연료전지 자동차
한국과학기술정보연구원
<제목 차례>
제1장 서론 ···1
제2장 연료전지의 개요 ···2
1. 연료전지의 개념 ···2
2. 연료전지의 원리 ···3
3. 연료전지의 특징 ···4
4. 연료전지의 구성 ···6
5. 연료전지의 종류 ···7
제3장 연료전지 자동차의 기술성 분석 ···11
1. 연료전지 자동차의 개념 ···11
2. 연료전지 자동차의 기본구성 및 원리 ···11
가. 기본구성 ···11
나. 작동원리 ···16
3. 연료전지 자동차의 연료전지 ···19
4. 연료전지 자동차의 특징 ···21
가. 특징 ···21
나. 전기자동차와 연료전지자동차 비교 ···23
5. 연료전지 자동차의 개발 동향 ···24
가. 해외 동향 ···25
나. 국내 동향 ···31
제4장 연료전지 자동차의 시장성 분석 ···33
1. 시장동향 및 전망 ···33
가. 세계 시장 ···33
나. 국내 시장 ···34
2. 시장환경분석 ···36
가. 수요자 측면 ···36
나. 환경적 측면 ···37
다. 기술적 측면 ···38
라. 정책 및 법적 측면 ···39
마. 사업화 장애요인 ···40
제4장 결론 ···43
<참고문헌> ···44
<표 차례>
<표 2-1> 연료전지의 종류 ···10
<표 3-1> 자동차용 연료전지의 특성 ···19
<표 3-2> 연료공급방법 ···21
<표 3-3>전기자동차와 연료전지자동차 비교 ···24
<표 3-4> 해외의 연료전지 자동차 실증 시범운행 사업 ···26
<그림 차례>
<그림 2-1> 연료전지의 기본원리 ···3
<그림 2-2> 연료전지의 전기화학 반응 ···5
<그림 2-3> 인산형 연료전지 : 발전 및 난방용 ···8
<그림 2-4> 고체 고분자형 연료전지 : 자동차용 ···9
<그림 3-1> 연료전지자동차 구성도 ···12
<그림 3-2> 연료전지자동차 모형도 ···12
<그림 3-3> 연료전지 셀 구조 ···13
<그림 3-4> 연료전지 스택 구조 ···13
<그림 3-5> 도요타의 FCHV ···27
<그림 3-6> 도요타의 연료전지 컨셉 차량 (Concept Car) ···27
<그림 3-7> 혼다의 FCX ···28
<그림 3-8> 닛산의 X-Trail ···29
<그림 3-9> Daihatus의 MOVE FCV-K-2 ···29
<그림 3-10> 지엠의 하이드로젠3 ···30
<그림 3-11> 지엠의 시퀄(SEQUEL) ···30
<그림 3-12> 다임러 크라이슬러의 F-12(2002) ···31
<그림 4-1 >세계 자동차 연료전지의 수요 예측 ···34
<그림 4-2>국내 자동차 연료전지의 수요 예측 ···35
제1장 서론
화석연료를 사용하면서 발생된 환경오염, 기후변화 그리고 화석연료의 고 갈에 따른 에너지 위기는 인류에게 신에너지 사회를 요구하고 있으며, 이 변 화의 중심에 서있는 자동차 산업은 미래 사회에 해법을 제시해야 할 것이다.
이러한 입장에서 전문가들은 자동차의 패러다임 변화가 가솔린/디젤 내연기 관차로부터 내연기관-전지 하이브리드차를 지나 수소를 연료로 사용하는 연 료전지 자동차로 흘러갈 것이라 예측하고 있다.
연료전지 자동차는 전 세계적으로 매우 빠르게 발전하고 있는 분야이며 지 난 10년간의 발전은 회의적인 상태에서 적극적인 자세로 심지어 열광하는 입장으로 선회하는 곳이 있을 정도로 변화의 물결이 높은 상태이다. 특히 다 가올 21세기 수소 경제사회에서 우리 사회 다방면에서 인류 문명을 지탱할 대체에너지원으로서 많은 연구가 행해지고 있다. 연료전지 자동차는 수소 기 반 기술의 보급에 가장 핵심적인 역할을 할 것이며, 과학, 사회, 경제, 문화 적 파급력은 엄청날 것이라는 전망에 대해 정부 전문 관료와 관련 산업계의 이해가 일치하고 있다.
특히 자동차용 내연기관의 대체엔진으로서 연료전지 시스템은 순수 수소나 또는 수소를 다량 함유한 개질가스와 공기를 이용하여 공해물질의 배출이 거의 없다는 점에서 친환경에너지로 간주되어 전 세계적으로 국가적 사활을 건 연구가 진행되고 있다. 연료전지 자동차가 실용화되기까지는 구성 부품에 관한 개발이 한층 요구되고 연료전지 자동차의 한계성은 있지만 궁극적으로 는 수송기관으로서의 기존의 내연자동차의 역할 중 상당한 부분을 담당할 수 있으리라 예상된다. 그럼 이렇듯 다양한 논의를 불러일으키고 있는 연료 전지 자동차에 대하여 좀 더 다양한 각도에서 자세히 살펴보도록 하겠다.
제2장 연료전지의 개요
1. 연료전지의 개념
연료전지는 가장 주목을 받고 있는 분산발전 및 대체에너지 기술 중의 하 나로 환경오염 문제를 해결하고, 전력수요 및 에너지 수요에 효율적으로 대 비할 수 있는 일종의 전기화학 장치이다. 전기는 수소와 산소기체와의 반응 을 통해 얻게 되고, 부산물로 물이 생성된다. 즉, 연료전지는 수소와 산소가 가지고 있는 화학 에너지를 전기 화학반응에 의하여 직접 전기에너지로 변 환시키는 고효율의 무공해 발전장치로서 공기극(cathode)에는 산소가, 연료극 (anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기화학반응이 진 행되어 전기, 열, 물이 발생한다.
연료전지의 개념은 이처럼 수소와 산소의 전기화학 반응에 의하여 물이 생 성되며, 동시에 발생하는 전기를 이용하는 것으로 설명할 수 있다. 연료극에 서 수소가 수소이온과 전자로 분해하고, 수소이온은 전해질을 거쳐 공기극으 로 이동한다. 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생하며, 공기극에서 수소이 온과 전자, 그리고 산소가 결합하여 물이 된다. 연료전지는 물의 전기분해와 반대되는 원리로 발전을 하는데, 물을 전기분해 할 때는 외부의 전기를 통해 흡수하여 물을 수소와 산소로 분해하는 반면, 연료전지는 수소와 산소를 전 기화학적으로 반응시켜 전기를 발생한다.
수소 단독으로 자연계에 존재하지 않기 때문에 다른 물질로부터 추출해야 하는데, 수소를 여러 가지 연료에서 추출하는 것을 개질이라고 하며, 가정용 연료전지의 병합발전은 도시가스, LPG, 등유에서, 연료전지 자동차는 메탄 올, 가솔린 등에서 수소를 추출한다. 연료전지에 사용되는 산소는 공기 중에 있는 것을 이용하고 수소는 도시가스 등 천연가스 등에서 추출하여 사용하
2. 연료전지의 원리
연료전지는 연료와 산화제를 전지 내부에 저장하지 않고 필요시에만 전지 내로 연료를 공급·발전하는 시스템으로 통상의 열기관과 비슷하다. 그러나 종래의 대부분의 에너지 변환장치는 화학에너지→열에너지→기계적에너지→
전기에너지의 단계를 거치나 연료전지에서는 반응물의 화학에너지가 열에너 지를 경유하지 않고 직접 전기에너지로 변환시킬 수 있는 매우 효율적인 에 너지 생산방식이다. 중간에너지 단계로 열을 거치는 동안 모든 열기관을 카 르노 사이클 효율에 의해 제한을 받게 되어 전체 에너지변환효율은 감소하 게 되나 연료전지는 카르노 사이클 효율에 의해 제한을 받지 않아 높은 효 율의 발전을 할 수 있다.
연료전지는 연료극(anode), 공기극(cathode), 그리고 이온전도성 전해액으로 구성된다. 연료극에서 수소가 이온화되어 수소이온의 형태로 전해액을 통해 공기극으로 이동하고 이온화시 발생한 전자는 외부회로를 통하여 공기극으 로 흘러가게 된다. 공기극에서 만난 산호, 수소이온 그리고 전자가 반응하여 물을 생성한다. 전극의 산화환원 반응에서 평행기전력 E는 네른스트 방정식 으로 계산되고 수소-산소의 평형기전력은 25℃에서 1.229V이다.
<그림 2-1> 연료전지의 기본원리
자료 : 연료전지자동차
그러나 실제로 전지를 운전하여 전류를 방출시키면 소위 분극현상 때문에 연료전지의 작동전압 V는 평형기전력 E보다 과전압만큼 낮아진다. 이 과전 압에 활성화과전압, 농도과전압 및 저항과전압이 있다. 이중 활성화 과전압 이 다른 둘보다 크며, 특히 산소환원 속도가 매우 늦기 때문에 산화전극에서 의 과전압을 줄이기 위한 연구가 중점적으로 진행되고 있다.
<전기화학적인 반응식>
전체 반응 : H 2 + 1
2 O 2 → H 2O+전기 연료극 반응 : H 2 → 2H++ 2e -
공기극 반응 : 21 O 2+ 2H++ 2e - → H 2O
3. 연료전지의 특징
환경친화적 특성을 가지면서 소용량에서도 발전 효율이 높고 배열의 유효 이용에 의해 총합 에너지 효율의 향상이 도모되는 연료전지는 새로운 에너 지의 하나로서 위치할 수 있으므로 폭넓은 보급화가 매우 바람직하다. 연료 전지의 우수한 특징은 다음과 같다.
1) 높은 발전 효율
연료전지는 그림과 같이 전기화학 반응에 의해 연료가 가진 화학에너지를 직접 전기에너지로 변환하기 때문에 종래 발전에 비해 발생하는 손실이 적 어 높은 발전효율을 얻을 수 있다.
<그림 2-2> 연료전지의 전기화학 반응
2) 에너지 절약
반응의 과정으로 발생하는 열을 유효하게 이용하는 것이 가능하므로, 전기 와 열을 동시에 발생하는 코제너레이션 시스템에 적합하다. 투입한 연료의 약 40%가 전기로, 약 40%가 온수나 증기가 되므로, 약 80%가 유효하게 이 용할 수 있어 에너지 절약에 우수한 장치이다.
3) 환경 친화성
발전의 원리는 물의 전기분해 역반응이기 때문에 기본적으로 생성되는 물 질은 물이므로, 대기오염의 원인이 되는 질소산화물(NOx)을 거의 발생하지 않는다. 또한 총합효율이 높기 때문에 이산화탄소(CO2)의 발생도 적게 된다.
4) 설치성
기본적으로는 전기화학반응으로 발전하기 때문에 엔진이나 터빈과 같이 소 음·진동을 발생하지 않는다. 공기를 취입하는 팬 등 부속기기에서 발생하는 음 정도이므로 다른 발전장치와 비교해서 매우 저소음·저진동이다.
연료전지는 열방출/폐열회수를 위한 소형팬이나 펌프를 제외하고는 구동 부위가 없고, 순수한 물을 제외하고는 오염물질의 배출이 없으며, 소음이 거 의 없다는 점이 특징이다. 이러한 장점으로 인하여 분산발전용은 물론이고,
자동차, 우주선, 핸드폰 및 노트북용 전원과 같은 휴대용, 군사용으로 응용될 수 있다.
특히, 분산발전용 연료전지의 가장 큰 장점은 어떠한 송전선도 필요치 않 으므로 전기 공급시스템의 가장 큰 문제점이었던 송전선 사고로 인한 정전 이나 단전 등이 사실상 사라지게 된다는 것이다.
또 낮은 운영비와 높은 에너지효율로 현재 전기료를 약 20% 정도 낮출 수 있을 것으로 예상된다. 더욱이 질소나 황산화물을 생성하지 않으므로 가장 환경 친화적인 에너지원이며 발전과정에서 발생하는 잉여분의 열은 저장 후 온수제조나 주택난방에 이용할 수 있으므로 시스템 전체적으로는 기존의 발 전방식에 비해 획기적으로 높은 에너지 효율을 가지게 된다.
연료전지는 20MW급 이하의 전력 발전에 있어서 가장 에너지 효율이 높은 발전방식이다. 이는 연료전지가 화학에너지를 기계에너지로 변환시키지 않 고, 바로 전기에너지로 변환시키기 때문이며, 비교적 낮은 온도에서 운전할 경우에도 Carnot limit 이상의 셀효율을 나타낸다. 또한 연료전지의 오염물질 배출량은 현저히 낮다.
연료전지의 연료로는 메탄올, 천연가스, 석유, 가솔린, 프로판 등 다양한 연 료를 사용할 수 있으며, 리포머라고 불리는 연료개질기를 통하여 수소를 추 출하여 사용하게 된다. 연료전지에서 발생되는 직류전원은 자동차에는 적절 한 전원이나 분산전원으로 사용되는 경우는 인버터를 사용하여 스택에서 생 산된 전기를 60Hz의 교류전원으로 전환하여 사용하게 된다.
4. 연료전지의 구성
연료전지의 구성단위를 셀(단전지라고도 한다)이라 하며, 셀은 그림과 같이 플러스의 전극판(공기극)과 마이너스의 전극판(연료극)이 전해질을 포함한 층 을 겹친 샌드위치와 같은 구조를 하고 있다. 공기극과 연료극에는 수많은 세
의 전극에서 보내진 산소와 외부에서 전선을 통해 돌아온 전자와 반응해서 물이 된다.
이러한 전자와 이온으로 분리되는 시점이 연료 전지의 원리중 가장 중요한 점이다. 전자가 전선을 이동하는 것은 전류가 흐르는 것, 즉 전기가 발생하 는 것이 된다. 그러나 단층의 셀에 의한 전기 발생은 많지 않다. 따라서 필 요한 전기 출력을 얻기 위해서는 직렬로 연결하게 하여 셀을 적층하고, 상하 셀 사이에는 수소와 산소의 통로를 막으면서 적층된 셀을 전기적으로 연결 하는 역할을 하는 세퍼레이터가 들어간다. 이 셀을 적층한 것을 연료전지 발 전장치 중에서는 연료전지 본체인 셀 스택이다.
또한 연료전지가 이상적인 상태라면 모두 전기 에너지로 변환되겠지만, 실 제로는 셀 내부에 약간의 전기 저항이 있어 그 저항으로 일부에너지가 전기 에너지가 아니고 열에너지로 변해버린다. 이로 인해 셀에서 발열이 발생하여 셀 온도가 상승하기 때문에 냉각수가 통과하는 관을 셀 스택의 여러 곳에 설치하여 셀이 적당한 온도가 되도록 냉각한다. 냉각수는 역으로 가열되므 로, 이러한 열에너지를 외부에서 급탕이나 난방 등에 이용할 수 있다.
5. 연료전지의 종류
건전지에 망간전지, 알칼리전지, 리튬전지 등 화학 반응을 일으키는 물질에 따라 몇 가지 종류가 있는 것처럼, 연료전지에도 원리는 모두 물의 전기분해 의 역반응이지만 전해질에 따라 몇 가지의 종류로 분류할 수 있다.
1) 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell)
인산형 연료전지는 가장 먼저 개발이 진행되어 현재 상용화 단계에 있다.
전기출력이 50∼200 kW 정도의 소형은 빌딩 등에 설치되어 도시가스의 배 관을 연결하는 것만으로 운전할 수 있는 형태로, 가까운 일본에서도 약 50 개소 이상의 건물에 실제 설치 운전되고 있으며, 발생한 전기는 건물 내의 조명 등에, 또한 발생한 열은 급탕 등에 이용되고 있다. 금후 상품으로서 폭 넓게 보급될 것으로 기대되고 있다.
<그림 2-3> 인산형 연료전지 : 발전 및 난방용
자료 : 연료전지자동차
<그림 2-4> 고체 고분자형 연료전지 : 자동차용
자료 : 연료전지자동차
2) 고체 고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell)
고체 고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell)는 최근 자동차용으 로 연구 개발이 진행되고 있어 청정 자동차의 실현으로의 기대가 높다.
3) 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)
용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체전해질형 연료전 지(Solid Oxide Fuel Cell)는 인산형이나 고체 고분자형보다도 높은 발전효율 을 기대할 수 있으므로 매우 왕성한 연구개발이 진행되고 있지만, 현 상태는 아직 실증 시험단계이다.
4) 용융탄산염형 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)
알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell)는 일반 민생용은 아니지만, 순수소, 순산소를 원료로 발전하는 우주선의 전원용으로서 스페이스 셔틀에 탑재되 어 실용화되어 있다.
연료전지에 대한 특성을 <표 2-1>에 요약, 정리하였다.
1
구 분 인산형
(PAFC) 용융탄산염형
(MCFC) 고체전해질형
(SOFC) 고체고분자형
(PEFC) 알칼리형 (AFC)
작동기체 수소 수소,
일산화탄소 수소,
일산화탄소 수소 수소
전해질 인산 탄산리튬/탄
산칼륨 안전화
지르코니아 양이온교환막 수산화칼륨 이온전도종 수소이온 탄산이온 산소이온 수소이온 수소이온 운전온도(℃) 약 200 약 650 약 1,000 상온~약 100 상온~약 100 발전효율(%) 40~50 45~60 50~60 40~60 45~60
개발단계 상용화단계 시험연구~
실증단계 시험연구~
실증단계 시험연구~
실증단계 우주선에 실용화
<표 2-1> 연료전지의 종류
자료 : 연료전지자동차
제3장 연료전지 자동차의 기술성
1. 연료전지 자동차의 개념
연료전지 자동차란 수소와 산소의 전기화학반응으로 만들어진 전기를 이용 하여 모터를 구동시키는 자동차를 의미한다. 단위 연료전지가 일반적인 조건 에서 0.6~0.7V의 출력전압으로 운전되는데, 자동차용 모터를 구동시키기 위 해 필요한 수백 볼트의 고전압을 얻기 위해서는 수백 개의 단위전지를 직렬 연결하여 요구되는 전압을 얻어야 한다. 이러한 의미에서 단위전지와 구분하 여 스택(stack)이라는 단어를 사용한다. 연료전지차가 스택 하나로만 구동되 는 경우는 단순하게 연료전지차라고 정의하며, 가솔린 하이브리드차와 같이 보조전원으로 배터리가 사용되는 경우에는 연료전지 하이브리드차라고 명한 다.
즉, 연료전지 자동차는 연료전지를 동력원으로 하는 일종의 전기자동차로 서 연료전지 단독 혹은 연료전지/2차전지 하이브리드 형태로 개발되고 있으 며, 충전시간, 일회충전 주행거리 등의 문제점을 해결할 수 있어 실용화가 가능한 차세대 무공해 자동차로 평가받고 있다. 전기 자동차 동력원으로서의 연료전지 장점은 단위 무게 당 에너지 밀도가 2차전지에 비해 우월하여 Well to Wheel Efficiency는 30~35%로 기존의 내연기관의 20%에 비해서 매 우 높고 석유계열 이외의 연료(천연가스, 알코올, 수소)를 사용할 수 있다는 것이다.
2. 연료전지 자동차의 기본구성 및 원리
가. 기본구성
연료전지자동차는 연료전지 스택, 연료전지 주변장치 (공기압축기, 열교환 기 등), 연료공급장치, 보조동력원, 그리고 모터 및 모터 제어기로 구성되어
있다.
<그림 3-1> 연료전지자동차 구성도
자료 : 연료전지 자동차
<그림 3-2> 연료전지자동차 모형도
자료 : 연료전지 자동차
1) 연료전지 스택
<그림 3-3> 연료전지 셀 구조
자료 : 연료전지 자동차
<그림 3-4> 연료전지 스택 구조
자료 : 연료전지 자동차
(가) 고체고분자전해질막
연료전지자동차용으로 주로 사용되며 특징은 다음과 같다.
ㅇ 전해질로 고체고분자막을 사용하기 때문에 양극간의 차압제어와 가 압화가 쉽다.
ㅇ 전지는 상온에서 기동할 수 있고, 기동시간이 짧다.
ㅇ 플라스틱 등의 값싼 전지구성재료를 사용할 수 있다.
ㅇ 내부저항이 낮아 고출력밀도를 얻기가 용이하여 소형․경량화가 가 능하다.
ㅇ 100℃이하의 저온에서 운전 할 수 있다.
(나) 전극
고체고분자막형 연료전지에서 사용되고 있는 전극은 고분자전해질막과 일 체화 접합된 것으로, “투과막/전극접합체(MEA : Membrane/Electrode Membrane)"라 부른다. 이것은 백금계 촉매를 입힌 카본 분말을 투과막소재 에 분산시킨 박막이다. 이 박막을 투과막의 앞뒤에 발라 MEA로 만든다.
MEA의 두께는 0.2mm 정도로 전극의 두께는 약 10㎛, 전극속에 포함되는 백금계 촉매는 0.1~0.5 g/cm2 정도이다. 보통은 MEA 양쪽에 100~300㎛ 정 도의 다공질탄소막을 접합시켜 연료극(수소극, 아노드극), 공기극(산소극, 캐 소드극)으로의 기체의 확산을 최적화시키며, 촉매층과의 접촉을 용이하게 한 다. 이 다공질탄소막이 연료극에서는 수소이온의 이동에 필요한 수분의 공급 율, 공기극에서는 생성된 물의 제거를 제어하는 역할도 한다.
(다) 세퍼레이터
세퍼레이터는 연료와 공기의 통로가 되는 홈이 파인 플레이트이다. MEA의 외측에 접합된 다공질탄소막에 다시 접합된다. 이 플레이트는 연료와 공기를 공급할 뿐 아니라 연료극 측에서는 수분의 보급통로로, 공기측에서는 생성된 물의 제거통로로서의 기능을 가지고 있다. 그리고 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 한다. 그러기 때문에 홈의 깊이와 폭 등 구조적인 인자가 연료전지의 출력효율에 크게 영향을 미치는 중요한 기술요소이다.
2) 보조전원
연료전지시스템에서의 이차전지는 연료전지와 하이브리드 시스템의 구성기 기로서 중요하여 연료전지 출력의 안정화와 비상시 예비전력으로서 중요한 역할을 담당한다. 연료전지시스템과의 이용에 있어서는 현재 이용되고 있는 니켈수소전지 또는 향후에 개발이 기대되고 있는 대형 리튬이온전지가 있다.
(나) Ultracapacitor
혼다사에서는 전지축전장치로 supercapacitor를 채용하고 있다. capacitor는 축전지와 마찬가지로 전력을 저장하는 부재로서 특성은 순간적인 충전과 방 전이 가능하고 거의 무한하게 충전과 방전이 가능하다는 데 있다. 2002년 6 월에 일본 Nissan디젤이 출시한 supercapacitor 하이브리드 트럭은 capacitor 를 자동차용으로 탑재한 상품 세게 제1호가 되어 화제를 모으고 있다. 연료 전지 시스템에서 capacitor는 주로 자동차용으로 이용되는 것으로 생각되고 있고, capacitor의 순간방전 특성을 살려 연료전지의 출력부족을 보완하고 시 동시와 가속시 등의 고출력보조로서 이용되고 있다. 그러나 capacitor는 이차 전지에 비하여 에너지 밀도가 작아 같은 급의 전력용량을 확보하기 위하여 는 대형화가 불가피하여 이의 극복이 과제이다.
3) 수소저장탱크
수소를 차량에 탑재하기위한 방법으로는 크게 액체수소저장탱크, 고압수소 가스 저장탱크, 수소흡장물질에 의한 저장, 탄소나노기술에 의한 저장 등 네 가지 방법이 있다.
(가) 액체수소저장탱크
액체수소저장에서는 수소를 액화온도인 -253℃까지 냉각시켜 저장탱크에 저장하는데, 냉각시키는데 수소가 가지고 있는 에너지의 약 43%를 소비해야 하는 것과 공급시의 손실이 크고, 10~20%가 증발해 버리고, 증발하지 않도록 단열시켜도 하루에 2~3%정도의 액체수소가 증발하는 문제점이 있다.
(나) 고압수소가스 저장탱크
압축천연가스 저장탱크의 연장선상에 있는 기술로 미국의 “에너지정책법 1992”의 시행으로 보급된 기술이다. 이음매가 없는 알루미늄봄베 밖을 탄소 섬유로 감고 수지로 굳힌 기법으로 35MPa 압력에 100리터 용기에 3.0kg의 수소를 저장할 수 있게 되었고, 현재 69MPa에 6.1kg의 고압탱크 실용화를 서둘고 있다.
(다) 수소흡장물질에 의한 저장
화학반응으로 수소를 흡수하고 방출하는 성질을 가지고 있는 물질을 수소 흡장물질이라 한다. 특히 전형적인 금속수소화물을 수소흡장금속이라 하고, 그 밖의 것을 케미칼하이드라이드라고 한다. 현재까지 100여종이 넘는 수소 흡장합금이 알려져 있다. 대표적인 것으로 란탄․니켈로 대표되는 희토류계 통, 티타늄․철 계통, 마그네슘․니켈 계통, 그리고 칼슘․니켈 계통이 있다.
각각의 조합에는 장점과 단점이 있어 어느 것이 좋다고 단정적으로 말하기 는 곤란하나, 흡장능력으로서 2wt% 이상의 합금이 실용화 되고 있다. 이보 다 방출능력이 낮은(고온을 필요로 한다) 마그네슘계통은 흡수능력이 놓음에 도 불구하고 실용화가 늦어지고 있으나 7wt%를 초과하는 합금도 나왔다.
(라) 탄소나노기술에 의한 저장
탄소나노튜브보다 값이 싼 그라파이트 나노파이버에서 상온에서 10 중량%
까지 수소를 흡장하는 것을 알게 되었다. 이소한 그라파이트가 층상으로 겹 친 구조로 되어 있는 그라파이트파이버는 수소가 층간에 저장되어 100리터 의 탱크에 충전하면 적어도 5kg의 수소를 저장할 수 있다고 한다. 또한 미국 에너지부는 Hydrogen Project에서 탄소나노튜브를 사용하여 수소 저장능력 이 6%가 되도록하는 연구를 전개하고 있으며, 독일정부도 이 기술의 연구개 발을 조성하고 있다. 연료전지에 탑재하여 주행하는 데에는 아직 시간이 걸 릴 것으로 전망된다.
기 모터를 구동시키는 방식의 미래형 자동차를 일컫는다. 연료전지는 산소와 수소를 혼합하여 전기를 발생시키는 원리를 채택하고 있는데, 산소와 수소를 발생시키는 방법은 크게 2가지로 구분할 수 있다.
첫 번째는 공기로부터 산소를 얻고, 메탄올이나 천연가스를 활용하여 셀 (cell)에서 수소를 발생시키는 방식으로 현재 기술을 개발 중이나 상용화에는 이르지 못하고 있으며, 또 다른 방법으로는 수소를 셀에 직접 주입하는 방식 으로 최근 시험운행중인 차량들은 동 방식을 채택하고 있다.
연료전지 차량의 주요 구성 단품은 전기를 발생시키는 연료전지 스택과, 연료 공급계, 열 및 물관리계, 제어 및 전력 변환 시스템 등으로 크게 세분 화 될 수 있다. 연료전지 스택은 전기를 발생시키는 각각의 셀을 적층하여 고단위 출력을 발생시키는 역할을 한다. 연료공급계는 반응가스인 수소와 공 기를 공급하는 역할을 담당하며 수소 재순환 시스템의 경우 재순환 장치를 포함하기도 한다. 열 및 물 관리계는 연료전지 스택 운전 중 발생하는 열을 효과적으로 제거하거나 또는 냉시동 같은 경우 연료전지 시스템에 순간 열 부하를 공급하여 전체시스템을 운전조건에 빨리 도달하도록 설계되어진다.
또한 연료전지의 최종 부산물은 순수 수소를 사용하는 경우 전기와 동시에 물을 생산하는데 이때 발생하는 물을 효과적으로 시스템 밖으로 추출하거나 또는 반응가스를 가습하는데 이러한 작업을 수행한다. 마지막으로 제어 및 전력 변환 시스템의 경우는 연료전지의 성능을 최대한 활용하기 위해서 동 력분배 특성을 제어하고, 연료전지에서 생성된 직류 전원을 교류로 전환하여 구동장치에 전달하는 역할을 담당하는 분야이다.
연료전지 차량의 동력시스템 구성 및 특징은 크게 세 가지로 구분할 수 있 다. 순수 수소 연료전지 자동차의 경우 2차 동력원의 도움 없이 연료전지만 으로 모든 차량 요구 출력을 만족시켜야 한다. 일반적으로 연료전지의 효율 특성 곡선을 살펴보면 저출력 영역에서 연료전지 효율은 극대화 될 수 있으 나, 고출력 영역으로 갈수록 전기적 출력에 비해 상대적으로 열적 발열량의 비율이 높아진다. 따라서 연료전지의 자동차 응용의 경우 전기 생산에 중점 을 두어 2차전지를 수반하여 전기효율의 극대화를 추구하는 방향으로 연료 전지 차량을 개발하고 있다.
연료개질형 하이브리드의 경우 연료전지 차량의 초기 시장 진입단계에서
연료인 수소 충전시설의 미비점을 보완하고 기존 연료인 휘발유나 메탄올을 사용하고자 하는 목적에서 초점을 두고 개발되어 왔다. 하지만 다른 시스템 구성단위에 비해 연료변환기의 부하 추종성이 더디고 또한 시동초기에 이 부분을 활성화하는데 많은 양의 에너지가 필요하며 또한 시동시간이 길어진 다는 약점을 가지고 있다.
앞의 두 가지 형태의 연료전지 차량의 문제점을 해결하기 위하여 고안된 대체 연료전지 시스템이 순수 수소 하이브리드형 연료전지 시스템이다. 2차 전지를 수반하여 연료전지 활용시의 효율성을 높일 수 있고 또한 상대적으 로 부하 추종성/응답성이 획기적으로 향상되었다. 하지만 순수 수소 저장에 대한 안전성 문제가 제기될 수 있으나 이는 기술적으로 해결할 수 있는 문 제라는 공감대가 형성되어 있고 또한 이 분야에서 획기적인 기술적 진보가 이루어지고 있다.
한편, 연료전지 자동차에 사용되는 연료로는 수소 이외에도 개질에 의해 전환될 수 있는 메탄올, 휘발유 등이 있다. 수소는 저장방법, 인프라 구축이 문제가 되며 메탄올의 경우 필요한 개질기 및 메탄올 인프라의 구축이 필요 하다. 그러나 기존의 휘발유를 사용 시 개질기가 필요하지만 기존의 휘발유 인프라를 그대로 이용할 수 있는 이점이 있다. 자동차에 사용되는 연료전지 스택에서의 수소량은 자동차의 출력에 영향을 주기 때문에 개질기의 응답성 이 민감해야 하고 전환율이 완벽해야 한다.
또한 연료극 촉매의 피독을 방지하기 위해서 스택으로 유입되는 일산화탄 소 농도가 10ppm 이하로 유지되어야 하는 여러 가지 제약조건이 있다. 직접 메탄올 연료전지를 사용하는 경우에는 개질기가 필요 없으나 메탄올 산화 반응 시 생성되는 일산화탄소에 의한 전극촉매의 피독 현상 및 전해질막 투 과 현상을 원인으로 성능이 저하된다. 연료를 저장하는 데 있어서 기체수소 는 수소저장합금에 저장하며 액체수소의 경우 극저온 냉각실린더에 저장하 며, 메탄올이나 휘발유의 경우에는 기존의 연료탱크를 사용할 수 있다.
운전으로 연결시킴으로써 연료전지의 단점을 보완하도록 하고 있다.
3. 연료전지 자동차용 연료전지
연료전지자동차는 연료전지 종류, 사용하는 연료, 연료 개질방법, 연료 저 장방법, 보조 동력원의 종류 등에 따라 여러 가지 형태로 개발되고 있다. 연 료전지로는 고분자전해질 연료전지(PEMFC), 인산 연료전지(PAFC), 알칼리 연료전지(AFC), 직접메탄올 연료전지(DMFC) 등이 있지만 고분자전해질 연 료전지가 출력밀도, 상온작동성, 내충격성, 수명 등이 다른 연료전지에 비해 우수하기 때문에 현재 가장 많은 주목을 받고 있다. 즉, 고분자전해질 연료 전지는 효율이 높고 전류밀도 및 출력밀도가 크며 시동시간이 짧은 동시에 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 특성이 있다.
특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 부식 및 전해질 조절이 필요 없고, 기존의 확립된 기술인 메탄올 개질기의 적용이 가능하며, 반응기체 압력변화 에도 덜 민감하다. 또한 디자인이 간단하고 제작이 쉬우며 연료전지 본체재 료로 여러 가지를 사용할 수 있는 동시에, 부피와 무게도 작동원리가 같은 인산 연료전지에 비해 작다. 이러한 특성이외에도 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있기 때문에 고분자전해질 연료전지는 무공해자동차의 동력 원 이외에도 현지 설치형 발전, 우주선용 전원, 이동용 전원, 군사용 전원 등 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다. 다음 표는 연료전지자동차에 적용된 실 적이 있는 연료전지의 특성을 나타낸 것이다.
구 분 PEMFC PAFC AFC DMFC
출력밀도 ◎ × ◎ ×
상온작동성 ◎ △ ◎ ○
내충격성 ◎ △ △ ◎
수명 ◎ △ ○ ×
연료공급용이성 ○ ○ × ◎
가격 ○ × ◎ ×
적용건수 17 3 4 2
<표 3-1> 자동차용 연료전지의 특성
자료 : 연료전지자동차
연료전지자동차에 사용되는 연료로는 수소 이외에도 개질에 의해 수소로 전환될 수 있는 메탄올, 휘발유 등이 있다. 수소는 기체수소, 액체수소가 가 능하지만 저장방법, 인프라 구축이 문제가 되며 메탄올의 경우 200℃의 가열 이 필요한 개질기 및 메탄올 인프라의 구축이 요구된다. 휘발유의 경우 100 0℃ 정도에서 작동하는 개질기가 필요하나 기존의 휘발유 인프라를 그대로 이용할 수 있는 이점이 있다. 이러한 개질 방법에는 수증기개질, 부분산화개 질, 그리고 이를 복합한 자열개질(autothermal reforming)이 있다.
자동차에 사용되는 연료전지 스택에서의 수소 소모량은 출력변화에 따라 변화되기 때문에 연료전지 자동차용 개질기는 출발 및 순간 응답특성이 좋 아야 하고 넓은 전환속도 범위에서 효율적으로 운전되며 완벽한 전환율을 얻을 수 있어야 한다. 또한 연료극 촉매의 피독을 방지하기 위해 연료전지 스택으로 유입되는 반응기체 속의 일산화탄소 농도는 10ppm 이하로 유지되 어야 하며, 환경문제를 야기시키지 않도록 배기가스는 공해물질이 거의 완전 히 제거된 상태로 공기중에 배출되어야 한다.
고분자전해질 연료전지 대신 직접메탄올 연료전지를 사용하는 경우에는 메 탄올을 연료전지에 직접 공급하게 되어 개질기가 필요 없으나 메탄올 산화 반응시 생성되는 일산화탄소 중간체에 의한 전극촉매의 피독현상, 메탄올의 전해질 막 투과현상 때문에 전지성능이 저하되는 문제가 있다.
연료저장 방법에 있어서는 기체수소의 경우 기체실린더나 수소저장합금에 의해 저장하며 액체수소의 경우 극저온 냉각실린더에서 저장한다. 메탄올이 나 휘발유의 경우에는 기존의 연료탱크를 사용한다. 다음 표는 연료의 저장, 공급방법에 대한 특징을 요약한 것이다.
구 분 실린더 수소저장합금 개질기
연료공급의 응답성 ◎ ◎ △
배출물 ◎ ◎ ×
연료적재량의 중량밀도 △ × ◎
연료적재량의 부피밀도 × ○ ◎
연료보충의 용이성 × △ ◎
연료저장의 안정성 × △ ◎
가격 ◎ ○ △
적용건수 12 3 8
<표 3-2> 연료공급방법
자료 : 연료전지자동차
한편 시스템을 간략하게 하기 위하여 연료전지만을 단독으로 사용하는 방 식은 초기 가속이나 등판에 요구되는 고출력을 담당하는데 문제가 있고 에 너지를 회수할 수 없으며 따라서 연료전지 외에 다른 보조 동력원을 병행하 여 사용하는 하이브리드 방식이 개발의 주종을 이루고 있다. 하이브리드 방 식은 고출력이 요구될 때는 이차전지, ultracapacitor, 플라이휠 등의 보조동 력원을 사용하게 되며 여유 에너지를 회수할 수 있어 에너지 효율을 향상시 킬 수 있다. 특히 연료전지/2차전지 하이브리드 자동차는 연료전지 및 이차 전지의 장점을 이용하는 시스템으로 연료전지는 기저부하를 담당케 하여 정 속부하를 공급하고, 이차전지는 시동 및 가속시 피크출력을 담당하게 함으로 써 별도의 충전 없이 운전이 가능하다는 장점이 있다. 이 경우 연료전지는 연속운전됨으로 이차전지에서 소모된 에너지를 충전시킬 수 있으며 이차전 지 문제점중의 하나인 과방전 우려 및 사이클 수명 문제도 해결할 수 있다.
4. 연료전지 자동차의 특징
가. 특징
연료전지 자동차의 가장 큰 장점은 친환경적인 특성일 것이다. 연료전지 자동차는 저온에서 작동하기 때문에 NOx를 거의 발생하지 않는 저공해 자 동차이다. 수소나 메탄올을 사용할 경우 연료전지는 오염물질을 전혀, 혹은
거의 발생하지 않는다. 연료전지 자동차의 개질 시스템을 가정하더라도 개질 시스템 자체의 온도도 1,000℃ 이하로 그다지 높지 않기 때문에 PM, NOx 등의 오염 물질은 거의 발생하지 않는다.
연료전지의 친환경적인 특성보다 근본적인 장점은 높은 효율이다. 현재 개 발되고 있는 연료전지 자동차들은 이미 내연기관의 약 2배 정도 되는 높은 효율을 보이고 있다. 더불어 내연기관과 Well to Wheel Efficiency를 비교해 보았을 때도 같은 HV 여부일 때 연료전지 자동차의 효율이 더 높다. 연료전 지 자동차 기술은 현재 발전 중이라는 것을 감안하여 목표치를 살펴보면 FCHV의 Well to Wheel Efficiency는 약 42%로 현재 가장 효율이 높은 Diesel HV에 비해 15% 이상 높다. 이는 기존 화석연료를 사용하는데 있어서 도 연료전지가 매우 효과적 수 있는 가능성을 잘 보여준다.
천연가스를 메탄올로 변환한 뒤 이를 개질기를 통하여 수소를 발생하여 연 료전지 자동차에 공급하는 방법과 천연가스를 직접 개질하여 연료전지 자동 차에 공급하는 방법의 경우, 두 경우 모두 효율이 20% 이상으로 천연가스의 저렴한 가격을 고려했을 때 자동차용으로 사용될 석유의 대체에너지원으로 서 충분히 가능성을 가지고 있다.
연료전지 자동차의 경우 석유의 처리 취 개질과 연료전지 뒤의 전기에너지 를 역학적 에너지로 변환하는 과정이 필요하나 전체 효율은 가솔린 내연기 관에 비해 최고 두 배 이상 크다. 이렇듯 연료전지 자동차의 경우 기존 내연 기관에 비해 높은 효율이 가능하다. 높은 효율은 화석연료의 절약과 이산화 탄소 배출량의 감소를 가져오므로 연료전지는 대체에너지 이전의 과도기에 서도 중요한 역할을 할 수 있을 것이다.
연료전지 자동차는 연료전지의 높은 효율과 환경에의 이점 이외에도 성능 저하 없이 전기자동차의 편안함과 편리함을 가지고 있다. 연료전지 자동차의 전기적 동력시스템은 속도 0에서부터 일반 주행속도까지 최고 토크를 낼 수 있게 해준다. 이는 하나의 속도를 갖는 기어박스의 사용을 가능하게 해주고
큰 특징은 조용하다는 것이다. 유일한 소음발생가능 기구는 공기를 압축시키 는데 사용하는 공기 압축기뿐이다.
연료전지 스택과 연료개질 모듈은 여러 출력 레벨을 같은 Unit을 여러 개 병렬로 연결함으로써 간단히 가능하게 해준다. 이는 개별적 디자인의 필요성 을 줄여주고 큰 하나의 블록보다는 작은 Unit들을 제공한다. 심지어 모터도 두 개 혹은 각 바퀴에 한 개씩 할당하여 4개로 나누어질 수 있다. 이런 모듈 화 디자인 개념은 생산의 효율을 높이고 유지보수를 더욱 수월하게 할 것이 다. 또한 자동차 구조의 융통성이 늘어나 다양한 개개인의 취향, 욕구에 맞 도록 자동차를 구성하는 것도 가능해질 것이다.
나. 전기자동차와 연료전지자동차 비교
연료전지 자동차도 일종의 대체에너지를 이용한 전기자동차이지만 축전지 구동 전기자동차와 구분하기 위하여 축전지 구동 자동차를 전기자동차로 기 술하여 연료전지 자동차와 구분한다. 연료전지 자동차와 비교할 수 있는 대 상은 축전지 구동 전기자동차이다. 전기자동차로부터 직접 배출되는 매연의 수준은 연료전지 자동차에 비해 매우 낮다. 전기자동차에 대한 주요 공해원 은 축전지를 충전하는데 필요한 전기를 생산하기 위해 생기는 발전소에서의 공해이다. 따라서 충전을 위한 전력을 무공해 발전 방식인 태양광, 풍력 그 리고 수력을 이용한 발전을 하였을 경우에만 전기자동차의 공해량이 연료전 지 자동차의 공해량보다 낮은 수준이 된다.
이와 같이 전지자동차의 실용화는 전세계적으로 그 필요성이 인정되어 있 지만 지금까지는 기술개발, 표준화, 시험안, 국가지원, 인프라 연구 등 여러 가지 전기자동차 관련분야 중에서 오직 기술개발만을 목적으로 모든 연구가 진행되어 왔었다. 그러나 차량이 양산체제에 돌입하고 시판까지 이르기 위해 서는 개발품에 대한 성능의 객관적인 평가가 무엇보다 필요하고 이는 개발 자뿐만 아니라 소비자들에게도 중요한 것이다.
연료전지 자동차는 전기 자동차와 거의 특성이 비슷하여 구동 방법상 근본 적인 차이는 없다. 다만 구동원을 위한 에너지원으로써 연료전지 자동차는 순수 수소 혹은 개질 수소를 사용하여 발생하는 전력을 사용하고, 전기자동
차는 보통 발전소에서 공급하는 전력을 사용한다는 점이다.
구 분 전기자동차 연료전지자동차
구동방법 전동기 전동기
동력원 발전소 공급전력 순수수소 또는 개질수소에
의한 자체 전원 환경오염 문제 화력발전소의 유해가스 및
다량의 축전지 사용 개질과정에서 극소량 발생 공해정도 가솔린 차량보다 심각 진정한 무공해 차
<표 3-3>전기자동차와 연료전지자동차 비교
자료 : 연료전기자동차
5. 연료전지 자동차의 개발동향
연료전지 자동차의 상용화를 위한 경쟁이 전 세계적으로 벌어지고 있다.
연료전지 자동차의 상용화를 위한 경쟁은 빠른 기술 개발, 시장 선점과 정부 의 적극적인 참여가 특징이다. 현재 300대의 경량 연료전지 자동차가 제작되 어 전 세계에서 운영 중에 있다.
여러 자동차 업체 중 특히, 토요타, 혼다. GM, 포드, 다임러 크라이슬러, 현대 등이 가장 활발한 활동을 하고 있으며, 연료전지 자동차가 중심이 되는 차세대 자동차 시장의 헤게모니를 놓고 이미 치열한 각축을 벌이고 있다. 이 들 중 일부는 이미 내연기관차에 근접하는 동력 성능목표를 확보하였고, 다 른 업체들도 기술개발에 박차를 가하고 있다.
대부분의 자동차 회사들은 연료전지와 보조전원이 동시에 사용되는 하이브 리드 시스템을 채택하고 있는데, 주행거리 확보, 효율 향상, 그리고 연료전지 스택의 내구성 확보 측면에서 유리하게 작용한다. 차량의 주행거리에 가장 영향을 많이 주는 것은 저장하고 있는 연료의 양이다. 연료전지 자동차에서
동성 확보이다. 스택 운전에 근본적으로 물이 사용되기 때문에 발생하는 문 제인데, 물을 사용하지 않아도 되는 고분자 막을 포함하여 다양한 형태의 개 념이 저온 시동성을 확보하기 위하여 적용될 것으로 판단된다. 최근 혼다에 서 자사의 스택을 적용하여 냉시동성이 확보된 FCX 연료전지 자동차를 발표 하였다.
현재까지 진행된 국내 연료전지 자동차 개발은 대우자동차와 현대자동차 및 한국에너지기술연구원에 의해서 진행되어 왔다. 대우자동차의 경우 2000 년 한국에너지기술연구원과 공동으로 10kW 고분자 연료전지 시스템을 탑재 한 하이브리드 자동차를 선보였으며, 현대자동차의 경우는 25kW급 고분자 연료전지 시스템개발 기술을 보유하고 있다.
2000년을 기점으로 국내 연료전지 연구는 정부의 적극적 지원에 힘입어 자 동차용 연료전지시스템 개발의 일대 전환기를 맞이한다. 현대자동차는 2000 년에 산타페 수소 연료전지 자동차를 개발한 후 2004년 11월에 미국의 UTCFC와 공동으로 80kW급 고분자 연료전지 시스템을 장착한 투산 하이브 리드 연료전지 자동차를 출시하여 미국에서 시험 운행 중이다. 동시기에 한 국에너지기술연구원에서는 독자기술로 제작된 2kW급 공랭식 연료전지 스택 을 이용한 하이브리드 기술개발에 성공하게 된다.
한편, 상대적으로 현재까지 국내에서 연료전지시스템에 의해 구동되는 대 중교통 수단(궤도차량 또는 시내버스)을 개발하기 위한 연구는 없었으며, 대 중교통용 환경친화차량으로는 디젤엔진-전기모터 하이브리드 버스가 연구용 으로 개발되었었고 천연가스 시내버스는 상용화 개발되어 현재 전국 대도시 에서 2,000대 이상 운행되고 있는 실정이다.
이처럼 국내에서는 연료전지 자동차의 실용화를 위해 필수적인 시범 운행 프로그램, 예를 들어 선진국과 같은 연료전지 자동차의 시범운행이나 유상 리스 형태의 프로그램이 아직 수행되지 않았으며, 이벤트 성격의 시승식이 여러 차례 개최되었다. 국내에서는 2010년 시장 창출을 목표로 완성차 회사 뿐만 아니라 부품소재 국산화를 목표로 많은 회사 및 연구기관에서 연구 개 발이 활발히 진행하고 있다.
가. 해외 동향
외국 자동차사에서 개발된 연료전지 자동차는 <표 3-4>과 같은 실증운행을 통하여 시범 운행되고 있다. 현재 운행 중인 각 메이커의대부분의 연료전지 차량들은 최대 출력이 80 ~90kW 수준이며,최대 속도가 150km/h 내외로써 기존 내연기관차량의 수준에 도달해 있지만 항속거리는 300~400 km로써 현 내연기관 차량 수준인 500km 이상으로 확보하기 위한 연구개발을 진행 중에 있다.
미국 CaFCP, DOE Project 유럽
CUTE(Clean Urban Transport for Europe) ECTOS(Ecological City Transport System) CEP(Clean Energy Partnership)
캐나다 VFCVP(Vancouver Fuel Cell Vehicle Program)
일본 JHFC
싱가폴 Sinergy
중국 FCB Demo Project
<표 3-4> 해외의 연료전지 자동차 실증 시범운행 사업
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
1) 일 본
2002년 12월에 도요타와 혼다가 관공서를 대상으로 리스방식을 통해 한정 판매 한 것을 시작으로 이후 리스판매의 확대나 각자동차 메이커가 국토교 통성 장관의 인증 취득을 추진 중이며, 현재 일본 내에서 차량 번호판을 취 득하여 주행하고 있는 연료전지자동차는 총 47대이다.
도요타는 1992년부터 연료전지 사업에 착수하여 1996년에 첫연료전지 차 량을 선보였다. 도요타는 초기부터 연료전지 차량뿐만 아니라 연료전지 스택 을 자체 개발했으며 2002년부터는 미국과 일본 내에 리스 판매를 시작했다.
는 다양한 연료전지 컨셉차량을 세계 모터쇼에서 선보이고 있다. <그림3-6>
에는 최근 도요타가 선보인 FINE-N과 연료전지 스포츠카의 사진이 나타나 있다.
<그림 3-5> 도요타의 FCHV
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
<그림 3-6> 도요타의 연료전지 컨셉 차량 (Concept Car)
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
혼다는 2003년 최초로 영하 20℃에서 시동 가능한 연료전지차량을 개발했 으며 현재 유일하게 슈퍼 커패시터를 장착한 차량을 운행하고 있다. 1999년 에 처음 연료전지 차량을 선보인 혼다는 최근까지 발라드의 스택을 장착하 였으나 2005년부터 자체적으로 개발한 연료전지를 탑재한 차량을 리스 판매 하고 있다. 혼다는 특히 연료전지 요소 부품 업체들과의 공동 개발을 통해 금속 분판 및 고온 이온 교환막을 개발하여 차량뿐만 아니라 연료전지 스택
기술에 있어서도 세계 최고의 기술력을 보유하고 있다고 여겨지고 있다.
<그림 3-7> 혼다의 FCX
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
닛산은 1996년부터 기초연구를 시작하였으며 2001년 XTERRA FCV를 미국 CaFCP에서 운행한 적이 있다. 2002년에는 X-Trail FCV를 개발했으며, 2003 년에도 새로운 모델의 Xtrail 연료전지 자동차 개발을 발표했다.
2006년 닛산은 수소 연료전지차 ‘X-트레일(X-Trail)’의 도로주행 테스트와 임대 판매 사업에 대해 일본 국토교통성으로부터 최근 승인을 획득했다고 밝혔으며, X-Trial에 장착된 신형 연료전지는 2003년형 모델보다 크기는 60%
정도 작지만 발전 용량은 90KW로, 40% 이상 증가해 성능이 크게 개선된 것 이며, 또 2003년형 모델의 최고속도는 145km/h였지만 이번 모델의 최고속도 는 150km/h로 향상됐고, 1회 수소 충전 시 주행 거리(항속거리)가 이전 모 델의 350km보다 20Km 이상 늘었다고 발표했다.
닛산은 2006년 승인 받은 X-Trail 외에도 또 다른 모델을 개발중이며 신 개 발 모델은 700기압(70MPa) 고압 수소 실린더와 500km 이상의 항속거리 (2005년 모델의 1.4배)를 갖춘 모델이라고 발표하고 있다.
Daihatus는 2003년에 도요타의 스택을 이용하여 MOVEFCV-K-2 연료전지 차량을 개발한 바 있다. 이 연료전지 자동차는 42kW의 출력을 가지며 120km를 주행거리로 하고 최고 105km/h의 속도를 낼 수 있다.
<그림 3-8> 닛산의 X-Trail
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
<그림 3-9> Daihatus의 MOVE FCV-K-2
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
2) 미국 및 유럽
지엠(GM)은 1997년 신트라 (Sintra)를 시작으로 연료전지 자동차 개발에 착수했다. <그림 3-10>은 하이드로겐 3의 사진과 제원이다. 지엠은 일찍부터 매우 공격적으로 자신들의 연료 전지 차에 신기술을 적용하고 있으며 일례 로 하이드로겐 3은 수소저장 방식으로 액체 수소를 사용하고 있다. 액체 수 소는 적은 부피에 많은 양의수소를 저장할 수 있다는 장점이 있으나 액체 수소의 온도를 유지하기 위해 계속적으로 수소를 추기시켜야 한다는 단점이 있다. 수소 누출에 대한 우려가 많은 현재의 상황에서는 차량용으로 실용화 하기에 어려운 면이 있다. 지엠은 액체 수소 뿐만 아니라 최초로 700기압 압 축 수소 저장 기술을 확보하였다. 무엇보다 지엠은 연료전지 전용 차체에 대 한 연구를 꾸준히 진행하여 스케이트보드 형식의 차체를 가진 Hy-와이어 (Hy-Wire)라는 연료전지 차를 2002년에 선보였으며 2005년에는 시퀄(Sequel) 이라는 연료전지 SUV를 발표했다.
<그림 3-10> 지엠의 하이드로젠3
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
<그림 3-11>에 보이는 지엠의 신형 연료전지 자동차인 시퀄은 연료전지 전 용으로 개발된 차량으로 스케이드 보드위에 각종 연료전지 부품을 장착할 수 있도록 설계됐으며, 차량의 냉각 성능 개선을 위해서 스택용 냉각 모듈, 전기장치용 냉각 모듈, 에어컨 콘덴서를 각각 다른 위치에 장착하였다. 이러 한 냉각 모듈은 냉각 성능을 향상시키기 위해 차량 전면부와 후면부에 공기 흡입구를 설치하는 연료전지 전용 차체의 모습으로 완성됐다.
<그림 3-11> 지엠의 시퀄(SEQUEL)
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
버스도 유럽 각지에서 운행하고 있다. 오랜 시범 운행 경험을 바탕으로 연료 전지 차량의 양산에 가장 근접할 수 있는 안정된 기술력을 보유하고 있다고 판단된다.
<그림 3-12> 다임러 크라이슬러의 F-12(2002)
자료 : 친환경 연료전지 자동차의 기술 동향 및 전망
다임러 크라이슬러의 A급(A-Class)은 초기 단계에서부터 연료전지 차의 탑재를 염두에 두고 개발된 듯하다. 차량의 바닥이 이중 프레임으로 설계되 어 있어 연료전지 스택 및 운전 장치가 장착되기 적합한 구조로 설계되어 있다. A급이 개발된 직후 이중 프레임 구조로 인해 차량 무게 중심이 높아 급격한 방향 전환 시 차량이 뒤집어지는 문제점이 있기도 했으나 그 당시 이미 연료전지 시스템의 장착을 고려한 설계를 했다고 알려졌다. <그림 3-12>에는 A급에 연료전지 시스템을 탑재한 F-셀의 사진과 제원이 나타나 있다
나. 국내 동향
국내에서는 1998년 국가 G7 사업 및 차세대 자동차 개발 사업을 바탕으로 연료전지 자동차가 개발되기 시작했다. G7 사업을 통하여 현대자동차와 한 국과학기술원은 1999년과 2001년에 각각 10kW급과 25kW급 스택을 개발하 여 스포티지 연료전지 하이브리드 차와 싼타페 연료전지 하이브리드 차를 개발 및 시연했다.
이후로 현대-기아자동차는 국내 유수 연구소와의 요소기술개발을 통한 독
자기술력을 확보함과 아울러 미국 IFC사(현 UTCFC)와의 공동개발을 수행했 으며, 그 결과 2000년 11월 75kW급 스택을 장착한 싼타페 연료전지차를 개 발했다. 또한 저온 시동성이 개선된 투싼 연료전지 자동차를 2004년 개발했 고, 2005년에는 스포티지 연료전지 자동차를 선보였다.
현대-기아자동차에서 개발하고 있는 투싼 및 스포티지 연료전지 자동차는 2004년부터 2009년까지 미국에 32대가 투입되어 미국 에너지성의 시범운행 에 참여고 있다. 사업 참여 목적은 시범운행사업을 통한 연료전지 자동차의 실용화 가능성을 검증하고 기술개발 방향 및 전략을 수립하며, 연료전지 자 동차 및 수소생산․공급․충전 설비관련 기술 표준화 작업에 참여하는 것이 다.
현대-기아자동차는 2010~2019년에는 소량 생산 단계로 연간 10만대 규모의 생산체제를 구축할 예정이며, 2020년 이후 부터는 연료전지 자동차 양산을 통해 국내외 시장에 본격적으로 보급할 예정이다.
제4장 연료전지 자동차의 시장성 분석
1. 시장동향 및 전망
가. 세계시장
2005년 현재 연료전지 자동차의 판매는 연료전지 자동차의 상품성, 수소 인프라와의 연계성 등을 평가하고, 실용화를 위한 법규 및 표준을 제정하기 위한, 정부지원하의 시범운행 차량 리스 형태로 이루어지고 있다. 세계의 자 동차 회사들은 2015년 이후 본격적인 연료전지 자동차 시장이 형성될 것으 로 예상하고 이에 대비하여 2010년까지 양산 기술 확보를 목표로 연구 개발 을 추진하고 있다.
시장의 전개는 2004년을 전후하여 1천대 규모로 시범 운행용 소량 생산이 시작되어, 2010년이 되어야 약 40만대 규모의 시장이 형성되고, 이때부터 시 장 증가가 급속도로 이루어져 2015년경에는 약 172만대 규모까지 시장이 성 장할 것으로 전망된다. 즉, 수송용 연료전지의 본격적인 시장형성은 2015년 경일 것으로 예상되나, 완성차 개발을 지원하기 위한 소재 및 부품 시장은 이미 형성되어 성장 중이며, MEA, 분리판 등 전 부품에 걸쳐 전문회사를 중 심으로 본격적인 시장 경쟁이 예상된다.
세계 수송용 연료전지의 시장규모는 2010년 50.58억달러, 2015년에는 149.23억달러에 도달할 전망이다. 세계 수송용 연료전지 시장의 2010년까지 의 연평균 성장률은 50.2%, 2015년까지의 연평균 성장률은 37.7%로 일본 수 송용 연료전지 시장의 연평균 성장률 보다 다소 낮게 성장할 것으로 전망된 다.
<그림 4-1 >세계 자동차 연료전지의 수요 예측
자료 : “2005년 Mentor 기술사업기회 분석연구 시리즈 ; 연료전지”, Mentor, 한국과학기술정보연구원, 2006.
나. 국내시장
국내 수송용 연료전지의 시장은 자동차 회사의 연구개발 노력과 함께, 수 소 충전소의 조기 설치와 정부의 보조금 지원 등정부의 정책적인 지원 의지 에 따라, 전개 방향이 크게 달라질 것으로 전망된다. 현재 정부에서 지원하 고 있는 연료전지 연구개발 일정이 계획대로 추진되어 2009년까지 마무리된 다면 2010년에는 국산화를 위한 기반이 마련되고, 2020년경에는 연료전지 시 스템의 양산(연 5만대 이상)이 가능할 전망이다.
2005년 출시된 국내 수송용 연료전지는 5대로, 현재까지의 연구성과를 집 대성해 출시하는 수준이다. 국내 연료전지의 보급대수는 정부의 시범사업 등
따라 민감하게 변할 것으로 예측된다. 연료전지 자동차의 보급이 활성화되어 연간 5만대이상 보급되어야 연료전지 시스템의 평균단가가 1,500만원~2,000 만원 정도로 하락하여, 일반 소비자들이 연료전지 자동차를 구입할 수 있을 것이므로, 연료전지 자동차의 보급이 활성화 될 때까지는 정부의 보조금 지 원 등에 의해 공공기관이나 지자체에서 적극적으로 무공해 자동차인 연료전 지자동차를 채용하여야 할 것이다. 즉, 석유자원 고갈 등에 대비하고 친환경 적인 연료전지자동차의 상용화를 앞당기기 위해서는 정부의 적극적인 지원 이 수반되어야 할 것으로 예상된다.
<그림 4-2>국내 자동차 연료전지의 수요 예측
자료 : “2005년 Mentor 기술사업기회 분석연구 시리즈 ; 연료전지”, Mentor, 한국과학기술정보연구원, 2006.
관련 업계 전문가의 자문을 토대로 조사한 결과, 2004년 현대자동차에서 채택한 연료전지 시스템14)의 대당 평균가격은 5억 2천만원 정도로 추정되 며, 정부의 계획대로 연료전지 자동차가 보급될 경우 연료전지 시스템의 가 격은 2010년 3억7천만 원, 2015년 1억 2천만원이 될 것으로 전망된다.
연료전지의 개발 역사는 오래되었지만 이를 사용한 자동차, 버스, 항공기 등의 교통수단을 위한 본격적인 개발은 약 10년 정도가 된 것으로 볼 수 있 다. 이 중에서도 가장 주목을 받고 있는 연료전지 자동차 분야는 거의 모든
업체에서 상용화 시점에 대해 2010년을 목표로 하고 있다. 그리고 2020년에 는 본격적인 연료전지 자동차의 운용이 시작되고 수소 기반 사회가 출발할 것으로 보인다.
국내 자동차용 연료전지 시스템 시장은 자동차 회사의 연구개발 노력과 함 께, 수소 충전소의 조기 설치와 정부의 보조금 지원 등 정부의 정책적인 지 원 의지에 따라, 전개 방향이 크게 달라질 것으로 전망된다. 현재 정부에서 지원하고 있는 연료전지 연구개발 일정이 계획대로 추진되어 2009년까지 마 무리된다면 2010년에는 국산화를 위한 기반이 마련되고, 2020년경에는 연료 전지 시스템의 양산(연 3만대 정도)이 가능할 것으로 전망된다.
국내 자동차용 연료전지 시스템의 수요는 자동차 회사의 연구개발 노력과 함께 정부의 정책적 의지가 강하게 작용할 것으로 예상된다. 국내 승용차에 는 80KW급 연료전지 스택이 사용되고 버스에는 200KW급 연료전지 스택이 사용될 전망이다. 국내 자동차용 연료전지 시스템의 수요는 2004년부터 2010 년까지 74.7%, 2015년까지 59.5% 성장할 것으로 전망된다. 국내 자동차용 연 료전지 시스템의 2010년 시장규모는 592억 원, 2015년 시장규모는 3,540억 원에 도달할 전망이다
2. 시장환경분석
가. 수요자 측면
1) Drivers
최근 석유자원의 고갈과 개발도상국의 급격한 산업화로 인한 원유 수급의
에너지인 수소를 연료로사용하여 공해와 온실효과 관련 기체의 방출을 최소 화하고 자동차 연비를 향상시킬 수 있는 고효율, 저소음, 저공해 배출차인 연료전지에 대한 니즈가 증대되고 있다.
2) Restraints
수송용 연료전지의 경우 수소 연료의 폭발 위험성 등 안전성에 대한 불안 이 시장 확대의 저해 요인으로 작용할 수 있다.특히 상업화 초기에 수소 폭 발 등의 사고는 시장의 형성 자체를 위협할 수 있으므로 안전성을 확보하는 것은 소비자 신뢰를 얻는데 있어 매우 중요한 요소이다. 따라서 수소저장 및 운반의 안전성을 확보하기 위해 수소의 생산단계에서부터 운반 및 저장 단 계까지 여러 실증 실험을 통해 안전성을 확보하고 신뢰할 수 있는 국제적인 안전 기준을 확립할 필요가 있다. 또한 연료전지 자동차가 실용화되기 위해 서는 소비자의 자동차 구매 기호가 기존의 디자인이나 가격 보다, 환경과 에 너지 효율이 우선되어야 하며 이를 위해서는 정부와 업체의 지속적인 홍보 가 선행되어야 한다.
나. 환경적 측면
1) Drivers
석유 자원 고갈로 인한 유가 상승은 탈화석 연료사회로 이끌고 있으며, 온 실가스 규제 및 각종 배기가스 규제는 수소연료 전지 사회를 요구하고 있다.
화석연료 사용에 의한 온실가스 방출문제가 글로벌 이슈로 대두되고 있으 며 특히 2005년 교토의정서 발효 이후 화석연료 소비에 대한 국제적 환경규 제가 더욱 강화될 전망이다. 이에 따라 자동차의 배기가스 규제도 강화되어 깨끗한 차의 개발이 자동차 업계의 생존 화두로 등장하고 있다. 특히 캘리포 니아에서는 2012년부터 연 6만대 이상의 자동차 생산업체의 경우 반드시 2%
이상의 ZERO-EMISSION CAR를 판매해야하는 의무 판매규정이 제정되었는 데 이는 연료전지차의 도입을 이끄는 성장요인으로 작용할 전망이다.
