수소연료전지차란?

수소전기차썸네일

수소연료전지차

가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 친환경 자동차를 말합니다. 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염물질을 배출하지 않는다는 장점이 있습니다. 차 내부에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크 등이 탑재되어 있는 차를 말합니다.

현대자동차 수소전기자동차 이미지( 출처:현대자동차)

 

기존 가솔린 내연기관대신 연료전지(수소와 공기 중의 산소를 반응시키고, 이때 발생하는 전기)를 이용한 차세대 친환경 자동차를 말하고 있습니다. 친환경이라고 하는 것은 수소와 산소가 결합해 에너지를 만든 후 이산화탄소 등의 탄화수소물이 아닌 H2O(물)가 배출되기 때문입니다.
 
수소연료전지차는 수소 공급방식에 따라 다시 두 가지로 나뉘는데, 이 방식은

1) 압축수소탱크 또는 액체수소탱크를 이용해 수소를 공급하는 방식이며

2) 메탄올을 분해하여 수소를 공급하는 방식이 있습니다.

-압축수소탱크·액체수소탱크 이용해 수소 공급

압축수소탱크/액체수소탱크를 이용하여 수소를 공급하는 방식으로 운행 시 발생하는 것은 물뿐이라 완전 무공해입니다. 다만 탱크 탑재로 인한 차량 부피 증대가 되고, 수소의 불안정성, 수소공급 인프라 구축의 어려움 등이 단점입니다.

메탄올 분해로 수소 공급

메탄올을 분해하여 수소를 만들어 공급하는 방식으로 메탄올을 분해할 때 일산화탄소, 질소산화물 등이 발생하기는 하지만, 기존 화석연료 차량에 비해서는 훨씬 적습니다. 이 방식은 기존 연료공급 인프라를 이용할 수 있다는 장점이 있습니다.

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작동원리

수소연료전지차의 핵심

전기 발생은 수소와 산소가 촉매를 통해 반응하여 생성되는 전기로 모터를 구동시킨다는 것입니다. 즉,

물을 전기분해하면 양(+) 극에서 산소가 생성되고 음(-) 극에서 수소가 생성되는데, 이것을 반대로 하여 수소를 이용해서 물을 만들면 그 과정에서 전기가 생성되게 됩니다. 

수소차 작동원리 (출처:현대자동차)

1. 수소탱크로부터 공급된 수소(H2)는 연료전지 스택(Stack)의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해됩니다. 
2. 분해된 수소이온(H+)은 전해질을 통해, 전자(e-)는 전선을 통해 양극(공기극)으로 이동합니다.
3. 외부로부터 공급받은 산소(O2)와 수소이온(H+), 전자(e-)는 양극에서 화학반응을 통해 물(H2O)과 열을 발생시키고. 
4. 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출되게 됩니다. 

수소연료전지차에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열·물 관리 장치, 공조장치, 전력 변환장치, 고압밸브 등이 탑재돼 있습니다. 이 중 스택(Stack)은 일반적으로 수 백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학반응이 일어나 전기가 발생하는 지점입니다. 스택의 단위 셀은 막전극 접합체(MEA)와 분리막(Separate)으로 구성돼 있습니다. 이 중 MEA는 수소 이온을 이동시켜주는 고분자 전해질막, 전해질막의 양면에 백금 촉매를 도포하여 구성되는 촉매 전극인 양극(Anode, 공기극)과 음극(Cathode, 연료극)으로 나뉘게 됩니다. 

수소연료전지차 vs 전기차

 수소연료전지차는 공해물질이 거의 배출되지 않으므로 환경오염이 적고, 적은 연료량으로도 먼 거리 주행이 가능합니다. 그러나 심한 차량 사고 시에는 수소가 폭발할 가능성이 있고, 수소를 생성해 내는 데 있어 에너지 소모가 커 경제성이 단점으로 지적되고 있습니다.
 
수소연료전지차와 전기차를 비교해 보면 수소연료전지차는 충전 시간이 5분 내외로 짧은뿐더러 충전 후 이동거리도 긴 편입니다. 그러나 생산 비용이 높고 차량 가격이 높다는 단점이 있습니다.

전기차는 수소차보다 훨씬 저렴하고, 충전 등 인프라도 상대적으로 구축돼 있다는 장점이 있습니다. 하지만 전기 충전 시 시간이 20~30분으로 비교적 길고, 주행 거리도 수소차보다 훨씬 짧다는 단점이 있습니다.

구분	수소연료전지차	전기차
동력	연료전지(원료는 수소)	전기
장점	· 긴 주행거리 · 짧은 충전 시간(5분 이내)	· 충전 인프라 존재(빠른 상용화) · 상대적으로 낮은 차량 가격
단점	· 충전 인프라 부족(인프라 구축 비용) · 고가의 차량 가격	· 긴 충전시간(20~30분) · 비교적 짧은 주행거리

 

수소연료전지차 개발 현황

세계 최초로 수소연료전지 자동차를 개발한 회사는 다임러 크라이슬러로, 1994년 수소저장 방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였습니다.

현재 다임러 크라이슬러, 포드, GM, 도요타, 현대 등 대부분의 자동차 회사들이 연료전지 자동차 개발에 투자하고 있고 시장 선점을 위한 각축전을 벌이고 있습니다. 또 제너럴모터스(GM)는 2001년 가솔린 이용한 연료전지를 개발했고, 2002년 1월 미국 디트로이트에서 열린 ‘북미 국제 모터쇼’에서 연료전지 콘셉트카인 '오토노미(AUTOnomy)'를 공개해 눈길을 끌었습니다.  

우리나라에서는 현대에서 2001년에 순수 연료전지로 가동되는 '싼타페 연료전지차'의 시범주행에 성공했고, 2002년 9월 미국 캘리포니아 주에서 개최된 '2002 퓨얼셀 로드 랠리'에서 다임러 클라이슬러ㆍ포드ㆍGMㆍ혼다 등 경쟁사 연료전지차와 함께 300마일 연속주행에 성공했습니다. 그리고 현대자동차는 2010년 3월 투싼 ix를 제네바 모터쇼에서 첫 선을 보인 후 2013년 3월 세계 최초로 수소차 양산에 성공하면서 유럽에 처음으로 수출하였습니다.

참고문헌:  pmg 지식엔진연구소