수소 연료전지 자동차의 환경 특성 및 연료 효율의 체계적 비교목차Ⅰ서론ⅰ친환경 자동차 등장 배경① 환경 오염② 화석 연료 고갈Ⅱ본론ⅰ친환경 자동차의 종류별 특성①수소 연료전지 자동차(FCEV:Fuel Cell Electric Vehicle)②하이브리드 자동차( Hybrid Electric Vehicle)③플러그인- 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)④전기자동차(Electric Vehicle)ⅱ수소연료전지 자동차와 타 그린카 간 비교①환경특성 비교②연료효율 비교Ⅲ결론Ⅳ참고문헌Ⅰ서론ⅰ친환경 자동차 등장 배경① 환경 오염과거 산업, 난방, 발전 등이 대기오염의 주된 원인이었지만, 급속한 경제성장에 따른 자동차의 보급률이 증가하면서 미세먼지와 대기오염의 주된 원인이 되고 있다. 특히 자동차의 연료로 사용되는 휘발유나 경유 등 석유계 물질은 이론적으로 완전연소가 되어야 하지만, 실제로는 불완전연소로 형성된 유해물질인 질산화물질(NOx), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC), 미세먼지 등 배기가스에 섞여 배출되어 대기오염을 초래하고 있다. 대기오염으로 인해 일산화 탄소는 혈액 내 산소공급을 방해하고, 탄화수소는 암을 유발하고, 미세먼지는 호흡기 질환을 일으켜 목숨에 악영향을 끼친다. 이처럼 자동차의 배기가스로 인한 환경 문제가 세계적으로 대두되면서 각 국가는 과 같이 자동차 연비 규제와 배출가스 규제등을 마련하기 시작했다.표 2 내연 자동차에 대한 국내외 규제 ː출처 친환경차 장기목표수립을 위한 정책환경연구 규제 유형의무자적용기준시행지역주요 동향해외우리나라배출가스 규제제작자개별차/기업평균대부분 국가○? 국내기준 2016→2025년 3.3배 강화연비 규제제작자기업평균미국, 일본, 중국○? 미국 CAFE 2017→2-25년 약 36% 강화온실가스 규제제작자기업평균미국, EU○? 미국 온실가스기준 2017→2025년 약 33% 강화ZEV 의무판매제제작자기업평균미국(캘리포니아 주 등)중국(추진 중)(검토중)? 캘리포니아 ZEV 비율 20의 정세 불안과 일부 산유국의 공급 차질이 유가 상승의 원인이 되어 이를 대체할 수 있는 에너지와 차세대 동력원 개발 기술이 전 세계적으로 큰 관심사로 떠오르고 있다.Ⅱ본론ⅰ친환경 자동차의 종류별 특성①수소 연료전지 자동차(FCEV:Fuel Cell Electric Vehicle)수소연료전지자동차는 전기차의 다른 형태로 저장된 전기를 사용하는 것이 아닌 전기를 생성하여 구동하는 자동차로서, 전기를 생산하는 과정에서 물 이외의 배출가스를 발생시키지 않기 때문에 엔진에서 나오는 유해물질인 일산화탄소, 탄화수소 등에 의한 환경오염을 줄일 수 있다.그림 2 연료전지 구조 및 전기 생성 과정ː출처 친환경자동차그림 3 수소연료전지자동차 에너지흐름도ː출처 수소사회미래에너지 리포트수소전기차는 전기를 생성하는데 필요한 연료전지, 배터리, 수소 저장 탱크가 있고, 전기를 생성한 후 차를 구동하기 위한 모터, 전력변환기가 있다. 를 보면, 수소가 연료전지에 공급되면 연료전지의 음극(연료극)에서 수소가 촉매와 반응하여 수소이온과 전자로 분해되고, 수소 이온은 전해질 막을 통과하여 양극(공기극)으로 이동한다. 이때 발생한 전자들은 외부 회로로 전달되어 연료전지 자동차의 모터를 구성하는 동력원인 전기에너지로 사용된다. 또한 전해질 막을 통과하여 양극으로 이동한 수소이온들은 막 반대편의 연료전지에 공급된 공기중의 산소와 반응하여 물을 생성하게 된다. 이때 생성된 물은 수소차의 유일한 배출물로서 남은 공기와 함께 대기 중으로 배출된다.전기차는 배터리를 구성하는 재료의 낮은 에너지 밀도로 인해 충전시간과 주행거리에 큰 제약이 되지만, 수소차는 수소가 가지고 있는 높은 에너지 밀도로 인해 5분 이내의 빠른 속도로 충전이 가능하고, 한번의 충전으로 약 400km 이상의 주행할 수 있다.그림 4 수소차와 전기차의 충전시간 및 주행거리 출처 친환경자동차②하이브리드 자동차( Hybrid Electric Vehicle)하이브리드 자동차는 하나의 자동차에 두 종류 이상의 동력을 얻는 장치를 가진 자동차, 병렬식 그리고 혼합식 등이 있고, 대부분 시스템은 직/병렬 혼합식으로 한 개의 엔진과 2개의 모터로 구성되며, 2개의 모터 중 하나는 엔진의 동력을 전기로 바꾸는 발전기 역할을 하며, 여기서 나온 전기로 배터리를 충전하거나 또 다른 전기 모터를 구동하여 동력을 얻는 데 사용된다.그림 5 하이브리드 자동차의 주행 모드ː출처 친환경 자동차그림 6 하이브리드 자동차 구조출처 https://m.blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=ggumtl_edu&logNo=221329911487&categoryNo=117&proxyReferer=https:%2F%2Fwww.google.com%2F③플러그인- 하이브리드 자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle)플러그인-하이브리드 자동차는 엔진과 모터 동력을 조합하여 차량을 구동하는 면에서 하이브리드 자동차와 동일하다. 플러그인-하이브리드자동차는 차량 추진에너지를 공급하기 위해서 외부 전원으로부터 에너지를 끌어와서 저장하는 하이브리드 자동차이다. 반면 하이브리드 자동차는 자체 엔진과 발전기에서 생산한 전기만을 저장하여 활요한다는 점에서 다르다.를 보면, 플러그인-하이브리드 자동차는 배터리를 가득 충전 후 처음 출발 시 30km~40km까지 배터리 전원의 힘만으로 가는 모터 주행(전기차 모드)으로 주행하고, 그 이후는 하이브리드 모드로 주행을 한다. 모터 구동의 비율을 좀 더 높인 시스템으로, 하이브리드 자동차에 비해 배터리의 용량이 크며, 모터주행이 더 길기 때문에, 하이브리드 자동차 대비 배출가스가 40~50% 절감되는 장점이 있다.그림 7 플러그인-하이브리드 차 주행모드ː출처 친환경 자동차그림 8 플러그인-하이브리드자동차 구조출처:https://namgoldi.com/36④전기자동차(Electric Vehicle)전기자동차는 고전압 배터리에서 전기에너지를 전기 모터로 공급하여 구동력을 발생시키는 차량으로, 화석연료를 전혀 사용하지 않는 완전 무공해 차량이다. 을 보면 전기차는 4%EB%B3%B4%EC%9E%90전기자동차는 아직 미완의 기술로 배터리의 충전시간이 길고 짧은 주행거리라는 단점이 있다. 기술의 발전으로 주행거리는 점차 길어지고 있고 충전시간은 짧아지고 있다. 또한 지금 사용중인 리튬이온 배터리의 한계를 넘어서는 리튬 황, 전고체 배터리등이 상용화 된다면 단점이 대폭 보완될 것이다.ⅱ수소연료전지 자동차와 타 그린카 간 비교①환경특성 비교자동차의 연료가 연소하여 동력을 만드는 과정에서 배출가스인 일산화탄소, 질소산화물, 탄화수소 등 생성되어, 대기오염을 시켜 세계 각 나라에서는 환경오염을 줄이기 위해 배기가스 배출을 제한하는 정책을 제시하고 친환경 자동차의 기술 개발이 급격히 이루어졌다.친환경 자동차를 차량 관점에서 분류하는 가장 중요한 기준 중 주행 중 오염물질을 배출하는 지, 화석연료를 사용하지 않거나 적게 사용하는 것이다.를 통해, 수소 연료전지 자동차는 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소 결합으로 전기를 자체 생성하는 연료 전지를 동력원으로 모터를 구동하기 때문에 배기 가스 및 오염물질을 전혀 배출하지 않고, 반응의 부산물인 물(H2O)을 만들 생성해 냄을 알 수 있다. 이와 비슷하게 배터리를 동력원으로 사용하는 전기자동차 역시 전기를 이용하여 모터를 구동하는 방식으로 주행 시 오염물질을 배출하지 않는 친환경 무공해 차량이라고 할 수 있다. 이와 다르게 하이브리드 자동차와 플러그인 하이브리드 자동차는 내연기관에 모터를 함께 사용하기에 배기가스를 전혀 배출하지는 못하고 과 같이 내연 기관에 비해 각각 약 26.7%, 38.6% 절감된 CO2 를 배출하고, 평균적으로 연간 CO2 를 1.1톤 감축시킴을 알 수 있다. 결과적으로 보면 4종류의 친환경 자동차들은 배기가스를 줄이는데 큰 영향을 끼친다고 볼 수 있다.표 3 친환경 차량의 구동방식과 배출가스 ː출처 친환경자동차구분수소연료전지차하이브리드 차플러그인-하이브리드 차전기차구동방식연료 전지내 수소, 산소의 전기화학반응으로 전기를 생산하여 모터를 구동주행 중 충전된to Wheel(g/km)Well to Wheel(g/km)가솔린 내연기관40210250디젤내연기관40220260하이브리드 자동차30150180전기자동차1400140수소전기자동차1800180그림 11 well to tank, tank to wheel 과정ː출처:“Well to Wheel Efficiency Analysis”그림 12 자동차별 well to wheel 간 배기가스 배출량(표5는 수치화 한 것)ː출처:“Well to Wheel Efficiency Analysis”하지만 주행이 아닌 에너지를 얻어서 공급하는 과정을 살펴보면 친환경적이라고 할 수 없다.에서 볼 수 있듯이 수소연료전지자동차에 공급되는 수소를 추출(개질)하는 과정에서 발생하는 온실가스가 있으며, 이는 내연기관과 하이브리드비해 더많은 배출량임을 알 수 있고, 전체적인 Well to Wheel으로 본다면 내연기관 보다는 약 30%정도 절감된 온실가스를 배출한다고 할 수 있다. 또한 같은 모터만을 사용하는 전기차 역시 배터리에 공급되는 전기를 발전소에서 만들어 내는 과정에서 약 140g/km만큼의 온실가스가 발생함으로, 절대적인 무공해자동차라고 할 수 없다. 따라서 수소연료 전지자동차를 차량 관점에서 뿐 만 아니라 수소가 만들어지고 사용되는 모든 과정에서 친환경적으로 되기 위해서는 추출 수소가 아닌 다른 수소 생산 방식으로 온실가스를 줄여 나가야 할 필요성이 있다.다른 방식인 수전해수소는 재생에너지 전기를 이용해 물로부터 수소를 생산하는 기술로써 생산 단계에서부터 온실가스가 전혀 배출되지 않는 장점이 있다. 하지만 아직 높은 생산단가로 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 특히 유럽과 미국이 기술을 선도하고 있고, 국내 일부 기업도 우수한 기술을 가지고 있지만, 아직 해외 기업과의 기술 격차가 크기 때문에, 가격 절감을 위한 수전해 수소 생산 기술 개발에 노력해야 한다.②연료효율 비교수소연료전지자동차의 장점은 높은 에너지 효율이다. 예를 들어 현재 전기차에 적용되는 리튬-이온 배터리의 에너지 밀도는이다.
