크라멘토에 있으며 수소 연료전지 자동차 상용화의 전초 기지라고 할 수 있다. 미국, 일본 각각의 자동차 빅3와 현대자동차, 폭스바겐(Volkswagen) 등 총 8개 주요 글로벌 자동차 회사들이 이곳에서 수소 연료전지 자동차 상용화 시기를 앞당기기 위해 공동 노력을 기울이고 있다. 2001년 6월 현대자동차는 세계 최초로 350 기압 수소 충전에 성공했다. 2004년에는 냉시동 및 운전 가능한 투싼(Tucson) 연료전지 차량을 개발하고, 2006년에는 700 기압 압축 수소탱크 개발에도 성공했다. 환경친화적 자동차의 보급 촉진을 위해 현대자동차와 카이스트(KIST)의 주도로 80kW급 승용차용 연료전지 스택 개발과 200kW 버스용 연료전지 스택 개발 과제가 진행되고 있다. 80kW급 승용차용 연료전지 스택 개발 과제는 시작한 지 1년 6개월만에 가시적인 성과를 일궈냈다고 한다. 스택 개발 과제와 함께 2006년 8월부터는 산업통상자원부의 지원으로 모니터링 사업이 진행 중이다. 연료전지 자동차의 조기 상용화와 경쟁력 확보를 지원하기 위한 '수송용 연료전지 모니터링 사업'은 2008년까지 3년간 총사업비 480억 원, 국비 240억 원이 투입되는 프로젝트다. 이 사업을 통해 2008년까지 국산 연료전지를 탑재한 차량 승용차 18대, 버스 2대로 총 34대를 투입하고 운행할 계획이다. 이와 함께 기술표준체제 마련, 전문 부품업체 육성, 수소충전소 및 법규 정비 등 인프라 구축 기반을 조성할 계획이다. 특히 차질이 우려되는 수소충전소 구축과 관련해서는 모니터링 사업 성과를 토대로 단계적으로 수소충전소를 전국으로 확대해 나갈 계획이다.[5] 향후 국내 연료전지 자동차의 확산을 위해서는 연료전지 자동차에 대한 기술 개발과 동시에 수소의 안정적인 생산과 공급을 위한 정부 차원의 적극적인 수소 인프라 구축이 이루어져야 한다.[6]
해외[편집]
유럽과 미국에서는 수소와 연료전지의 필요성을 인식하고, 대국적으로 이를 도입하기 위한 움직임이 급속하게 확대되고 있다. 독일에서는 수소와 연료전지 자동차의 도입을 적극적으로 추진하고 있으며, 민간 기업도 이에 호응하는 프로그램을 추진하고 있다. 연료전지 자동차의 실용화를 위하여 수소 소비량을 안정적으로 확보하기 위한 계획도 동시에 추진하고 있다.
일본[편집]
1960년 10월 오사카에서 열린 EVS(Electric Vehicle Symposium)-13에서 토요타가 수소흡장합금형 연료전지 자동차인 토요티 연료전지 자동차를 발표하여 세계의 주목을 받았다. 그리고 이것이 일본 연료전지 자동차 개발의 원점이 되었다. 1998년에는 혼다가 연료전지 자동차 개발을 발표하였으며, 2001년에는 마쓰다의 메탄올 개질형 연료전지 자동차와 다임러(Dimler) 크라이슬러(Chrysler)의 네카-5(NECAR-5)가 정부의 인증을 받고 요코하마에서 도로주행 테스트를 시작했다. 1998년 2월 토요타는 수소흡장합금형 연료전지 자동차 FCHV-3을, 6월에는 고압 수소형 FCHV-4를 발표하는 동시에 히노자동차(Hino Motors)와 연료전지 버스의 공동 개발을 발표했다. 1998년 7월에는 혼다도 고압 수소형 연료전지 자동차 FCX-V3를 발표하고 도로 주행 시험을 시작했다. 1998년 9월 혼다는 수소저장압력 25MPa에서 35MPa로 상승시킨 항속거리, 최고 속도를 향상시킨 FCX-V4를 발표했다. 2001년 도쿄모터쇼(Tokyo Motor Show)에서 토요타가 CHF(Clean HC Fuel)를 이용한 FCHV-5를 새로 발표했다. 그리고 2002년 9월 27일 토요타와 히노의 공동 개발에 의한 35 MPa 고압 수소형 연료전지버스 FCHV-BUS2 4대가 일본에서 처음으로 정부의 인증을 얻어 도로 주행 시험을 시작했고, 2002년 10월에는 혼다가, 2002년 11월에는 토요타가 각각 고압 수소형 연료전지 자동차를 발표하고 한정 판매에 들어갔다. 2003년 1월에는 무브 FCV-K-2(MOVE FCV-K-2)가 경자동차로는 처음 인증을 받아 도로 주행 시험을 시작했다. 제너럴모터스의 액체 수소형, 다임러 크라이슬러의 고압 수소형 F-Cell 등이 정식 허가를 받았고, 3월 12일 JHFC 오프닝 행사에 처음으로 일본 내 3사와 해외 2사의 5대의 연료전지 자동차가 선을 보였다.[7]
전망[편집]
2002년 1월 이후부터 연료전지 자동차를 둘러싼 환경은 급격히 변화하고 있다. 연료전지 자동차의 미일 동시 한정 판매가 시작되었고, 연료전지 자동차 보급 실현에 필요한 연료전지 자동차의 실증 시험이 일본 JHFC프로젝트, 유럽 CUTE프로젝트 및 CEP 프로그램으로 출발했다. 또 연료전지 자동차 도입을 추진하기 위해 일본에서는 수소에 관한 여러 가지 규제 완화 및 재검토의 움직임이 정부 차원에서 본격화하고 있고, 이에 맞추어 연료전지 자동차의 표준화에 관한 활동도 국제적인 수준에서 활발히 움직이고 있다. 연료전지 자동차용 연료에 맞춰 차의 개질 방식이 기술적인 어려움이 있어 각 자동차 제조 회사들의 개발 중점은 직접 수소형으로 집중하고 있다. 연료전지 자동차는 미래가 유망한 그린 에너지 자동차로서 기대가 크다. 대수가 한정되어 있지만 토요타와 혼다는 2002년 12월 처음으로 수소 연료전지 자동차의 한정 판매를 개시한 후 2003년 9월까지 일본에서 양사 합하여 14대의 리스 판매를 했다. 연료전지 자동차가 본격적으로 도입 및 보급되기 위해서는 저비용화, 경량, 콤팩트화, 고효율화, 연료 인프라 및 관련규제의 정비, 안전성, 신뢰성의 확보 및 표준화의 촉진 등이 선행되어야 한다. 연료전지 자동차의 개발경쟁이 격렬하여 현실감을 느끼고 있으나 연료전지 자동차 보급의 길은 험하고 풀어야 할 과제도 많다. 기술 진보나 시대 흐름이 예상 이상으로 빠르고 현 상태의 어려움을 타개할 기술 개발 가능성도 충분하다고 생각된다. 최근 내연기관 기술의 진보를 보면 연료전지 자동차는 하이브리드차, 디젤차를 능가할 목표의 실현이 요구될 것이다. 에너지효율 및 배출기체, 이산화탄소 배기량 면에서도 크게 우수한 연료전지 자동차의 출현을 기대해 본다.[7] 또한 혼다는 2040년부터 세계 시장에서 전기자동차와 연료전지 자동차만 판매하겠다고 밝혔다. 일본 자동차 업체 중 휘발유차는 물론이고 하이브리드차조차 판매하지 않겠다고 밝힌 기업은 혼다가 처음이다.[8] 또한 토요타의 미라이가 낮은 가격으로 출시되면서 연료전지 자동차의 본격 상용화가 멀지 않은 것으로 전망된다. 미라이의 수요가 증가함에 따라 토요타는 700대 한정 생산 계획에서 2016년 2000대, 2017년 3000대로 생산 계획을 확대한다고 발표했다. 수소 충전 인프라 부족과 높은 기술 장벽이 해결된다면 본격 상용화가 가능해질 것으로 예상된다. 그러나 국내는 선진국과 비교하여 정책, 재정, 인프라 구축 등의 측면에서 정부의 지원이 다소 부족한 실정이다. 따라서 현실성 있는 로드맵 수립 등 정부의 지원하에, 장기적인 관점에서 정부, 민간, 학계 등의 적극적인 협력이 필요하다.[9]
각주[편집]
- ↑ 〈연료전지자동차〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 〈연료 전지 자동차〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 신효순 전문연구위원, 〈연료전지 자동차의 최신 경제 및 환경문제〉, 《고경력과학기술인》, 2011-07-11
- ↑ 박세진 기자, 〈도요타, 한번 충전으로 850㎞ 달리는 FCV 새 모델 시판〉, 《연합뉴스》, 2020-12-08
- ↑ 윤범진 기자, 〈FCV 시대를 열기 위한 조건〉, 《AEM》, 2007-08
- ↑ 진영훈 전문연구위원, 〈하이브리드, 전기 및 연료전지 자동차 비교〉, 《고경력과학기술인》, 2012-02-13
- ↑ 7.0 7.1 원영무 전문연구위원, 〈연료전지 자동차의 최근 연구동향〉, 《고경력과학기술인》, 2004-06-08
- ↑ 김범석 특파원, 〈혼다 “2040년부터 전기차-연료전지차만 판매”〉, 《동아닷컴》, 2021-04-26
- ↑ 〈글로벌 연료전지 자동차(FCV) 동향〉, 《한국에너지공단》
참고자료[편집]
- 〈연료전지자동차〉, 《네이버 지식백과》
- 〈연료 전지 자동차〉, 《네이버 지식백과》
- 〈글로벌 연료전지 자동차(FCV) 동향〉, 《한국에너지공단》
- 윤범진 기자, 〈FCV 시대를 열기 위한 조건〉, 《AEM》, 2007-08
- 신효순 전문연구위원, 〈연료전지 자동차의 최신 경제 및 환경문제〉, 《고경력과학기술인》, 2011-07-11
- 진영훈 전문연구위원, 〈하이브리드, 전기 및 연료전지 자동차 비교〉, 《고경력과학기술인》, 2012-02-13
- 박세진 기자, 〈도요타, 한번 충전으로 850㎞ 달리는 FCV 새 모델 시판〉, 《연합뉴스》, 2020-12-08
- 김범석 특파원, 〈혼다 “2040년부터 전기차-연료전지차만 판매”〉, 《동아닷컴》, 2021-04-26
같이 보기[편집]
