[산업리뷰] 수소연료전지차 초간단 분석

안녕하세요. 공부하는 아빠 유키하나입니다.

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오늘은 그동안 벼르고 벼르던 수소경제와 수소연료전지차 관련 내용을 삼성증권과 이베스트증권 리포트를 읽고 정리를 했습니다.

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작년 8월부터 했었던 반도체 관련기업 공부할 때가 생각나네요.

수소 산업 역시 내용도 방대하고 어렵고 공부해야 할 기업도 많습니다.

하지만 포기하지 않고 꾸준히 공부해야겠죠?

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수소란?

- 한자 : 水素

- 영어 : Hydrogen

- 화확 주기율표의 가장 첫번째 화학원소, 원소기호 H

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수소의 종류

- Grey 수소

: 천연가스의 수증기 개질 등로로 화석연로에서 추출한 수소

: 수소 생산비용 Kg당 1~2달러

: 수소 생산과정에서 대량의 이산화탄소가 배출되어 청정에너지가 아님

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- Blue 수소

: Grey 수소 방식으로 수소를 추출하지만 추출과정에서 방생하는 이산화탄소를 포집 및 제거한다

: 1톤당 50~70유로의 비용 발생하여 비싸다

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- Green 수소

: 재생에너지(eg 태양광)에서 생산한 전기를 이용해 물을 전기분해하여 추출한 수소

: 기술적 초보국면이고 경제성이 낮다

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개질이란?

개질(reforming)이란 촉매 반응을 이용하여 탄화수소 연료를 수소를 포함하는 가스로 전환하는 과정

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수소 생산기술 분류

- 수증기 개질​

: 메탄에 수증기를 주입해 온도를 높이고 니켈계 촉매 상에서 분해 반응을 일으켜 수소를 생산하는 공정

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- 이산화탄소 개질

: 이산화탄소를 활용한 흡열 반응을 통해 메탄을 개질하는 방법

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- 부분산화 공정

: 메탄, 중질유, 석탄 등에 포함된 탄화수소를 일부 산화시켜 합성가스를 제조하는 방법

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- 수전해기술

: 물을 전기를 이용하여 수소와 산소로 분해하는 공정

: PEM(Polymer Electrolyte Membrane) 방법은 전류밀도가 높아 에너지 효율이 높고 생산된 수소의 순도가 높아 미래 수소 생산 분야의 핵심기술로 기대되고 있음.

: PEM 방법은 고분자 전해질막을 이용하여 얇은 구조의 전해질층 형성이 가능해서 수소이온의 전도도를 개선한 것으로 생성가능한 수소압력은 200bar 정도이며 기존 AE(Alkaline Electrolysis, 알카리인)방식보다 장치 크기가 10배 정도 축소

: PEM 방법에 사용되는 양성자 교환막과 백금 촉매가 비싼 단점

- 부생수소

: 정유화학공정 또는 제철소에서 발생하는 부생 가스내에서 수소를 분리하는 방법

: 관련기업 포스코

https://www.chosun.com/economy/industry-company/2020/12/13/TSTVYS7XINCPFOTNCDUX2BV3MA/

철강에서 수소로...포스코 2050년까지 수소 500만t 생산

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: 관련기업 현대제철

http://www.h2news.kr/news/article.html?no=8337

부생수소에 주목한다 ② 현대제철 수소공장

 

Green 수소가 필요해

- 수전해기술을 이용한 수소가 필요한데, PEM 방식을 확대해 나가는 추세

- 글로벌 수전해업체는 Nel(노르웨이), ITM Power(영국), McPhy(프랑스)

https://nelhydrogen.com/

Nel Hydrogen | Unlocking the potential of renewables

 

https://www.itm-power.com/

ITM Power | Energy Storage | Clean Fuel

 

https://mcphy.com/en/

McPhy: clean hydrogen production and distribution equipment

 

생산한 수소를 어떻게 운반하는가?

- 수소는 가볍지만 부피가 크다 --> 대용량 저장, 장거리 운송 어렵다

- 수소를 기체 형태로 보관하여 운반(저장용기가 비싸다)

- 수소를 액체 형태로 보관하여 운반(액화과정에 많은 에너지 필요)

- 수소를 액상화합물 형태로 보관하여 운반(상업화까지 연구 필요)

- 암모니아로 보관하다가 분해시켜 수소를 생산하는 방법(상업화까지 연구 필요)

수소 밸류 체인

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수소 연료 전지란?

- 수소연료전지(스택, Stack)란 수소를 투입하여 전기와 열을 생산하는 장치

- 음극(Anode)에서 수소가스를 보내면 촉매와 반응하여 수소이온과 전자로 분해되고 전자는 외부회로를 거쳐 전류를 발생시키고 수소이온은 전해질을 거쳐 양극(Cathode)으로 이동한다. 양극에서 수소와 산소가 결합해서 물이 생성된다.

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수소연료전지 종류

- 1세대 AFC

- 2세대 PAFC - 두산퓨어셀

- 3세대 SOFC - 미국 블룸에너지

- 4세대 PEMFC - 현대 넥쏘에 장착되는 연료전지

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https://www.knrec.or.kr/m/energy/fuelcell_summary.aspx

신재생에너지센터

 

 

출처 : 신재생에너지센터

 

수소연료전지 자동차 구조

- 수소차는 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)라고 불린다

- 외부에서 수소와 산소를 공급받아 전기에너지를 생성하여 모터를 구동시킨다

글로벌 수소 충전소 설치 계획

 

글로벌 수소차 시장 전망

수소차 생산 규모 계획

- 22년 : 7만대

- 24년 : 11만대

- 26년 : 19만대

- 28년 : 35만대

- 30년 : 58만대

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수소연료전지 자동차의 강자는?

- 현대 : Nexo

https://www.hyundai.com/kr/ko/e/vehicles/nexo/intro

모델소개

 

- 혼다 : Clarity

https://automobiles.honda.com/clarity

Honda Clarity Series | Honda

 

- 토요타 : Mirai

https://www.toyota.com/mirai/

2021 Toyota Mirai Fuel Cell Vehicle | Innovation is Power

 

- 벤츠 : GLC F-Cell

https://www.daimler.com/products/passenger-cars/mercedes-benz/glc-f-cell.html

Mercedes-Benz GLC F-CELL: Special hybrid with fuel cell | Daimler

 

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수소차의 충전비용과 주행비용은?

충전비용 : 전기차 < 수소차 < 내연기관

충전시간 : 전기차 > 수소차 > 내연기관

주행비용 : 전기차 < 수소차 < 내연기관

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수소연료 전지차 기본 내부도

- 수소 연료 전지 스택(Stack) : 연료전지스택 , 수소공급장치, 공기공급장치

- 수소 저장 탱크

- 전장장치

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출처 : 이베스트 증권

 

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수소저장탱크

- 차량용 수소저장탱크는 고압수소저장탱크가 주료 사용되는데 탄소섬유로 만들어져 있으며 단가가 비쌈

- 탄소섬유는 일본 도레이첨단소재가 세계 1등

- 탄소섬유로 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic, 탄소섬유강화플라스틱)을 만들어 수소저장탱크 개발하여 현대 넥쏘에 탑재

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https://news.mt.co.kr/mtview.php?no=2019082114514064595

탄소섬유 세계1위 日도레이 "수출규제해도 원하는만큼 공급 가능" - 머니투데이

 

수소연료전지 스택

수소연료전지 스택은 수소차 생산비의 40%에 해당하는 가장 중요한 부품이다

수소연료전지 스택의 구성은 아래와 같다

- 분리판(Bipolar Plate) : 현대제철

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- 멤브레인막(막전극접합체, MEA, Membrane Electrode Assembly) : H+만 통과시키는 역할로 고어(미국) 독점하고 있다. MEA은 전해질막(Membrane)과 백금 촉매로 구성된다.

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- 촉매층 : 백금촉매를 사용하며 교세라(일본) 독점

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- GDL(가스 확산층, Gas Diffusion Layer) : 탄소섬유가 주요 재료이며 도레이(일본) 독점

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- 가스켓

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막전극집합체(MEA)

- 막전극집합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)는 수소연료 전지 원가의 40%를 차지한다

- MEA는 전해질막(Membrane)과 백금 촉매로 구성된다.

- MEA는 미국 고어가 기술 보유

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Membrane(전해질막)

- Membrane(전해질막)은 H+ 이온만 통과시키는 필터 역할을 한다.

- 불소계 전해질막 : 현재 주류이지만 비싸다

- 탄화수소계 전해질막 : 생산단가를 낮추기 위해 개발중, H+ 이온 통과 불안정

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백금촉매

- H-H 결합을 깨기 위한 장치로 사용됨

- H는 금속과 가장 빠르게 반응

- 백금촉매기술 교세라(일본) 독점

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GDL(가스 확산층, Gas Diffusion Layer)

- 독일, 일본 기술 보유중

- 분리판으로부터 공급되는 수소와 산소를 촉매로 확산하는 역할

- 높은 가스 확산성, 높은 도전성이 필요

- 탄소섬유 사용되며 도레이(일본) 독점

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분리판

- 포스코, 현대제철 국산화율 100%

- 현재 금속분리판은 세종공업에서 생산 예정

- 수소와 공기는 분리판 양면에 있는 유로를 통하여 각 전극 내부에 공급

- 가스 공급/분리, 전기전도, 물 배출, 내부 열관리 역할

https://h2news.kr/news/article.html?no=8269

세종공업, 수소전기차 금속분리판 생산한다

 

가스켓

- 피에프에스, 동아화성 국산화율 100%

- 각 단위 셀에 반응 기체 및 냉각수의 기밀성 확보를 위해 고무 가스켓 사용

http://www.ph.co.kr/kor/company/family_14_1.asp

평화홀딩스(주)

 

https://www.mk.co.kr/news/stock/view/2018/01/10190/

[단독] 평화홀딩스, 현대차 수소차에 스택 가스켓 공급 예정

 

수소연료 순환장치

- 스택(Stack)에서 전지반응에서 사용되고 남은 수소를 스택(Stack)으로 재순환 공급하는 장치

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공기공급 시스템

공기공급시스템은 연료전지 양극(Cathode)에 산소를 공급하는 장치

열관리 시스템

- 스택(Stakc) 효율 50%이고 나머지 50%는 열로 방출

- 부동액 또는 증류수를 연료전지 스택으로 순환시켜 60도 유지시키는 일종의 냉각장치

- 열관리 시스템 관련 업체는 현대위아, 한온시스템

http://vip.mk.co.kr/news/view/21/5/118910.html

http://vip.mk.co.kr/news/view/21/5/118910.html

 

https://www.chosun.com/site/data/html_dir/2020/08/13/2020081300341.html

한온시스템의 포부 "미래차 열관리 1등 될 것"

 

부품별 공급 체인

현대모비스	연료전지 스택
현대제철	금속분리판
한온시스템, 현대위아	열관리 시스템
코오롱인더스트리, 상아프론테크	MEA
S&T모티브	구동모터
모토닉	수소차단밸브(압력레귤레이터) 퍼지밸브
유니크	수소차단밸브(솔레노이드밸브)
우리산업	전기히터
일진다이아(일진복합소재)	CFRP 수소탱크
피에프에스, 동아화성	가스켓
세종공업	온도압력센서 워터트랩 금속분리판
인지컨트롤스	워터펌프
뉴로스	공기압축기(고속베어링)

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후아...힘들었습니다..

관련 리포트를 쓰신 애널리스트 분들 정말 대단하고 감사합니다.

이제 수소차 관련 신문기사를 보면 대충 이해가 갈랑 말랑 하겠네요..ㅎㅎㅎ