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(201009) 친환경 자동차 중 최고봉, 수소연료전지차

2020년
10월
작성자
손 예진
작성일
2023-01-02 00:03
조회
3
‘궁극의 친환경차’라 불리는 ‘수소연료전지차(FCEV·Fuel Cell Electric Vehicle)’가 등장했다. 수소연료전지차는 단지 화석 연료나 원자력 발전을 통해 생성된 전기를 갖고 달리는 전기차와는 다르다. 수소연료전지차는 수소와 공기 중의 산소를 화학반응을 시켜 얻은 전기로 모터를 구동하여 달리는 자동차이다. 또한, 이것은 원료가 수소인 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 배기가스와 오염물질 배출 대신 물이 배출되어 차세대 친환경 자동차에 속한다. 이 때 수소연료전지차 내부는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열 및 물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압밸브 등이 탑재되어 있다.

수소연료전지차는 언뜻 보기에 수소차(HICEV)와 명칭이 비슷해 보이지만, 전혀 다른 자동차이다. 주행할 때 물을 배출한다는 점은 공통점이지만, 동력을 얻는 부분에서 차이점을 보인다. 수소차는 실린더에서 직접 수소를 연소하여 동력을 얻지만, 응축된 액화 수소를 보관하기가 쉽지 않아 현재까지 성공하지 못했다.

 

▲프크푸르트 모터쇼 2009에서 전시된 수소연료 전지 구동 메르세데스 차량

 

또한, 수소연료전지차는 앞서 언급한 전기차와도 차이점이 명확한 자동차이다. 우선 수소연료전지차가 더 친환경적인 특징을 가지고 있는데, 장단점 또한 전기차와 상반된다. 특히 수소연료전지차는 적은 연료량으로도 장거리 운행이 가능하다는 장점이 있다. 그뿐만 아니라 수소연료전지차 충전시간은 5분 내외로 짧기 때문에 시간 단축이 된다. 이에 반면, 일반 전기차는 충전이 20분에서 30분가량 걸리며, 그에 비해 갈 수 있는 주행거리도 약 200km 이내로 매우 짧다.

이렇게 수소연료전지차의 장점이 있지만, 반대로 단점은 수소를 생성해 내는 데에 있어 에너지 소모가 심해 인프라 구축 비용이 높다는 것이다. 또한, 친환경에 속하고 충전시간이 짧은 만큼 차량이 고가의 가격을 달하고 있다. 아직까지 많이 이용되고 있지 않은 수소연료전지차는 올해 현대차에서만 1만 1,000대 수준의 생산이 이행 중이다. 이에 반해, 전기차는 수소연료전지차보다 훨씬 저렴한 가격대를 유지하고 있으며, 그렇기 때문에 빠른 상용화가 진행 중이다.

 

▲경남도청에서 제공한 수소 에너지 관련 사항

 

수소연료전지차의 최악의 단점은 심한 차량 사고 시 수소의 폭발이 일어날 수 있다는 점이다. 그렇기 때문에 긴급 상황에서 적재에 수소공급을 차단하고 화재나 위험을 인지했을 때 탱크에 있는 수소를 대기로 방출하는 안전장치가 수소연료전지차 내에 탑재되어 있다. 그러나 전문기관의 연구에 따르면 수소는 가장 가벼운 기체로 공기 중에 빠르게 확산되어서 점화나 폭발의 조건이 되긴 어렵다고 밝혔다. 수소를 충전하는 수소충전소 또한 안전을 위해 주요 설비나 부품에 대한 검사와 인증을 실시하고, 3중 안전 장치 설치, 안전 관리자 상주 및 안전거리 확보 등으로 관리가 철저하게 실행 중이다.

그렇다면 차세대 친환경 자동차인 수소연료전지차의 작동원리는 무엇일까? 앞에서 잠시 언급했듯 수소연료전지차는 전기로 달리긴 하지만 수소의 역할이 크다. 전기 발생에 있어 수소와 산소의 촉매를 통해 생성된 전기로 모터를 구동한다. 다시 말해, 물을 전기분해 해보면 양(+)극에서 산소가 생성되고 음(-)극에서 수소가 생성되는데, 이 원리를 사용한 것이다. 이 원리를 반대로 활용하여 수소를 이용해 물을 만들면 그 과정에서 전기가 발생하고, 그 전기로 자동차가 달린다는 것이다. 따라서 수소연료전지차는 다른 자동차와는 다르게 물이 배출되기 때문에 친환경적이다.

 

▲수소연료 전지 다이어그램

 

수소연료전지차에 탑재되어 있는 부품들 중 스택(stack)이 바로 전기가 발생하는 곳이다. 이 스택은 일반적으로 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 이 부품에서 산소와 수소의 화학반응이 일어난다. 스택의 단위 셀은 막전극접합체(MEA)와 분리막(Separate) 두 가지로 구성되어 있다. 이 중 MEA에서 전해질막의 양면에 백금 촉매를 도포하여 구성된 촉매전극인 양극(공기극)과 음극(연료극)으로 나뉜다. 또한, MEA는 수소 이온을 이동시켜주는 고분자 전해질막까지 갖춘 섬세한 부품이다.

위 원리들을 순서대로 정리한 것은 다음과 같다.

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.

이러한 수소연료전지차는 1994년 ‘다임러 크라이슬러’라는 회사에서 처음 개발되었다. 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1를 선보이면서 각 자동차 회사에 크게 영향을 주었다. 현재 다른 자동차 회사들도 높은 효율성 때문에 연료전지 자동차 개발에 힘쓰고 있으며, 시장 선점을 위한 각축전을 벌이고 있는 상황이다. 우리나라에서는 2010년 현대자동차가 투싼ix를 제네바모터에서 첫 선을 보이고 2013년 3월 세계 최초로 수소차 양산에 성공하면서 유럽에 처음으로 수출되기도 했다.

전 세계에서의 배기가스는 현재 규제까지 생기고 있는 추세이다. 유럽의 연비규제 계획에 따르면 이산화탄소 배출 허용치는 2020년에 95g/km, 2030년엔 67g/km, 2050년에 10g/km까지 낮출 계획으로 보인다. 또한, 유럽을 비롯하여 미국과 중국 등의 대다수 국가에서 친환경차 의무 판매 제도를 실행하기도 했다. 즉, 친환경 자동차 개발이 선택보다 필수로 꼽힌 것이다.

수소연료전지차는 ‘도로 위 공기청정기’의 별명까지 갖고 있다. 연료전지에서 수소와 화학반응을 일으킬 산소를 외부에 있는 산소에서 수집하여 공기를 정화하고 사용한 후 다시 산소배출이 진행된다. 이 정화과정에서 통과된 산소는 초미세먼지가 무려 99.9% 이상이 제거된다고 한다. 이러한 과정이 있어 ‘공기청정기’라고 불리고 있다.

 

▲수소전지차 현대차 넥쏘

 

그렇다면 수소연료전지차를 주행하면서 정화할 수 있는 산소는 얼마나 될까? 현대차에 따르면 수소연료전지차인 넥쏘를 1시간 주행했을 때 26.9kg의 산소를 정화할 수 있다고 한다. 이는 성인 42.6명이 1시간 동안 소비할 수 있는 양이다. 그렇기 때문에 만약 서울에서 10만 대의 수소연료전지차가 운행되면 시민 85%(854만 명)가 깨끗한 공기를 마실 수 있다고 한다. 여기서 더 나아가 수소연료전지차가 100만 대 주행할 시에는 210만 톤의 이산화탄소 감소로, 30년생 소나무 3억 2,000만 그루를 심은 것과 같은 역할을 한다고 한다.

이처럼 친환경의 정점을 찍고 있는 수소연료전지차의 인지와 상용화 확보가 아직까지 많이 부족하다. 물론 지속적인 개발과 발전 또한 필요하지만, 현실적으로 자동차도 판매, 구매 상품이기 때문에 홍보나 모범시행 등이 필요하다. 특히 공급 확대 관건은 수소충전소이다. 이에 정부는 수소충전소 확대를 위해 공공부지를 활용하여 수소충전소 450기를 설치할 계획이라고 밝혔다. 하지만 이에 대하여 국민들은 폭발 위험이 있다며 불안감을 갖고 있어 이행과정에서 갈등이 일어났다. 이에 해결방안을 모색하는 것이 정부와 각종 연구원들에게 시급한 것이라고 말할 수 있다.

수소연료전지차의 확산이 이루어진다면 더 쾌적한 공기 중에 모두가 행복하게 살 수 있다. 이를 위해서 앞서 말한 것과 같이 정부의 지원도 필요하며, 상용화를 위한 인식개선도 필수적이다. 또한, 어떻게 보면 수소연료전지차도 하나의 상품이므로 고객 입장에서 보다 더 사고 싶게 만드는 마케팅 전략이나 저렴한 가격대, 보장된 안전성이 필요하다. 만약 이러한 조건을 갖춘 수소연료전지차가 유행한다면 멀지 않은 미래에서 상쾌한 공기를 서울에서도 마실 수 있을 것이다. 수소연료전지차에 다 같이 관심을 갖고 환경을 지켜보고자 다짐하는 것은 어떨까?

 



이미지 출처
https://www.nocutnews.co.kr/news/5416839
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=70405&cid=43667&categoryId=43667
https://n.news.naver.com/mnews/article/018/0004751736?sid=103
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