수소 연료 전지가 전기차의 미래인가?

북미에서 배터리 전기차(BEVs)의 채택이 난관에 봉착한 것으로 보입니다.  중고 재판매가 낮음, 수리 비용이 비쌈, 그리고 인프라 부족으로 판매가 크게 둔화했습니다.  Hertz와 같은 대형 렌터카 회사가 대규모 전기차를 매각하고, 내연기관(ICE) 차량으로 되돌아가는 결정도 내렸습니다.

이와 같은 상황이지만, 내연기관(ICE)처럼 널리 퍼진 것을 매끄럽게 전환할 수 있다고 생각하는 것은 무리입니다.  항상 좌절이 있었고, 전기차의 장점에 대한 타당한 질문도 계속 제기될 것입니다.

핵심은 전기차로의 전환이 소수의 욕구가 아니라 기후 변화와의 싸움에서 다수의 필요라는 점입니다.  그러나 현재 세대 전기차가 충분하지 않다면 다른 선택지는 무엇일까요?  많은 사람들에게 답은 오랫동안 고민해 왔으며 최근 중요한 발전을 이룬 수소 전기차(HEVs)입니다.

수소 연료 전지의 내구성 향상

최근 연구¹에서, 하버드와 인천국립대학의 과학자들로 구성된 공동 연구팀은 내구성과 수명을 모두 향상시킬 수 있는 새로운 수소 연료 전지 제작 방식을 상세히 설명했습니다.

보다 구체적으로, 연구에서는 “Nafion과 퍼플루오로폴리에터(PFPE)의 상호 침투 네트워크로 구성된 피로 저항 전해질 막 카테고리”의 개발을 확인했습니다.  이를 사용하면 연료 전지를 정기적으로 사용할 때 발생하는 응력 균열 형태의 일반적인 피로가 크게 감소할 수 있음을 확인했습니다.

연료 전지 내 전해질 막에 이 소재를 도입함으로써, 연구는 “…피로 임계값을 175% 상승시키고 연료 전지의 수명을 1.7배 연장시켰습니다. 또한, 변형되지 않은 Nafion 막은 242시간의 수명을 보이는 반면, 복합 막은 410시간의 수명을 보였습니다.”

팀은 이 소재 도입이 연료 전지의 성능을 약간 저하시킨다고 언급했지만, 내구성/수명의 놀라운 향상은 확실히 가치 있는 트레이드오프임을 강조했습니다.  앞으로 수소 연료 전지가 전기차 분야에서 배터리 팩을 대체할 것으로 기대된다면, 이러한 종류의 발전이 필요합니다.  그러나 최고의 기술이 항상 승리하는 것은 아니라는 점을 기억해야 합니다.  선점 효과는 실제이며, 최근 시장 침체에도 불구하고 배터리 구동 전기차가 명백히 앞서 있습니다.

수소 전기차(HEVs)란 무엇인가?

전기차는 연료를 연소시키는 엔진이 아니라 전기로 구동되는 모터에 의존하는 차량을 말합니다.  현재 대부분의 전기차는 무거운 배터리 팩을 사용해 전기를 저장하고 모터에 전달합니다.  앞서 언급했듯이, 최근 주목받고 있는 또 다른 전기차 접근 방식은 수소 연료 전지입니다.

수소 전기차(HEVs), 때로는 연료전지 전기차(FCEVs)라고도 불리는 차량에서는, 모터에 필요한 전기가 수소(액체 또는 압축 가스로 저장)를 양성자와 전자로 분해하는 전기화학 반응을 통해 제공됩니다.  전체 과정은 다음과 같이 진행됩니다:

1. 고압 탱크에 저장된 수소가 필요에 따라 연료 전지로 방출됩니다.
2. 연료 전지에 도입된 수소가 양성자와 전자로 분해됩니다.
3. 전자는 모터에 전력을 공급하여 바퀴를 구동합니다.
4. 양성자는 공기 중 산소와 결합해 열과 수증기라는 두 가지 부산물을 생성합니다.

흥미롭게도, 일부 하이브리드 HEV는 작은 배터리 팩을 사용해 회생 제동을 통해 손실된 에너지를 회수함으로써 양쪽의 장점을 결합합니다.

수소의 매력은 무엇인가?

생산 및 저장: 배터리 팩은 일반적으로 대규모 침입적 채굴 작업을 통해 얻은 재료로 구성되어 지구에 큰 피해를 주며, 그 사용이 환경에 좋다는 전제를 약화시킵니다.  반면 수소는 지속 가능한 전기분해와 같은 방법이나 자연 발생 매장량을 통해 포집될 수 있습니다.

또한, 수소는 쉽게 액체로 압축되어 대량으로 운송될 수 있습니다.  생산 지점에서 전송 라인이 필요 없으므로 과정이 더욱 유연합니다.

성능: 성능 측면에서 HEV와 BEV 사이에 큰 차이는 없습니다.  두 차량 모두 모터를 사용해 구동 휠에 동력을 전달하므로, 즉각적인 토크와 출력이라는 기술의 장점을 모두 누릴 수 있습니다.

배출: 배출 측면에서 수소가 더 나은 것으로 평가됩니다.  기술적으로는 이차 배출원에 해당하지만, 배기구에서 나오는 것은 물증기뿐입니다.  반면 BEV는 전혀 배출이 없습니다.  수소가 차별화되는 점은 제조 과정으로, 배터리 팩을 포기함으로써 광범위한 채굴이 필요 없어 지구에 미치는 피해를 줄일 수 있습니다.

주유: 주유는 수소의 가장 큰 매력 중 하나이며, 사용자가 정기적으로 직접 경험하는 요소입니다.  BEV는 일반적으로 긴 충전 시간과 특수 인프라가 필요하지만, HEV는 일반 가솔린/디젤 차량처럼 빠르게 주유할 수 있습니다.

주행 거리: 배터리 기술이 향상되고 있지만, BEV가 전통적인 내연기관과 동일한 주행 거리를 확보하려면 거대한 배터리 팩이 필요합니다.  이는 충전 시간이 길어지고, 환경 발자국이 커지며, 무게로 인한 효율 손실을 초래합니다.  반면 수소는 일반적으로 내연기관과 동등한 주행 거리 수치를 제공해 주행 거리 불안을 완전히 해소합니다.

추운 기후: BEV 소유자들이 겪는 주행 거리 불안의 일부는 지역에 따라 달라집니다.  이상적인 기후 조건을 갖춘 지역이 거의 없어 많은 고객에게 주행 거리가 크게 감소합니다.  수소는 추운 날씨에 일부 거리 손실이 있지만, 그 정도는 크게 차지 않아 많은 사람들에게 더 매력적인 선택이 됩니다.

보시다시피 HEV가 배터리 팩 차량보다 우수한 여러 핵심 분야가 있습니다.  그러나 복잡성, 기존 주유 인프라 개조 필요성, 그리고 고체‑상태 배터리의 잠재적 등장에서는 뒤처질 수 있습니다.

수소 솔루션을 개발하는 산업 플레이어

전기차 산업은 현재 몇몇 어려움을 겪고 있지만, 전기차가 교통의 미래라는 점은 분명합니다.  아직 명확하지 않은 것은 전기차가 어떤 형태를 취할지입니다.  배터리 구동이 될까요, 아니면 수소 연료 전지를 활용할까요?  다음 두 기업은 후자를 기대하며 이미 그런 미래를 위한 계획을 시작했습니다.

*아래 제공된 수치는 작성 시점에 정확했으며 변경될 수 있습니다.  잠재적 투자자는 지표를 확인해야 합니다*

1. Toyota

세계 최대 자동차 제조업체인 만큼, 토요타가 HEV 분야에 진출한 것은 놀라운 일이 아닙니다.  흥미롭게도, 토요타는 현재 고체‑상태 배터리 솔루션을 활발히 개발하면서도 오늘날의 배터리 전기차에 대해 반대 입장을 취하고 있습니다.  대신 토요타는 HEV와 수소 연소 엔진이 더 밝은 미래를 열어줄 것이라고 밝히고 있습니다.

특히 토요타는 1992년에 HEV 기술 개발을 시작해 ‘Mirai’를 출시했으며, 이 세단은 5분 주유, 650km 주행 거리, 그리고 유해 배출물 제로를 자랑합니다.

2. Plug Power

PLUG 가격 차트

Plug Power Inc. (PLUG ) 는 1997년에 설립되어 뉴욕 라섬에 본사를 두고 있으며, 수소 연료 전지 기술 발전의 핵심 기업으로 남아 있습니다.  특히 Plug Power는 자동차와 트럭에만 집중하지 않고, 전동 모터를 활용하는 소규모 설치용 시스템을 설계·제조합니다.

최근 몇 년간 Plug Power는 물류용 연료 전지 외에도 사업 영역을 확대해 보다 넓은 시장을 목표로 하고 있습니다.  여기에는 고정식 전력 시스템, 배달 차량 플릿, 그리고 항공 분야까지 포함됩니다.  United Hydrogen 및 Giner ELX와 같은 전략적 인수를 통해 수소 생산, 액화 및 유통 능력을 강화하며 수소 경제에서의 입지를 더욱 공고히 했습니다.

최종 결론

배터리 전기차가 부진함에 따라 잠재적 대안에 대한 관심이 높아지고 있습니다.  현재 수소 솔루션이 선두에 서 있으며, 처음에는 기술을 쉽게 무시할 수 있지만, 토요타만이 수소를 추진하는 것이 아니라는 점을 기억해야 합니다.  혼다, GM, 현대 등과 같은 기업들과의 파트너십 및 수소 솔루션 개발이 이미 진행 중입니다.

지속 가능한 방식으로 생산된 수소에 대한 접근성이 매일 증가함에 따라, 전기차의 미래는 많은 사람들이 생각하는 것과 약간 다르게 보일 수 있습니다.

참조 연구:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Fatigue‐Resistant Electrolyte Membranes for Durable Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}