연료전지 전기자동차

연료전지 전기자동차(Fuel Cell Electric Vehicle)는 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 친환경차를 말한다. 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염 물질을 배출하지 않는다. 차 내부에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크 등이 탑재돼 있다. 수소전기차 혹은 FCEV라고도 한다.

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개요

연료전지 전기자동차는 기존 가솔린 내연기관 대신 연료전지를 이용한 차세대 친환경차를 말한다. 친환경이라고 하는 것은 수소와 산소가 결합해 에너지를 만든 후 이산화탄소 등의 탄화수소물이 아닌 물이 배출되기 때문이다. 연료전지 전기자동차는 수소 공급 방식에 따라 다시 두 가지로 나뉘는데, 이 방식은 압축수소탱크 또는 액체수소탱크를 이용해 수소를 공급하는 방식과 메탄올을 분해하여 수소를 공급하는 방식이 있다. 압축수소탱크 혹은 액체수소탱크를 이용하여 수소를 공급하는 방식은 운행할 때 발생하는 것은 물뿐이라 완전 무공해이다. 다만 탱크 탑재로 인한 차량 부피 증대, 수소의 불안정성, 수소 공급 인프라 구축의 어려움 등이 단점이다. 메탄올을 분해하여 수소를 만들어 공급하는 방식은 메탄올을 분해할 때 일산화탄소, 질소산화물 등이 발생하기는 하지만, 기존 화석연료 차량에 비해서는 훨씬 적다. 이 방식은 기존 연료 공급 인프라를 이용할 수 있다는 장점이 있다. 연료전지 전기자동차가 구동 모터, 인버터, 컨버터를 사용하는 것은 전기자동차의 구동 원리와 동일하다. 하지만 전기자동차는 전기를 외부 충전기에서부터 배터리에 충전하여 사용하는 반면, 연료전지 전기자동차는 연료전지 시스템으로부터 전기 에너지를 생성한다는 점에서 차이가 있다.

역사

세계 최초로 연료전지 전기자동차를 개발한 회사는 다임러(Daimler AG)로, 1994년 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였다. 제너럴모터스(General Motors)는 2001년 가솔린을 이용한 연료전지를 개발했으며, 2002년 1월 미국 디트로이트에서 열린 '북미 국제모터쇼'에서 연료전지 콘셉트카인 오토노미(AUTOnomy)를 공개해 눈길을 끌었다. 대한민국에서는 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)에서 2001년에 순수 연료전지로 가동되는 싼타페 연료전지 자동차의 시범 주행에 성공했으며, 2002년 9월 미국 캘리포니아 주에서 개최된 '2002 퓨얼셀 로드랠리'에서 다임러, 포드(Ford), 제너럴모터스, 혼다 등 경쟁사 연료전지 자동차와 함께 300마일 연속 주행에 성공했다. 그리고 현대자동차는 2010년 3월 투싼 ix를 제네바모터쇼에서 첫 선을 보인 후 2013년 3월 세계 최초로 수소연료전지 전기자동차 양산에 성공하면서 유럽에 처음으로 수출하였다. 현재 다임러, 포드, 제너럴모터스, 토요타(Toyota), 현대자동차 등 대부분의 자동차 회사들이 연료전지 전기자동차 개발에 투자하고 있으며 시장 선점을 위한 각축전을 벌이고 있다.

원리

연료전지 전기자동차의 원리

연료전지 전기자동차의 핵심인 전기 발생은 수소와 산소가 촉매를 통해 반응하여 생성되는 전기로 모터를 구동시킨다. 즉, 물을 전기분해하면 양(+)극에서 산소가 생성되고 음(-)극에서 수소가 생성되는데, 이것을 반대로 하여 수소를 이용해서 물을 만들면 그 과정에서 전기가 생성된다.

1. 수소탱크로부터 공급된 수소(H₂)는 연료전지 스택(stack)의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온(H⁺)과 전자(e^-)로 분해된다.
2. 분해된 수소이온(H⁺)은 전해질을 통해, 전자(e^-)는 전선을 통해 양극(공기극)으로 이동한다.
3. 외부로부터 공급받은 산소(O₂)와 수소이온(H⁺), 전자(e^-)는 양극에서 화학반응을 통해 물(H₂O)과 열을 발생시킨다.
4. 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출된다.

연료전지 전기자동차에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열·물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압밸브 등이 탑재되어 있다. 이 중 스택은 일반적으로 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학 반응이 일어나 전기가 발생하는 지점이다. 스택의 단위 셀은 막전극접합체(MEA)와 분리막(Separate)으로 구성돼 있다. 이 중 막전극접합체는 수소 이온을 이동시켜주는 고분자 전해질막, 전해질막의 양면에 백금 촉매를 도포하여 구성되는 촉매전극인 양극(Anode)인 공기극과 음극(Cathode)인 연료극으로 나뉜다.

연료전지

연료전지는 작동온도에 따라 저온형과 고온형으로 구분되며 전해질과 사용연료 등에 따라 다양한 형태가 존재한다. 자동차용 연료전지로는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 고체고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 주로 사용한다. 고체고분자 연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 효율이 높고 시동 시간이 짧은 동시에 부하 변화에 대한 응답 특성이 빠른 특징을 가지고 있다. 또한, 다양한 범위의 출력을 낼 수 있는 장점이 있어 무공해 차량의 동력원, 현지설치형 발전, 우주선용 전원 등 다양한 분야에 응용 가능하다. 연료전지의 기본 구조를 보면 고분자전해질막을 중심으로 양극과 음극이 부착되어 있다. 양극에서는 수소의 전기화학적 산화가, 음극에서는 산소의 전기화학적인 환원이 일어나며 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기가 발생된다. 연료전지 스택은 고분자전해질막과 전극, 분리판으로 이루어져 있다. 이중 전해질막과 전극을 일체화시킨 것이 막전극접합체((MEA: Membrane Electrode Assembly)인데, 막전극접합체의 구성과 성능이 연료전지의 핵심이다. 단위전지의 전압은 약 0.6~0.7V로 낮기 때문에 연료전지 스택은 단위전지의 적층(400~500매)을 통해 모터를 구동할 수 있는 전기를 생산한다. 연료전지 시스템은 스택 외에도 수소탱크, 공기압축기, 전력변환기 열 및 물 관리 장치 등으로 구성된다.

• 고분자전해질막(Polymer Electrolyte Membrane) : 고분자막은 양극과 음극 사이에서 수소이온의 전달체 역할을 하는 기본 기능 외에도 연료가 양극에서 음극으로 이동하는 것을 막는, 즉 산소와 수소의 접촉을 막는 역할도 수행한다. 따라서 고분자전해질막은 수소이온 전도성이 높아야 하는 대신, 전자의 전도성은 낮아야 하고 기계적 및 화학적 안정성이 높아야 한다. 연료전지의 효율을 위해서는 고분자막의 수분 함량을 충분히 유지하는 것이 중요한데, 고분자막이 수분을 잃고 건조해지면 수소이온 전도도가 떨어지게 되고, 막의 수축을 유발하여 막과 전극 사이의 저항이 증가하게 된다. 반대로 수분이 너무 많으면 전극에 플루딩(flooding) 현상이 일어나 전극의 반응 속도가 저하된다. 연료전지 전기자동차용 불소계 강화막은 미국 W. L. 고어 & 어소시에이션(W. L. Gore and Associates)가 전 세계 시장을 독점하고 있다. 국내에서는 ㈜코멤텍(Komemtec)과 ㈜시노펙스(Synopex)가 국산화를 위한 국책 기술 개발 과제를 수행하고 있다.

• 전극(Anode/Cathode) : 촉매층과 촉매층(Catalyst layer)을 지지해주는 지지체로 구성되어 있다. 촉매층을 지지해주는 역할 외에도 반응기체를 촉매층으로 확산시켜 주는 기체확산층(GDL) 역할 및 발생한 전류를 분리판으로 이동시켜주는 집전체(Current collector) 역할, 생성된 물이 촉매층 밖으로 유출되게 하는 통로 역할을 수행한다. 따라서 지지체는 수분에 의한 플루딩 현상이 일어나지 않도록 발수 처리 되어야 하고 반응기체가 잘 통과하도록 50~90%의 기공률을 가져야 한다. 촉매 물질로는 수소의 산화 및 산소의 환원 반응에 적합한 백금(Pt)이 사용된다.

• 기체확산층(Gas Diffusion Layer) : 공기를 연료전지 셀에 고르게 확산시켜 주는 장치로, 탄소 소재의 형태로 이루어져 있으며 수소 또는 산소 및 물을 공급하고 배출시키는 역할을 한다. 막전극접합체를 기계적으로 지지하며, 반응기체가 분리판에서 촉매층으로 가는 통로를 제공한다. 촉매층과 분리판을 전기적으로 연결하여 전자가 흐르는 통로를 제공한다. 또한, 생성된 수분이 촉매층으로부터 분리판으로 가는 통로를 제공하며 전기화학 반응에 의해 발생한 열을 분리판으로 전도하여 열을 제거하는 역할을 한다. 언론에 의하면 독일 탄소 소재 기업인 SGL그룹(SGL Group)이 현대자동차와 기체확산층 공급 계약을 체결한 것으로 알려지고 있다.

• 분리판(Separator) : 양극판(bipolar plate)또는 유로판(flow field plate)으로 불리는 분리판은 한쪽 면에는 음극이 다른쪽 면에는 양극이 새겨져 있는 전기전도성 판으로써, 수소와 산소를 공급해주는 통로를 제공하는 동시에 전지운전 중에 생기는 물을 제거해 주는 통로 역할을 한다. 분리판의 재질로는 흑연 또는 금속 비산화성 물질 활용이 사용된다.

• 가스켓(Gasket) : 막전극접합체와 분리판 사이에서 반응 가스인 산소와 수소의 누출을 방지하는 역할을 한다.

• 수소탱크 : 연료전지 전기자동차의 수소 저장 장치이다. 초고압인 700bar 이상을 견디게 설계되어 있으며 내구성과 견고함이 필요하다. 주행 거리 상향 및 차량 설계 자유도 등을 위해 탱크가 작아지면서 차종당 탑재되는 수소탱크의 개수는 증가하고 있다. 국내 기업 중에서는 일진다이아몬드(Iljin Diamond)의 자회사인 일진하이솔루스(Iljin Hysolus)가 수소탱크 제조를 담당하고 있다.

• 주변 장치(Balance of plant) : 연료전지 시스템은 스택과 주변 장치로 나뉘는데, 주변 장치는 스택을 제외한 나머지 구성 부품이다. 스택의 내구성 개선과 효율 향상 못지 않게 주변 장치의 가격 저감과 효율성 제고가 병행되어야 연료전지 시스템을 하드웨어적 관점에서 안정화시킬 수 있다. 스택 외 연료전지 전기자동차의 전용 부품은 수소 공기 공급장치, 열 관리 시스템 및 물관리시스템, 수소 저장 및 제어 부품 등으로 구성되어 있다. 국내 연료전지 전용 부품은 약 165개로 구성되어 있으며, 스택의 고분자전해질막과 기체확산층을 제외한 99% 이상이 국산화되어 있다.

특징

장단점

장점

연료전지 전기자동차는 수소와 산소의 전기 화학 반응에 의해 직접 전기를 얻는 구조이기 때문에 기존 내연기관이 갖는 열역학적인 제한을 받지 않아 자동차의 평균 운전 영역에서 내연기관 자동차 대비 2~3배의 효율을 가지고 있다. 이에 따라 내연기관 수준의 주행 거리가 확보되고 충전 시간도 짧다는 점이 상품성 측면에서의 최대 장점이다. 내연기관 수준의 긴 주행 거리는 자동차 전장화 추세에 따른 전력 소모 증가 및 냉난방 시 배터리 소모 증가로 인해 주행 거리 단축 우려가 큰 전기자동차 대비 가장 큰 장점이다. 환경부 자료에 의하면, 2018년 국내 보조금 지급 대상 전기자동차의 주행 거리가 저온에서 상온 대비 약 30% 감소하는 것으로 나타나고 있기 때문이다.

단점

연료전지 전기자동차의 경우 고유의 영역인 연료전지, 수소탱크, 산소 수소 공급 장치 등이 추가로 필요하기 때문에 전기자동차 대비 필요 부품 수가 증가하고 구조가 복잡해진다. 또한 수소탱크 적재 등에 따른 공간의 제약으로 인해 소형차보다는 상용차에 유리하다. 전기자동차의 경우 배터리 용량이 확대될수록 공차 중량 증가에 따른 효율 감소가 불가피한 반면, 동력 사용량이 많은 상용차의 경우 수소탱크 용량 확대로 대응하는 것이 더 효율적이기 때문이다. 또한 앞으로 해결해야 할 과제로써 수소의 생산, 유통, 재처리 등에 대한 광범위한 인프라 구축이 필요하다. 충전소 구축 비용이 1기당 약 30억 원 수준으로 초기 투자 비용이 높은데, 개질기 등이 포함될 경우 충전소 구축 비용이 더 증가한다. 수소는 도처에 존재하지만 에너지원으로 사용하기 위해서는 추출해야 하기 때문이다.

충전

대표적인 연료전지 전기자동차인 넥쏘를 예를 들면, 수소를 충전하는 시간이 3~5분 정도이며 1회 충전 시 주행 거리가 약 600km 정도 된다. 참고로 연료전지 전기자동차는 수소를 충전할 때 시동을 끈 상태에서만 충전할 수 있다. 수소 누설 발생에 대한 여지를 없애기 위함이다. 수소 충전 가격은 지역별로 차이가 있지만 1kg당 7~8천 원이다. 운반비에 따라 지자체별 가격이 자율적으로 책정되기 때문에 가격이 다르다. 평균 충전가는 1kg당 8천 원이다. 2021년 기준 전국 수소충전소는 42곳이며, 운영 중인 충전소는 38곳이다. 수소충전소는 보급된 차량 수에 비하면 아직 많이 부족한 편이다. 현재 구축된 수소충전소는 충전기 1기로 운영되어 고장 발생 시 충전을 대체할 수 있는 여력이 없어 불편함이 있다. 정부에서는 수소충전소 설치를 지속적으로 확대해서 2022년까지 수소 충전소를 310개까지 늘리겠다는 계획을 발표한 바 있다. 일반 수소충전소를 비롯해 블루, 그린 수소충전소가 더해져 탄탄한 수소 충전망을 갖출 전망이다.

청정성

연료전지 전기자동차는 차량에 저장된 수소와 대기 중의 공기의 결합으로 생성된 전기로 운행이 되는 100% 무공해 차량으로 전기 생성 과정 중 배출하는 것은 순수한 물(H2O)뿐이다. 전기를 만드는 과정에서 대기 중에 있는 초미세 먼지(PM2.5)를 99.9% 이상 제거하는 기능이 있어 '달리는 공기청정기'로 불리기도 한다. 내연기관 차량의 연료탱크 대신 수소를 저장하는 탱크를 탑재한 연료전지 전기자동차는 내연기관 차량과 유사한 수준의 항속 거리뿐만 아니라 수소 충전 시간 또한 내연기관 차량의 주유 시간과 동등한 3~5분이면 충분하다. 또한 연료전지 전기자동차는 전력 계통을 상용 전원 발전기로 활용이 가능하여 차량 외부로 전력을 공급할 수 있다.

안전성

700bar의 고압으로 압축시킨 수소를 저장한 수소탱크는 위험할지도 모른다는 오해를 받고는 한다. 하지만 연료전지 전기자동차에 사용되는 수소는 일반적인 수소분자이다. 삼중수소와 중수소 등이 1억 도의 온도와 수천 기압의 압력 하에서 핵융합 반응을 일으켜야 하는 수소폭탄과는 다르다. 일례로 현대자동차그룹의 연료전지 전기자동차는 수소가 탱크 외부로 새어 나오지 않는 내투과성, 차량 화재 발생 시 탱크가 폭발하지 않는 내화염성, 주행 중 충돌 사고 등에도 탱크가 안전한 내충격성 등 주요 안전 항목 뿐 아니라 국내는 물론 유럽을 넘어 가장 가혹하다는 유엔(UN)의 세계 통합 규격까지 만족시키고 있다.

전기자동차와 차이점

구조

배터리 전기자동차(BEV)와 연료전지 전기자동차 모두 전기자동차에 속한다. 전기자동차는 내연기관 자동차와는 다르게 전기로 모터를 돌려 자동차를 구동한다. 배터리 전기자동차는 배터리 속에 충전된 배터리를 이용해 구동하여 재사용 시 배터리를 충전하는 방식이다. 연료전지 전기자동차는 수소를 사용해 발생시킨 전기로 모터를 구동한다. 연료전지를 배터리 대신 사용한다. 전기가 아닌 수소를 충전한다는 점에서 차이가 있다. 수소자동차의 초기 개발 모델은 수소연료차(Hydrogen Fueled Car)이다. 수소를 직접 태워서 엔진을 구동하는 가솔린이나 디젤과 같은 내연기관 자동차와 비슷한 방식이다. 하지만 이런 방식은 안전성과 안정성, 효율 등 다양한 문제가 있어, 지금의 연료전지 전기자동차의 형태로 발전된 것이다. 연료전지 전기자동차의 가장 큰 특징은 수소탱크와 연료전지이다. 수소탱크는 하이브리드와 플러그인 하이브리드의 연료탱크와 비슷한 역할을 한다. 연료탱크의 연료가 내연기관인 엔진을 통해 동력을 생산한다면, 수소탱크는 연료전지에서 전기 에너지로 바뀌어 모터를 구동한다는 것이 다르다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 직접 전기를 충전하지는 못한다. 외부의 흡입된 공기와 수소탱크의 수소를 화학 반응을 통해 전기와 물로 변환한다. 변환된 전기로 모터를 굴리며, 물은 밖으로 배출된다. 연료전지 전기자동차의 보조배터리도 다른 전기자동차 배터리들과 다른 역할을 한다. 전기자동차의 배터리는 직접적인 동력 구동을 위해 고용량과 고성능의 리튬이온 배터리(LiB)를 사용한다. 연료전지 전기자동차의 보조배터리는 소량의 축전을 위한 것으로 작은 용량이면 충분하다. 이에 슈퍼커패시터 등이 축전지로 사용된다.

성능

연료전지 전기자동차가 주목받고 있는 이유는 배터리 전기자동차의 단점을 극복한 친환경차이기 때문이다. 연료전지 전기자동차는 주행 거리와 충전 시간에서 배터리 전기자동차를 압도한다. 이는 1830년대에 최초로 개발된 배터리 전기자동차가 상용화되기까지 180년이라는 시간이 걸린 이유이기도 하다. 2018년 가장 많이 팔린 전기차인 테슬라의 모델3는 20분간 50KWH의 용량을 급속충전하여 350km의 거리를 달릴 수 있다. 다시 운행하려면 급속충전 시 최소 20분, 완속충전에는 한 시간 이상의 시간이 소요된다. 현대자동차에서 선보인 대표적인 연료전지 전기자동차 넥쏘(Nexo)는 불과 5분만에 6.33kg의 수소를 완충할 뿐 아니라 최대 609km의 주행 거리를 자랑한다. 이 거리는 서울에서 부산을 갔다가 다시 대전까지 올라올 수 있는 거리이다. 반면, 연료전지 전기자동차는 배터리 전기자동차보다 비싼 연료비와 가격, 부족한 인프라가 단점으로 지적된다. 넥쏘의 연료비는 km당 73원, 모델3는 km당 25원이 들어간다. 연료전지 전기자동차의 연료비가 배터리 전기자동차에 비해 3배 정도 비싼 셈이다. 하지만 둘다 km당 93원(1리터당 연비 15km, 1400원 가정) 정도인 내연기관보다는 저렴한 연료비를 자랑한다. 가격을 비교하면, 정부 보조금과 지자체 보조금을 적용했을 때 넥쏘는 3300~3900만 원, 모델3는 2000만 원대로 예상된다. 배터리 전기자동차의 경우에는 모델3 외에도 다양한 대체재가 있으나, 연료전지 전기자동차는 현재 넥쏘 외에 대체재로 사용할 차량이 거의 없다는 단점이 있다. 무엇보다 가장 큰 문제는 인프라다. 현재 배터리 전기자동차를 충전할 전기차 충전소는 전국에 9287곳이다. 전국 주유소 약 1만 2000곳의 약 78%에 이른다. 반면, 연료전지 전기자동차를 충전할 수소충전소는 11곳에 불과하다. 정부가 발표한 '수소경제 활성화 로드맵'에 따르면, 2019년 2월 기준 11곳의 수소충전소를 2040년 1200개까지 확대할 계획이다. 수소융합얼라이언스 추진단에 따르면 수소충전소 1곳을 짓는 비용은 26~31억 원으로 추정된다. 앞으로 3조 원 이상이 더 필요하다는 것이다. 또한, 계획대로 진행되더라도 1200개의 수소충전소는 전체 주유소의 10% 수준밖에 안 된다.

효율

일반적으로 수소는 충전소에서 천연가스를 개질해 만든다. 이 과정에서 이산화탄소가 나온다. 그런데 미국 ‘참여 과학자 모임(US Union of Concerned Scientists)’에 따르면, 이렇게 개질한 수소를 쓰는 연료전지 전기자동차와 천연가스를 태워 만든 전기로 운행하는 배터리 전기자동차는 1km 주행에서 같은 양의 이산화탄소를 배출한다. 수소에너지의 뚜렷한 장점 중 하나는 에너지원인 동시에 에너지 저장 매체로도 활용 가능하다는 점이다. 발전 전력량이 충분한 경우 전기분해로 수소를 만들어 저장할 수 있다. 청정전력이 부족할 때 연료전지 전기자동차는 이를 활용하면 되지만, 배터리 전기자동차는 이산화탄소를 배출하며 만든 전기를 사용해야 한다. 배터리 전기자동차의 제조 공정 또한 무시할 수 없다. 가령 배터리의 원료로 쓸 광물은 채굴에 많은 에너지를 쓴다. 현재 배터리 전기자동차는 이산화탄소 증가량을 줄이는 데 일조하고 있지만, 생산 대수가 늘어날 경우 제조 공정에서 뿜는 이산화탄소가 주행에서 줄인 이산화탄소 배출 양을 압도할 수도 있다. 또한, 배터리 셀 제조는 복잡하고 은밀하다. 이 과정에서 나오는 이산화탄소 양은 누구도 정확한 수치를 제시할 수 없다.

연료전지 전기자동차와 전기자동차 비교

구분	연료전지 전기자동차	배터리 전기자동차
동력	연료전지(원료는 수소)	전기
장점	긴 주행 거리 짧은 충전 시간	충전 인프라(빠른 상용화) 상대적으로 낮은 차량 가격
단점	충전 인프라 부족(인프라 구축 비용) 고가의 차량 가격	긴 충전 시간(20~30분) 비교적 짧은 주행 거리

한계

연료전지 전기자동차는 평균적인 내연기관 대비 지역에 따라 구매비가 1.6배 이상 비싸고 연료비가 최대 3배 이상인 반면, 배터리 전기자동차는 전 세계 시장에서 내연기관 차량과 동등한 총소유비용(TCO)에 도달했다. 연료전지 전기자동차는 높은 전력과 에너지 하베스팅을 위해 리튬이온 배터리에 의존하면서 비용이 증가했으며 연료전지는 움직이는 부품을 가지고 있어 유지관리 비용이 배터리 전기자동차보다 더 높다. 배터리는 10년 동안 100만 마일(160만 km)의 수명과 2~4C 충전으로 1,000마일(1,600 km)의 주행 거리를 향해 가고 있으며, 연료전지 전기자동차 가격이 저렴해질 즈음이면 배터리 값은 배터리 전기자동차 보급량에 따라 더욱 내려갈 것으로 예상된다. 그 외 수소를 이용한 마일 당 주행에 있어 연료전지 전기자동차는 열 손실로 효율성이 60%여서 더 많은 에너지가 들고, 청정 수소 생산을 위해 그리드에서 전기를 사용한다는 것 등이 연료전지 전기자동차의 약점이다. 연료전지 전기자동차의 일반적인 강점 중 하나는 배터리 전기자동차보다 더 긴 순수 전기 주행 거리를 제공할 수 있다는 점이다. 그러나 이것은 리튬이온 배터리에 대한 혁신과 연구 속도로 갈수록 약화되고 있다. 예를 들어, 연료전지 전기자동차 상위 3개 모델은 주행 거리 300마일의 토요타 미라이, 413마일의 현대자동차 넥쏘, 316마일의 혼다 클래리티(Clarity) 등이다. 하지만, 2020년 초 테슬라(Tesla)는 루시드 모터스(Lucid Motors)와의 경쟁 속에서 주행 거리 400마일의 모델S(EPA)를 공개했고, 루시드는 EPA 500마일 이상의 최초 배터리 전기자동차 루시드 에어(Lucid Air) 세단을 2021년 초 판매하겠다고 발표했다. 배터리 전기자동차는 주행 거리, 주행 불안, 충전 인프라 등 보급의 주요 이슈를 극복해 가고 있다. 이는 연료전지 전기자동차 역시 마찬가지이지만, 현재로서는 배터리 전기자동차가 차량의 광범위한 보급, 공유 이동성을 위한 무선충전까지 논의되기 시작한 상황에 충분한 충전 인프라 조차 마련하지 못하고 있는 상황이다. 게다가 수소충전소는 배터리 전기자동차를 위한 급속충전기보다 훨씬 높은 전개 비용이 요구되고, 위험시설로 기피되고 있다.

전망

유럽, 일본, 중국 등 주요국과 국내는 새로운 에너지 경제 패러다임으로 수소경제 정책을 적극적으로 펼치고 있으며, 이와 연계되어 수소 연료전지 전기자동차 및 수소 충전 인프라 보급 목표를 화갣하고 있다. 미국, 독일, 영국, 프랑스, 중국, 일본 국내 수소 연료전지 전기자동차 누적 보급 대수만 약 760만 대에 달하고 있다. 특히 온실가스 감축에 가장 적극적이고 내연기관 자동차 생산 중단을 계획하고 있는 유럽 국가들이 가장 공격적인 목표치를 제시하고 있는데, 독일은 2030년까지 180만 대, 영국은 160만 대, 프랑스는 80만 대의 연료전지 전기자동차 보급 목표를 가지고 있다. 중국은 100만 대, 일본은 80만 대이며, 국내는 2040년까지 누적 290만 대의 목표를 가지고 있다. 그러나 수소 및 수소 연료전지 전기자동차의 높은 가격과 부족한 수소 충전 인프라 등을 감안하면 각국의 보급 목표를 3~4년 정도 지연될 것으로 전망된다. 주요 자동차 업체들은 중대형차, 상용차 부문에 연료전지 전기자동차를 배치하는 전략을 취하고 있으며, 중국도 수소버스 등 수소상용차를 우선 상용화하는 전략을 취하고 있다. 이에 2030년 수소 연료전지 전기자동차 내 상용차 비율은 13% 수준으로 전기자동차의 상용차 비율인 5.8%에 비해 월등히 높은 비율을 유지할 것으로 전망된다. 향후 연료전지 전기자동차의 시장은 유럽 국가들의 적극적인 보급 정책과 중국이 현재 전기자동차의 패권을 유지하려는 정책에 힘입어 2030년에 100만 대 규모를 넘어설 것으로 전망된다. 연료전지 전기자동차를 생산하는 토요타, 혼다(Honda), 현대자동차, 폭스바겐, 제너럴모터스 등 주요 글로벌 업체들이 2020~2021년에 연료전지 전기자동차 출시 계획에 있기 때문에 2021년부터 시장 성장이 본격화되고, 10만 대 규모를 돌파하는 2023년부터 규모의 경제가 실현되면서 시장 성장이 가속화되어 2030년까지 연평균 52.2% 성장하여 110.7만 대 규모로 성장할 것으로 전망한다.

참고자료

• 〈수소연료전지차〉, 《네이버 지식백과》
• 폴 호렐, 〈전기차와 수소연료전기차. 우리의 미래는 과연 어디에 있을까?〉, 《현대모터그룹》
• 〈수소전기차(FCEV) 시장동향 및 향후 전망〉, 《아이앤아이 알앤씨》
• 〈자동차의 역사를 바꾸다, 수소전기차〉, 《현대자동차그룹》
• 넘버원, 〈(리포트) 수소연료전지차(FCEV)〉, 《네이버 블로그》, 2018-10-31
• 엠에스리, 〈수소차 원리 (연료전지 전기자동차)〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-24
• 양대규 기자, 〈친환경차의 두 축, '연료전지' 수소차와 '배터리' 전기차〉, 《테크월드》, 2019-03-05
• 한상민 기자, 〈배터리 전기차의 들러리 수소차〉, 《AEM》, 2021-01
• 호박넝쿨 treasure01, 〈수소전기차(FCEV) 충전〉, 《티스토리》, 2021-01-08

같이 보기

• 연료전지 자동차
• 수소자동차
• 전기자동차
• 친환경차

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