연료전지차

Fuel cell vehicle
2021년형 토요타 미라이
2018 현대 넥쏘
Foton BJ6123FCEVCH-1 연료 전지 버스 작동 중

연료 전지 자동차(fuel cell vehicle, FCEV) 또는 연료 전지 전기 자동차(fuel cell electric vehicle, FCEV)는 연료 전지를 소형 배터리 또는 슈퍼 커패시터와 결합하여 탑재된 전기 모터에 동력을 공급하는 전기 자동차입니다. 차량의 연료전지는 일반적으로 공기의 산소와 압축된 수소를 사용하여 전기를 생산합니다. 대부분의 연료전지 차량은 물과 열만 배출하는 배출가스 제로 차량으로 분류됩니다. 수소 차량은 내연 차량과 비교하여 수소 생산 현장에서 오염 물질을 집중 관리하며, 여기서 수소는 일반적으로 개질 천연 가스에서 파생됩니다.[1] 수소를 운반하고 저장하는 것도 오염 물질을 생성할 수 있습니다.[2] 연료 전지는 지게차를 포함한 다양한 종류의 차량에 사용되어 왔으며, 특히 깨끗한 배기 가스가 공기의 질에 중요한 실내 응용 분야 및 우주 응용 분야에서 사용되었습니다. 연료 전지는 트럭, 버스, 보트, 선박, 오토바이 및 자전거 등 다양한 종류의 차량에서 개발 및 테스트되고 있습니다.

연료전지로 작동하는 최초의 도로용 차량은 1966년 제너럴 모터스가 선보인 쉐보레 일렉트릭 밴입니다.[3] 2002년 12월 2일부터 리스를 시작한 토요타 FCHV와 혼다 FCX는 세계 최초로 정부 공인 상용 연료전지 차량이 되었고,[4][5][6] 2008년부터 리스를 시작한 혼다 FCX 클래리티는 기존 모델을 개조하는 것이 아니라 양산을 목표로 설계된 세계 최초의 연료전지 차량이었습니다.[7] 2013년 현대자동차는 세계 최초의 양산형 연료전지 전기차라고 주장하는 현대 ix35 FCEV의 생산을 시작했고, 이후 리스 전용 차량으로 시장에 선보였습니다. 2014년, 도요타는 세계 최초의 전용 연료 전지 차량인 토요타 미라이를 판매하기 시작했습니다.[13][14][15]

2020년 12월 기준으로 전 세계적으로 31,225대의 수소를 연료로 하는 여객용 FCEV가 판매되었습니다.[16] 2021년 현재 일부 시장에 공개된 연료전지차는 토요타 미라이(2014~현재)와 현대 현대018~현재) 두 가지 모델뿐입니다. 혼다 클래리티(Honda Clarity)는 2016년부터 2021년까지 생산이 중단되었습니다.[17] 2020년 현재 미국에는 자동차용 수소 충전소가 50개 미만으로 제한적인 수소 인프라가 있습니다.[18] 비판론자들은 수소가 다른 배출 제로 기술과 비교했을 때 자동차에 효율적인지 비용 효율적인지 의문을 제기하고 있으며, 2019년에는 Motley Fool은 "논쟁의 여지가 없는 것은 수소 연료 전지의 꿈이 승용차 시장에서 거의 사라졌다는 것입니다."[19]라고 의견을 밝혔습니다.

차량의 연료 전지 설명 및 용도

자세한 정보: 연료전지

모든 연료 전지는 전해질, 양극, 음극의 세 부분으로 구성되어 있습니다.[20] 원칙적으로 수소 연료 전지는 전기 모터를 구동할 수 있는 전기를 생산하는 배터리와 같은 기능을 합니다. 그러나 재충전이 필요한 대신 연료 전지에 수소를 다시 채울 수 있습니다.[21] 연료 전지의 종류에는 고분자 전해질막(PEM) 연료 전지, 직접 메탄올 연료 전지, 인산 연료 전지, 용융 탄산염 연료 전지, 고체 산화물 연료 전지, 개질 메탄올 연료 전지 및 재생 연료 전지가 있습니다.[22]

역사

1966년형 GM 일렉트릭[23] 밴

연료 전지의 개념은 1801년 험프리 데이비에 의해 처음으로 입증되었지만, 최초의 작동 연료 전지의 발명은 화학자이자 변호사이자 물리학자인 윌리엄 그로브에 의해 인정됩니다. 그로브의 소위 "가스 전압 전지"에 대한 실험은 1842년에 백금 촉매를 통해 수소와 산소 사이의 전기 화학 반응에 의해 전류가 생성될 수 있다는 것을 증명했습니다.[24] 영국 엔지니어 프란시스 토마스 베이컨(Francis Thomas Bacon)은 1939년부터 1959년까지 다양한 알칼리성 연료 전지를 만들고 시연하며 그로브의 연구를 확장했습니다.[25]

최초의 현대식 연료 전지 차량은 1959년경 15킬로와트 연료 전지를 장착한 개조된 Alis-Chalmers 농장 트랙터였습니다.[26] 냉전 우주 경쟁은 연료 전지 기술의 발전을 이끌었습니다. 제미니 프로젝트는 승무원 우주 임무 동안 전력을 공급하기 위해 연료 전지를 테스트했습니다.[27][28] 연료 전지 개발은 아폴로 계획과 함께 계속되었습니다. 아폴로 캡슐과 달 모듈의 전력 시스템은 알칼리 연료 전지를 사용했습니다.[27] 1966년 제너럴 모터스는 최초의 연료 전지 도로 차량인 쉐보레 일렉트릭 밴을 개발했습니다.[29] 그것은 PEM 연료 전지, 사거리 120마일, 최고 속도 70mph를 가지고 있었습니다. 연료전지 스택과 수소와 산소가 담긴 대형 탱크가 승합차 뒷부분을 차지해 좌석이 2개뿐이었습니다. 프로젝트는 비용이 많이 드는 것으로 간주되어 하나만 지어졌습니다.[30]

제너럴 일렉트릭(General Electric) 등은 1970년대에도 PEM 연료 전지에 대한 연구를 계속했습니다.[27] 연료 전지 스택은 우주왕복선을 포함한 1980년대에는 여전히 주로 우주 응용 분야에 국한되어 있었습니다.[27] 하지만 아폴로 계획의 폐쇄로 인해 많은 업계 전문가들이 민간 기업으로 보내졌습니다. 1990년대에 이르러 자동차 제조업체들은 연료 전지 응용에 관심을 가졌고, 실증 차량이 준비되었습니다. 2001년에는 최초로 700 Bar (10000 PSI) 수소 탱크를 시연하여 차량에 사용할 수 있는 연료 탱크의 크기를 줄이고 범위를 확장했습니다.[31]

적용들

자세한 정보: 연료 전지 자동차 목록

모든 운송 모드를 위한 연료 전지 차량이 있습니다. 가장 일반적인 연료 전지 차량은 자동차, 버스, 지게차 및 자재 취급 차량입니다.[32]

자동차

혼다 FCX는 도요타 FCHV와 함께 세계 최초로 정부 인증을 받은 상용 수소 연료 전지 차량입니다.[5][4]
2008년 혼다 FCX 클래리티

혼다는 2008년 세계 최초로 연료전지 차량 딜러망을 구축했으며, 당시 개인 고객에게 수소연료전지 차량을 임대할 수 있는 유일한 업체였습니다.[33][34] Honda FCX Clarity는 2008년에 일본 및 서던 캘리포니아 고객들이 리스를 제공하기 위해 도입되었으며 2015년까지 단종되었습니다. Honda는 2008년부터 2014년까지 미국에서 총 45대의 FCX를 임대했습니다.[35] 그 기간 동안 GM 하이드로젠4, 메르세데스-벤츠 F-셀 [36][29]등 20여 대의 FCEV 시제품과 시승차가 출시됐습니다.

현대 ix35 FCEV Fuel Cell 차량은 54대가 리스된 2014년부터 2018년까지 리스가 가능했습니다. 2018년 현대는 넥쏘를 선보였습니다.

토요타 미라이는 2014년 12월부터 일본에서 고객을 대상으로 판매가 시작되었습니다. 초기 고객의 대부분은 개인이 아닌 정부와 기업일 것으로 예상되었습니다.[40] 가격은 세금 및 정부 인센티브 ¥2,000,000(~19,600달러)보다 먼저 ¥6,700,000(~US$57,400)에서 시작되었습니다. 팻 콕스 전 유럽의회 의장은 도요타가 미라이를 팔 때마다 처음에는 약 10만 달러의 손실을 볼 것으로 추정했습니다.[42] 2017년 12월 기준, 전 세계 판매량은 총 5,300대입니다. 가장 많이 팔린 시장은 미국 2,900대, 일본 2,100대, 유럽 200대 순이었습니다.[43]

도요타는 2015년 수소전기차 시장을 활성화하기 위해 20년 넘게 연구해온 수소연료전지차 및 수소연료전지 충전소 기술 관련 특허 5,680건을 모두 경쟁사에 무상 제공하겠다고 밝혔습니다.[44]

Honda Clarity Fuel Cell은 2016년부터 2021년까지 생산되었습니다.[45][46] 2017 Clarity는 그해 EPA가 평가한 모든 수소 연료 전지 자동차 중에서 복합 및 도시 연비 등급이 가장 높았으며, 복합 도시/고속도로 등급은 갤런당 67마일(MPGe), 도시 주행은 68MPGe로 나타났습니다.[47] 2019년 Honda Europe의 사장인 Katsushi Inoue는 "현재 우리의 초점은 하이브리드 자동차와 전기 자동차입니다. 아마 수소연료전지차가 올 수도 있겠지만 그것은 다음 시대를 위한 기술입니다."[48]

다임러는 2017년까지 배터리 비용 감소와 EV의 범위 증가를 이유로 FCEV 개발을 단계적으로 중단했고,[49] 수소차를 개발하는 자동차 회사들은 대부분 배터리 전기차로 초점을 전환했습니다.[50] 2020년까지 단 3개의 자동차 제조업체만이 여전히 제조 중이거나 수소 자동차에 대한 적극적인 제조 프로그램을 보유하고 있었습니다.[51]

연비

다음 표는 EPA가 2021년 9월 기준으로 평가한 두 모델의 수소 연료 전지 차량에 대해 갤런당 마일(MPGe)로 표시된 EPA의 연비를 비교한 것입니다.[47]

수소연료전지차의 MPGe로 표현된 연비 비교

캘리포니아에서 판매 또는 임대가 가능하며 2021년[47] 9월 현재 미국 환경 보호국의 평가를 받은 경우

차량 연식 합쳐진

연비

도시

연비

고속 도로.

연비

범위 연간.

연료비

현대 넥쏘 2019–2021 61mpg-e 65mpg-e 58mpg-e 380 mi (610 km)
도요타 미라이 2016–2020 66mpg-e 66mpg-e 66mpg-e 312 mi (502 km)
도요타 미라이 2021 74mpg-e 76mpg-e 71mpg-e 402 mi (647 km)
참고: 수소 1kg은 미국 휘발유 1갤런과 거의 같은 에너지 함량을 가지고 있습니다.[52]

에탄올 개질기로 구동되는 연료전지

2016년 6월, 닛산은 수소가 아닌 에탄올로 구동되는 연료 전지 차량을 개발할 계획을 발표했습니다. 닛산은 이러한 기술적 접근 방식이 더 저렴할 것이며, 수소 인프라보다 연료 주입 인프라를 배치하는 것이 더 쉬울 것이라고 주장합니다.[53] 차량에는 물과 에탄올의 혼합물을 담고 있는 탱크가 포함되어 있으며, 이 탱크는 수소와 이산화탄소로 분리되는 내장형 개질기로 공급됩니다. 그런 다음 수소는 고체 산화물 연료 전지로 공급됩니다. 닛산에 따르면 액체 연료는 에탄올과 물의 55:45 비율로 혼합된 것일 수 있다고 합니다.[53]

버스

참고 항목: 연료전지버스
2022년 중국 정저우에서 열린 유퉁 F12

2020년 기준 전 세계에서 사용 중인 수소연료전지버스는 5,648대로, 이 중 93.7%가 중국에서 사용되고 있습니다.[54]

1980년대 후반부터 버스의 디젤 배출에 대한 우려는 연료 전지에 동력을 공급하기 위한 실험으로 이어졌습니다. 인산 연료전지를 이용한 초기 실험 후, 1990년대 후반에 수소 연료전지 버스를 도시에서 시험했습니다.[55] 2000년대에 버스는 전세계 도시에서 시범 운행에 들어갔고, 유럽 연합은 유럽을 위한 청정 도시 교통 연구 프로젝트를 지원했습니다.[56]

2010년대에 이르러 전 세계적으로 수소 연료 전지 버스의 상업적 도입이 진행되고 있었습니다.[57][58] 그러나 많은 운송 사업자들이 배터리 전기 버스를 대신 구매하고 있었습니다. 배터리 전기 버스는 운영하고 구매하는 것이 더 저렴했기 때문입니다.[59] 하지만 배터리 전기버스는 디젤버스에 비해 주행거리가 부족하고 충전에 시간이 걸리는 경우가 많으며(수소연료전지버스에 비해 충전이 빨리 가능한 경우가 많습니다), 추운 날씨에 에너지 저장량이 적었습니다. 일부 회사는 연료 전지를 더 큰 배터리 또는 슈퍼커패시터와 결합하여 범위 확장기로 사용할 것을 제안했습니다.[60]

수소 연료 전지 버스는 역사적으로 디젤, 하이브리드 또는 전기 버스에 비해 구매 및 운영 비용이 상당히 비쌌습니다.[55][59] 최근 몇 년 동안, 디젤 버스와 비슷한 수준으로 비용이 절감되었습니다.[61]

현재 다양한 버스 제조업체에서 수소 연료 전지 버스를 생산하고 있습니다.[62][63][64] 버스 제조업체들은 보통 밸러드 파워 시스템이나 도요타와 같은 수소 연료 전지 공급업체와 협력하여 버스에 전력을 공급합니다.[62][63]

지게차

참고 항목: 연료전지 지게차

연료 전지 지게차(연료 전지 리프트 트럭 또는 연료 전지 지게차라고도 함)는 재료를 들어올리고 운반하는 데 사용되는 연료 전지 동력 산업용 지게차입니다. 지게차에 사용되는 대부분의 연료 전지는 PEM 연료 전지로 구동됩니다.[65]

2013년에[66] 미국에서 자재 취급에 사용되는 연료 전지 지게차는 4,000대가 넘었고, 이 중 500대만이 DOE로부터 자금 지원을 받았습니다(2012).[67][68] 연료전지 비행대는 Sysco Foods, FedEx Freight, GENCO(Wegmans, 코카콜라, Kimberly Clark, Whole Foods) 및 H-E-B Grocers를 포함한 많은 회사에서 운영되고 있습니다.[69] 유럽은 Hylift와 함께 30대의 연료 전지 지게차를 시연했고, HyLIFT-EUROPE와 함께 200대까지 확장했으며,[70] 프랑스와[71][72] 오스트리아에서도 다른 프로젝트를 수행했습니다.[71] 파이크 리서치(Pike Research)는 2011년 연료 전지로 작동하는 지게차가 2020년까지 수소 연료 수요의 가장 큰 동인이 될 것이라고 말했습니다.[32]

PEM 연료 전지 구동 지게차는 국부적인 배기가스를 발생시키지 않기 때문에 석유 구동 지게차에 비해 상당한 이점을 제공합니다. 연료 전지 지게차는 단일 수소 탱크에서 8시간 교대로 작동할 수 있으며 3분 만에 연료를 주입할 수 있으며 수명은 8-10년입니다. 연료 전지 구동 지게차는 낮은 온도에서도 성능이 저하되지 않아 냉장 창고에서 사용되는 경우가 많습니다.[73] 설계상 FC 유닛은 종종 드롭인 대체품으로 만들어집니다.[74][75]

야마하 FC미 오토바이

오토바이와 자전거

2005년, 영국 회사인 인텔리전트 에너지는 ENV(Emission Neutral Vehicle)라고 불리는 최초의 작동하는 수소 주행 오토바이를 생산했습니다. 4시간 동안 주행할 수 있고 도시 지역에서 최고 속도 80km/h(50mph)로 160km(100마일)를 주행할 수 있는 충분한 연료를 저장합니다.[76] 수소 연료 전지 엔진이 있는 자전거와[77] 자전거의[78] 다른 예가 있습니다. 스즈키 버그만은 EU에서 "전체 차량 형식" 승인을 받았습니다.[79] PHB는 전기 모터가 달린 수소 자전거였습니다. 2008년 상하이에서 첫 선을 [80]보였으나 수소 연료 서비스가 부족하여 중단되었습니다. 그것의 전신은 캐나다 밴쿠버에 기반을 둔 Palcan이라고 불리는 수소 자전거였습니다.[81]

비행기

참고 항목: 수소 추진 항공기
수소연료전지로 작동하는 보잉 연료전지 시연기

유럽 전역의 보잉 연구원들과 업계 파트너들은 2008년 2월 연료 전지와 경량 배터리로만 동력을 공급받는 승무원 비행기의 실험 비행 테스트를 실시했습니다. 연료 전지 시연기 비행기는 이름 그대로 양성자 교환막(PEM) 연료 전지/리튬 이온 배터리 하이브리드 시스템을 사용하여 기존 프로펠러에 연결된 전기 모터에 동력을 공급했습니다.[82] 2003년, 연료 전지로 완전히 동력을 얻는 세계 최초의 프로펠러식 비행기가 날았습니다. 연료 전지는 독특한 FlatStack 스택 설계로 연료 전지를 비행기의 공기역학적 표면과 통합할 수 있었습니다.[83]

연료 전지 동력 무인 항공기(UAV)가 여러 대 있었습니다. Horizon 연료전지 UAV는 2007년에 소형 UAV가 비행한 기록적인 거리를 세웠습니다.[84] 군은 소음이 적고, 열 서명이 낮으며, 높은 고도에 도달할 수 있기 때문에 이 응용 프로그램에 특히 관심이 있습니다. 2009년, 해군 연구소의 Ion Tiger는 수소 연료 전지를 사용하여 23시간 17분 동안 비행했습니다.[85] 보잉사는 한번에 최대 4일 동안 20,000m(65,000ft)의 속도로 연구 및 감시 비행을 수행하는 데 사용될 고고도, 긴 내구성(HALE)인 팬텀 아이에 대한 테스트를 완료하고 있습니다.[86] 또한 연료 전지는 항공기에 보조 동력을 공급하기 위해 사용되고 있으며, 이전에 엔진 시동 및 기내 전력 공급에 사용되었던 화석 연료 발전기를 대체하고 있습니다.[86] 연료 전지는 비행기가 CO2 및 기타 오염 물질 배출과 소음을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

보트

주요기사 : 수소추진선박 및 연료전지보트
히드라 연료전지 보트

세계 최초의 Fuel Cell Boat Hydra는 6.5 kW 순출력의 AFC 시스템을 사용했습니다. 소비되는 연료 1리터당 평균 선외기 모터는 평균 현대 자동차에서 생산되는 탄화수소의 140배를 더 적게[citation needed] 생산합니다. 연료 전지 엔진은 연소 엔진보다 에너지 효율이 높기 때문에 더 나은 범위를 제공하고 배출을 크게 줄입니다.[87] 암스테르담은 2011년에 사람들을 실어 나르는 첫 번째 연료 전지 동력 보트를 선보였습니다.[88]

잠수함

참고 항목: 독일 잠수함 U-31 (S181)

연료 전지의 첫 번째 잠수식 적용은 독일 212형 잠수함입니다.[89] 각 유형 212에는 선박 전체에 퍼져 있는 9개의 PEM 연료 전지가 포함되어 있으며, 각 전력은 30kW에서 50kW 사이입니다.[90] 이로 인해 212형은 더 오랫동안 물에 잠겨 있을 수 있으며 탐지하기가 더 어려워집니다. 연료 전지 동력 잠수함은 또한 원자력 동력 잠수함보다 설계, 제작, 유지 관리가 쉽습니다.[91]

열차

InnoTrans 2016에서 Alstom Coradia iLint 데뷔
주 기사: 히드라일

2015년 3월, 중국남방철도공사(CSR)는 칭다오의 조립 시설에서 세계 최초로 수소 연료 전지를 동력으로 하는 트램카를 시연했습니다.[92] 새 차량을 위한 83마일의 트랙이 중국의 7개 도시에 건설되었습니다. 중국은 향후 5년간 2,000억 위안(320억 달러)을 들여 트램 선로를 1,200 마일 이상으로 늘릴 계획이었습니다.[93]

2016년, 알스톰은 수소 연료 전지로 구동되는 지역 열차인 코라디아 아이린트(Coradia iLint)를 데뷔시켰습니다. 그것은 시속 140킬로미터(87마일)에 이르고 수소 탱크를 가득 싣고 600-800킬로미터(370-500마일)를 이동하도록 설계되었습니다.[94] 이 열차는 2018년 독일에서 운행을 시작했으며 2019년부터 네덜란드에서 시험 운행될 예정입니다.[95]

스위스 제조업체인 Stadler Rail은 Arrow 통근 철도 서비스의 일환으로 2024년 미국에서 수소 연료 전지 열차인 FLUFF H2 열차를 공급하기로 캘리포니아에서 계약을 체결했습니다.[96]

트럭

스위스 Winterthur의 현대 Xcient Fuel Cell

장거리 트럭과 같은 운송 용도의 경우 연료 전지는 배출 제로 운송을 위한 잠재적인 솔루션입니다. Energys 잡지의 2022년 연구는 전기 트럭 충전 시간에 비해 상대적으로 빠른 연료 공급 시간과 배터리의 에너지 밀도에 대한 현재 한계를 언급하지만, "운영 제약"에는 "수소 생산으로 인한 높은 양의 CO2 배출", 저장 및 연료 공급 인프라의 부족, H2 누출 및 안전 문제, 효율성 "압축, 저장 및 분배의 손실",[97]

2020년, 현대는 모델명 XCIENT로 수소 동력 34톤 화물 트럭을 생산하기 시작했고, 이 중 10대를 스위스로 초기 선적했습니다. 그들은 완전한 탱크를 타고 400킬로미터(250마일)를 이동할 수 있고, 채우는 데 8분에서 20분이 걸립니다.[98]

2022년에는 토탈 트랜스포트 서비스(TTSI), 토요타 물류 서비스(TLS), UPS, 서던 카운티 익스프레스(SCE)가 로스앤젤레스 지역 항구에서 수소 연료 전지 트럭을 운행하는 12개월간의 "Shore-to-Store(S2S) 프로젝트"를 운영하고 있습니다.[99][100] 로스앤젤레스와 롱비치에서 사용되는 켄워스 T680 수소 시제품은 2018년 공개됐으며 시애틀 지역에서도 테스트를 거쳤습니다.[101]

수소 인프라

주요 기사: 수소 인프라, 수소 고속도로, 수소 스테이션

2010년 Eberle과 Rittmar von Helmolt는 연료전지 자동차가 다른 기술과 경쟁력을 갖추기까지는 과제가 남아 있다고 언급하며 미국에 광범위한 수소 인프라가 부족하다는 점을 예로 들었습니다.[102] 2020년 7월 현재 미국에는 43개의 공개적으로 접근할 수 있는 수소 주유소가 있으며, 이 중 41개는 캘리포니아에 있습니다.[18] 2013년, 제리 브라운 주지사는 AB 8에 서명했는데, 이 법안은 연간 2천만 달러를 10년 동안 지원하여 최대 100개의 역을 짓는 것입니다.[103] 2014년 캘리포니아 에너지 위원회는 4,660만 달러를 지원하여 28개의 스테이션을 건설했습니다.[104]

일본은 2014년 첫 상업용 수소충전소를 확보했습니다.[105] 2016년 3월까지 일본은 80개의 수소 충전소를 보유하고 있으며, 일본 정부는 2020년까지 이 숫자를 160개로 두 배로 늘리는 것을 목표로 하고 있습니다.[106] 2017년 5월 일본에는 91개의 수소충전소가 있었습니다.[107] 독일은 2015년 7월 18개의 공공 수소 충전소를 보유하고 있습니다. 독일 정부는 2016년 말까지 이 숫자를 50개로 늘리기를 [108]희망했지만 2017년 6월에는 30개만 문을 열었습니다.[109]

코드 및 표준

특히 수소 사용량과 관련하여 UN의 바퀴 달린 차량에 대한 글로벌 기술 규정에 따라 엔지니어링 및 전반적인 무결성, 성능, 안전성, 부품 수명 주기 및 기타 다양한 범주를 정의하는 국제 표준이 있습니다. 이러한 규정 중 주목할 만한 분야 중 하나는 일반적으로 사용 기간이 15년 이하일 때 자격을 갖춘 사용 수명이 끝나는 압축 수소 저장 시스템에 관한 것입니다.[110]

미국 프로그램

2003년, 미국의 조지 부시 대통령은 수소 연료 이니셔티브(HFI)를 제안했습니다. HFI는 수소 연료 전지와 인프라 기술을 더욱 발전시켜 연료 전지 차량의 상업적 도입을 가속화하는 것을 목표로 했습니다. 2008년까지 미국은 이 프로젝트에 10억 달러를 기부했습니다.[111] 2009년 당시 미국 에너지부 장관이었던 스티븐 추는 수소차가 "향후 10~20년 동안 실용적이지 않을 것"이라고 주장했습니다.[112][113] 하지만 2012년 추 장관은 천연가스 가격이 하락하고 수소 개질 기술이 향상되면서 연료전지 자동차가 경제적으로 더 실현 가능하다고 생각한다고 말했습니다.[114][115] 2013년 6월, 캘리포니아 에너지 위원회는 수소 연료 보급소에 대해 1,870만 달러를 승인했습니다.[116] 2013년, 브라운 주지사는 AB 8에 서명했는데, 이 법안은 최대 100개의 방송국에 대해 10년 동안 매년 2천만 달러를 지원하는 것입니다.[103] 2013년 미국 DOE는 "첨단 수소 저장 시스템의 지속적인 개발"을 위해 최대 400만 달러까지 계획하고 있다고 발표했습니다.[117] 에너지부는 2013년 5월 13일 미국의 수소 인프라 고도화에 초점을 맞춘 H2USA를 출시했습니다.[118]

비용.

2010년까지 연료 전지 기술의 발전으로 연료 전지 전기 자동차의 크기, 무게 및 비용이 감소했습니다.[119] 2010년, 미국 에너지부(DOE)는 자동차 연료 전지의 가격이 2002년 이후 80% 하락했으며, 대량의 제조 비용 절감을 가정할 때, 그러한 연료 전지는 잠재적으로 51달러/kW로 제조될 수 있다고 추정했습니다.[120] 연료 전지 전기 자동차는 "급유 사이의 주행 거리가 250마일 이상"으로 생산되었습니다.[120] 5분 이내에 주유할 수 있습니다.[121] 전개되는 연료 전지 버스는 디젤 버스보다 연비가 40% 높습니다.[119] EER의 Fuel Cell Technologies Program(연료 전지 기술 프로그램)에 따르면, 2011년 현재 연료 전지는 최대 출력에서 42~53%의 연료 전지 전기 자동차 효율을 달성했으며,[119] 전압 저하가 10% 미만인 75,000마일 이상의 내구성을 달성했으며, 이는 2006년의 두 배에 달한다고 합니다.[120] 2012년, Lux Research, Inc.는 "자본 비용... 2030년까지 채택을 단 5.9GW로 제한할 것"이라는 결론을 내린 보고서를 발표하여 "적소 애플리케이션을 제외하고는 거의 극복할 수 없는 채택 장벽"을 제공했습니다. 럭스의 분석 결과 2030년까지 PEM 고정식 연료전지 적용액은 10억 달러, 연료전지 지게차를 포함한 차량 시장은 총 20억 달러에 이를 것으로 결론 내렸습니다.[122]

2023년 9월 현재 캘리포니아의 공공 충전소에서 수소의 가격은 킬로그램당 36달러로, 테슬라 모델 3와 비교했을 때 미라이의 마일당 14배에 달합니다.[123] 2023년 독일의 평균 가격은 kg당 12.5유로입니다.[124]

환경영향

연료 전지 차량의 환경 영향은 수소가 생산되는 1차 에너지에 달려 있습니다. 연료 전지 차량은 재생 가능한 에너지로 수소를 생산했을 때만 환경 친화적입니다.[125] 이 경우 연료 전지 자동차는 화석 연료 자동차보다 더 깨끗하고 효율적일 수 있습니다. 그러나 에너지를 훨씬 덜 소비하는 배터리 전기 자동차만큼 효율적이지는 않습니다.[126] 일반적으로 연료전지 자동차는 배터리 전기 자동차보다 2.4배 더 많은 에너지를 소비하는데, 수소의 전기 분해와 저장은 전기를 사용하여 배터리를 직접적으로 싣는 것보다 훨씬 덜 효율적이기 때문입니다.[125] 또 국제기후환경연구센터(CICERO)의 2023년 연구에서는 유출된 수소가 CO ₂보다 지구온난화 효과가 11.6배 강한 것으로 추정했습니다.

2009년 기준으로 자동차는 미국에서 소비되는 석유의 대부분을 사용하고 일산화탄소 배출량의 60% 이상과 온실가스 배출량의 약 20%를 생산합니다. 그러나 산업적 용도 중 가장 중요한 것은 휘발유 생산에 사용되는 수소 분해용 수소 생산입니다. 이는 함대 전체 온실가스 배출량의 약 10%를 담당했습니다.[128] 순수한 수소로 연료를 공급받는 차량은 꼬리파이프에서 오염물질을 거의 배출하지 않아 주로 물과 열을 생산하지만, 연료전지에 사용되는 수소를 재생에너지만으로 생산하지 않으면 오염물질이 발생합니다.[129]

2006년, Ulf Bosel은 천연 화합물(물, 천연 가스, 바이오매스)로부터 수소를 분리하고, 압축 또는 액화에 의해 가벼운 가스를 포장하고, 에너지 운반체를 사용자에게 전달하고, 연료 전지를 사용하여 유용한 전기로 전환할 때 손실되는 에너지를 포함하는 많은 양의 에너지가 필요하다고 언급했습니다. 실용화를 위해 약 25%를 남깁니다."[130] 교통 혁명의 공동 저자인 Richard Gilbert: Moving People and Freight without Oil (2010)도 마찬가지로 수소 가스를 생산하는 것은 수소 가스를 생산하는 것이 생산하는 에너지의 일부를 사용하게 된다고 언급합니다. 그런 다음 수소를 연료 전지 내에서 다시 전기로 전환하여 에너지를 사용합니다. "이것은 초기에 사용 가능한 에너지의 4분의 1만이 전기 모터에 도달한다는 것을 의미합니다." 이러한 전환 손실은 닛산 리프나 Chevy Volt와 같은 전기 자동차(EV)를 벽 소켓에서 충전하는 것과 비교하여 잘 쌓이지 않습니다."[131][132] 2010년 Argonne National Laboratory의 수소 연료 전지 차량에 대한 Well-to-wheels 분석 보고서에 따르면 재생 가능한 H2 경로는 훨씬 더 큰 온실 가스 혜택을 제공한다고 합니다.[133] 이 결과는 최근에 확인되었습니다.[125] 2010년 미국 DOE의 Well-to-wheels 출판물에서는 주유소에서 수소를 6,250psi(43.1MPa)로 압축하는 단일 단계의 효율이 94%[134]라고 가정했습니다. 스탠포드 대학과 뮌헨 공과대학의 과학자들이 2016년에 발간한 "에너지" 저널 11월호에 실린 연구는, 지역적인 수소 생산을 가정하더라도, "모든 전기 배터리 차량에 투자하는 것이 이산화탄소 배출을 줄이기 위한 더 경제적인 선택입니다. 주로 비용이 절감되고 에너지 효율이 훨씬 높아졌기 때문입니다."[135]

연료전지 자동차에 대한 비판

2008년, 제레미 P 교수님. 마이어스(Meyers)는 전기화학회 저널 인터페이스(Interface)에 연료 전지가 "주로 산소 환원 반응의 비효율성 때문에 배터리만큼 효율적이지 않다"고 썼습니다. [T]그리드에서 분리된 작동 또는 연료를 지속적으로 공급할 수 있는 경우가 가장 합리적입니다. 빈번하고 비교적 빠른 시동이 필요한 애플리케이션의 경우... 여기서는 창고와 같은 밀폐된 공간과 같이 배출 제로가 필요합니다."[136] 또한 2008년, 와이어드 뉴스는 "수소가 휘발유 소비나 지구 온난화에 의미 있는 영향을 미치기까지는 40년 이상이 걸릴 것이며, 그렇게 오래 기다릴 여유가 없다"고 보도했습니다. 그 사이 연료 전지는 보다 즉각적인 해결책에서 자원을 전용하고 있습니다."[137] 2008년, Energy Victory의 저자인 Robert Zubrin은 "수소는 '가능한 최악의 차량 연료에 불과하다'"[138]고 말했습니다. 만약 재생 가능한 에너지를 사용하여 수소를 생산할 수 있다면, "이 에너지를 단순히 전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차의 배터리를 충전하는 데 사용하는 것이 더 쉬울 것입니다."[138] 로스앤젤레스 타임즈는 2009년에 "어쨌든 수소는 자동차를 움직이기에 형편없는 방법입니다."[139]라고 썼습니다. 워싱턴 포스트는 2009년 11월에 "전기 에너지가 이미 미국 전역의 소켓에서 빨려나와 자동차 배터리에 저장되기를 기다리고 있는데, 왜 수소의 형태로 에너지를 저장하고 그 수소를 모터에 사용하여 전기를 생산하려고 합니까?"[140]라고 물었습니다.

Motley Fool은 2013년에 "수송, 저장, 그리고 가장 중요한 생산과 관련하여 여전히 (수소 자동차에 대해) 비용을 금지하는 장애물이 있습니다."[141]라고 말했습니다. 폭스바겐의 루돌프 크렙스는 2013년에 "자동차를 아무리 우수하게 만들더라도 물리 법칙은 자동차의 전반적인 효율성을 방해합니다. 에너지를 이동성으로 전환하는 가장 효율적인 방법은 전기입니다." 그는 "수소 이동성은 녹색 에너지를 사용하는 경우에만 의미가 있다"고 자세히 설명했지만... "초기 에너지의 약 40%가 손실되는" "저효율" 수소로 먼저 전환해야 합니다. 그런 다음 수소를 압축하여 탱크에 고압으로 저장해야 하는데, 이는 더 많은 에너지를 사용합니다. "그리고 나서 또 다른 효율 손실이 있는 연료 전지에서 수소를 다시 전기로 전환해야 합니다." 크렙스는 이어 "결국 원래 100%의 전기 에너지에서 30~40%의 에너지를 얻을 수 있습니다."[142]라고 말했습니다.

2014년 전기 자동차 및 에너지 미래학자 줄리안 콕스(Julian Cox)는 메탄에서 수소를 생산하는 것이 석탄보다 에너지 단위당 탄소 집약적이라고 썼습니다. 셰일의 수압파쇄에서 화석수소를 환경적으로 지속가능한 에너지 경로로 오인하는 것은 경제적으로 호환되는 차량 기술에서 투자와 집중을 전환할 위험이 있기 때문에 기후변화를 막기 위한 전 세계적 노력을 희석시키고 잠재적으로 탈선시킬 에너지 정책을 장려할 위협이 있습니다. 재생 가능한 에너지로"[143] 2014년, 전 에너지부 공무원 조셉 롬은 재생 가능한 에너지가 "현재나 미래에" FCV 함대를 위한 수소를 만드는 데 경제적으로 사용될 수 없다고 결론지었습니다.[144] GreenTech Media의 분석가는 2014년에도 비슷한 결론을 내렸습니다.[145] 2015년 클린 테크니카(Clean Technica)는 수소 연료 전지 자동차의 단점 중 일부를 열거했습니다.[146][147]

Green Car Reports에 발표된 2017년 분석에 따르면 최고의 수소 연료 전지 차량은 "전기 자동차보다 마일당 3배 이상의 전기를 소비합니다." 다른 파워트레인 기술보다 더 많은 온실가스 배출을 발생시킵니다. 연료비가 매우 높습니다. ... 새로운 인프라에 대한 모든 장애물과 요구 사항(4,000억 달러에 달하는 비용 추정)을 고려할 때, 연료 전지 차량은 기껏해야 미국의 석유 소비에 거의 영향을 미치지 않는 틈새 기술일 가능성이 높아 보입니다.[107] 2017년, 마이클 바너드(Michael Barnard)는 포브스(Forbes)에 기고한 글에서 수소 연료 전지 자동차의 지속적인 단점을 열거하고 "2008년경, 수소는 차량의 에너지 저장으로서 배터리 기술보다 열등하고 열등할 것이라는 것이 매우 분명했습니다. [B]2025년에는 연료 전지의 꿈을 포기하는 것이 마지막 보류가 될 것입니다."[148] Real Engineering의 2019년 비디오는 수소를 자동차의 연료로 사용하는 것은 운송수단에서 탄소 배출을 줄이는 데 도움이 되지 않는다고 언급했습니다. 화석연료에서 여전히 생산되는 수소의 95%는 이산화탄소를 방출하고, 물에서 수소를 생산하는 것은 에너지 소모적인 과정입니다. 수소를 저장하려면 액체 상태로 식히거나 고압 상태에서 탱크에 넣는 데 더 많은 에너지가 필요하고, 수소를 주유소에 전달하려면 더 많은 에너지가 필요하고 더 많은 탄소를 방출할 수도 있습니다. FCV를 1km 이동하는 데 필요한 수소는 같은 거리의 BEV를 이동하는 데 필요한 전기보다 약 8배 더 비쌉니다.[149] 또한 2019년 혼다 유럽의 사장인 이노우에 카츠시는 "현재 우리의 초점은 하이브리드 및 전기 자동차입니다. 아마 수소연료전지차가 올 수도 있겠지만 그것은 다음 시대를 위한 기술입니다."[48]

2020년 이후의 평가 결과, 수소차는 여전히 효율이 38%에 불과한 반면, 배터리 EV는 효율이 80%에서 95%에 달한다는 결론을 내렸습니다.[150][151] 클린테크니카(CleanTechnica)의 2021년 평가에 따르면 수소차는 전기차보다 훨씬 덜 효율적이지만, 생산되고 있는 수소의 대다수는 회색 수소를 오염시키고 있으며, 수소를 공급하려면 방대하고 값비싼 새로운 인프라를 구축해야 합니다. 나머지 두 가지 "연료 전지 차량의 장점 - 더 긴 거리와 더 빠른 연료 공급 시간 – 이는 배터리 및 충전 기술의 향상에 의해 빠르게 잠식되고 있습니다."[51] Nature Electronics의 2022년 연구는 동의했습니다.[152]

이노베이션

연료 전지 특허 출원 증가를 보여주는 그래프

1960년대에 수소 연료 전지 분야의 연료 전지 특허 충전이 증가했는데, 이는 부분적으로 나사의 우주 프로그램 때문이었고, 80년대의 또 다른 증가는 자동차 연구에 의해 주도되었습니다. 그 뒤를 이어 2000년부터 2005년까지 일본, 미국 및 한국의 발명가들이 출원을 급증시켰습니다. 이후 중국은 일본, 독일, 한국, 미국에서 더 적은 숫자로 이 분야의 특허 충전재를 장악했습니다.[153] 2016년과 2020년 사이, 특히 운송 애플리케이션에 대한 연간 파일링은 23%[154][155] 더 증가했습니다.

운송용 연료전지 분야 특허의 거의 80%가 자동차 회사에서 출원되었습니다.[156] 학계에서는 업계와 적극적으로 협업하고 있습니다.[157] 자동차나 트럭과 같은 도로 차량과 관련된 파일이 지배적이지만 해운, 항공, 철도 및 기타 특수 차량과 같은 다른 분야의 발명이 증가하고 있습니다.[158] 주요 항공기 제조업체인 에어버스는 2019년부터 이 지역에서 특허 활동을 늘렸습니다.[159] 운송 출원을 위한 연료 전지 특허의 수는 항공용과 비슷한 크기이며 성장 속도가 느립니다.[157]

2022년 세계 지적 재산권 기구 보고서에 따르면 건설 차량, 지게차, 공항 예인선과 같은 중장비 차량은 더 높은 탑재량을 필요로 하기 때문에 수소의 높은 에너지 밀도는 배터리 응용보다 연료 전지를 더 유리한 해결책으로 만들 수 있다고 주장합니다.[159]

참고 항목

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외부 링크

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