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[자동차 이야기(60)] 수소연료전지 자동차

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◇ 연료전지 자동차란 어떤 자동차인가?
수소연료전지 자동차는 수소연료전지를 통해 전기를 얻어 구동하는 자동차이다. 보통 '수소자동차'로 불리는 자동차는 수소를 연료로 하여 엔진 내에서 폭발시켜 동력을 얻는 '수소내연기관자동차'를 의미한다. 그러나 이런 자동차는 여러 가지 문제가 있어 실용화되지 못하고 있다.

내연기관과 동일하게 수소를 폭발시켜 구동력을 얻는 방식은 수소 연료전지자동차와 마찬가지로 수소 특유의 친환경성과 고성능을 갖고 있다. 그러나 수소연료전지보다 효율이 훨씬 나쁘고, 연료 특성에 맞춰서 연소 시스템을 모두 바꿔야 하며, 소비자 입장에서 보면 특별한 장점이 없어서 이러한 자동차의 개발은 아직 그다지 주목 받지는 못하고 있다.
위와 같은 이유로 현재 주로 연구되고 있는 수소자동차는 거의 대부분 수소연료전지 자동차이다.

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수소연료전지자동차 넥쏘의 구조.


따라서 우리 주변에 수소를 사용하는 자동차는 대부분 '수소연료전지자동차'이다. 그러므로 정확하게 '수소차'라고 부르는 것 보다는 '수소연료전지자동차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)'로 불리는 게 좋겠다.
전기자동차와 함께 차세대 친환경자동차의 대표 후보이며, 내연기관 차량에 비해 연료비가 싸고, 출력이 높으며, 전기자동차에 비해 충전 시간, 주행 거리 등에서 장점이 있다. 다만 아직까지 충전소 등 교통 인프라가 부족한 상태이다. 2019년 현재 수소연료전지 자동차를 출시, 생산하는 나라는 우리나라, 일본이 주도하고, 독일 등에서도 준비하고 있는 실정이다.

◇ 전기가 직접 생산되므로 배터리가 필요 없지 않은가?
수소연료전지 자동차는 수소연료전지를 이용해 전기를 얻어 주행하는 전기자동차이다.
전기자동차와 구조는 거의 똑같은데 배터리 대신 수소연료전지를 주전원으로 이용한다고 보면 된다.
수소를 연료로 즉시 발전해서 전기로 구동력을 내므로 매연이 없고 성능도 우수하다. 수소연료전지 자동차는 이론적으로 보면 배터리를 별도로 탑재하지 않아도 된다. 전기를 생산하여 움직이기 때문이다. 그러나 일반적으로는 회생제동을 활용하기 위해 작은 용량의 배터리를 탑재하고 있다.

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수소연료전지 자동차의 전기발생 원리


◇ 수소연료전지 지동차의 특징
가. 수소의 연료로서의 성능은 우수하나 보관성이 나쁘다.
수소의 열량은 동일 중량당 내연기관 연료의 약 3배정도가 된다. 뿐만 아니라 전기모터 구동의 고효율이 결합되어 주행거리를 늘리기가 유리하다.
현재 출시되는 수소연료전지 자동차들은 1㎏당 100㎞의 주행거리를 제공하며, 대체로 배터리를 이용하는 전기자동차보다 주행거리가 길다.


열량으로만 보면 수소 자체의 성능은 우수한 편이지만 우주에서 가장 가벼운 물질이라 부피가 너무 크다. 때문에 초고압으로 압축해서 투입해야 하는데 그래도 부피가 커서 승용차 정도에서는 공간을 아무리 짜내도 7~8kg밖에 넣지 못하고 있으며, 이 때문에 실제로 한번에 들고 다닐 수 있는 열량이 화석연료 자동차보다도 작아서 오히려 주행거리를 늘리는데 한계가 있다. 따라서 승용차보다는 화물자동차 등 큰 자동차에 유리하다.
현재로서는 지금보다 더 고압으로 집어넣거나 자주 주입할 수 있도록 해결해야 한다. 그러나 자동차는 이러한 방법을 해결한다고 하더라도 수소를 생산지로부터 수소충전소까지 이송하는 것은 더 큰 문제이다. 이러한 것들을 해결해야 하는 숙제가 있다.

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수소연료전지자동차 탱크의 안전시험


나. 자동차의 배출가스는 제로이나 완전한 친환경이라고 하기 어렵다.
수소연료전지 자동차는 연료에 탄소(C)나 다른 불순물이 없고 수소와 산소가 만나 물이 생성될 뿐이므로 유해한 배출가스가 나오지 않는다. 물만 배출된다.

수소자동차는 매연이나 이산화탄소를 배출하지 않지만 수소를 생산하는 과정에서 온실가스인 이산화탄소를 대량으로 배출하므로 결코 완전한 친환경이라고 할 수 없다.
현재 수소를 생산할 수 있는 방법 자체는 많이 있지만 전기분해는 경제성이 낮고 대량생산과 경제성을 확보하려면 천연가스 개질법 등의 화석연료를 가공한 방법이 최선이다. 그러나 이 방법들은 필연적으로 온실가스를 배출하고 결정적으로 화석연료 의존도를 낮출 수가 없다는 문제가 있어서 대체연료를 쓰는 의미가 없어져 버린다. 또한 이산화탄소 포집 등의 각종 탄소저감 기술은 아직 대규모로 경제적으로 하기 힘들뿐더러, 수소 단가를 떨어뜨리는 데에 한계가 있을 수 있다.

다. 자동차의 충전은 빠르지만 충전소를 갖추기가 어렵다
수소연료전지 자동차는 일반 내연기관자동차의 연료충전시간과 가의 비슷하다. 기존의 자동차를 탔을 때처럼 연료 넣고 달리면 된다. 반면 전기자동차는 충전시간을 짧게 줄이기가 어렵다. 최소 30분 이상의 시간이 필요하며, 이 때문에 장거리 주행 시에 불편함이 있다.

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수소 충전소

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자동차의 충전구


현재로는 전국에 수소 충전소가 12군데 밖에 없어 충전하기도 매우 어렵다. 환경부는 22개로 늘릴 계획이라고 하지만 그래도 절대적으로 부족하기는 마찬가지다.
폭발 시 안전거리 확보가 필수적이며 안전성 확보를 위한 자동화된 감시 장치가 필수적이고 관리를 위한 전문 인력을 고용해야 한다. 충전도 아무나 할 수 없고 교육을 받은 전문인력이 해야 한다. 이 때문에 도심지와 인구 밀집지에 설치가 곤란하며 설치 및 운영비용이 상당히 높다.

라. 공기의 정화 기능은 좋으나 촉매제의 가격이 비싸다
큰 효과를 내세우기는 어렵겠지만 수소연료전지 자동차는 연료전지 스택이 효율적으로 작동하기 위해서는 미세먼지가 제거된 청정한 공기가 필요하므로 달리는 동안 주변 공기를 빨아들여 정화한 후 수소연료전지에 사용하고 다시 배기구로 깨끗한 공기를 내보낸다. 따라서 공기를 정화하는 기능도 수행한다.

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넥쏘의 엔진룸


산소와 수소가 빠르게 반응하기 위해 필요한 촉매의 재료인 팔라듐, 백금, 세륨 등의 확보가 필요하며 이 때문에 연료전지의 가격이 너무 비싸다. 또 이런 귀금속은 양이 많지 않기 때문에 이를 대체하기 위한 새로운 촉매의 개발이 연구되고 있다.

마. 현재는 수소 단가가 싸지만 비싸질 가능성이 있다.
과거에는 수소 제조에 들어가는 비용이 많이 소요되었으나 현재는 천연가스 개질법이나 나프타 분해를 통해 저렴하게 수소의 대량 생산이 가능해졌다. 수소연료전지 자동차들이 대량으로 늘어났을 때 어떻게 바뀔지는 알 수 없지만 일단 생산단가는 화석연료보다 훨씬 저렴하게 확보된 상황이다. 현재는 공짜나 마찬가지인 부생수소를 이용하기 때문에 가격이 싸지만 생산량이 부족해질 정도로 수소차가 대량 보급되면 결국 천연가스를 변환해 사용할 수 밖에 없다.
수소는 천연가스를 변환해 생산하므로 천연가스보다 비쌀 수밖에 없고 충분히 대량생산이 되지 않아 경제성이 떨어진다. 또 수송과 저장과정에서 손실도 많고 생산, 수송, 판매 등 모든 인프라 투자비가 비싸서 이 비용이 모두 수소 판매가에 반영되기 때문이다. 또 안전 문제 때문에 셀프주유가 곤란하고, 교육훈련을 받은 상시고용 인력이 필요하기 때문에 인건비도 가중된다.
따라서 이러한 문제에 대한 해결책을 제시하고, 싸게 공급하도록 노력하지 않으면 안된다.

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계기판의 에너지 흐름


바. 안전과 수명의 한계, 정비의 어려움이 있다.
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장형성 신한대 기계자동차융합학과 교수

수소 자체의 폭발 가능성은 그리 크지 않으나 가연성이 높은 초저온 고압가스이므로 취급과 안전에 주의를 해야 하고, 점검도 자주해야 한다. 또 고압의 수소는 장기간 사용하면 금속 탱크나 금속 파이프 등 금속을 약하게 하는 수소 취성이 있기 때문에 수소가 새거나 폭발할 우려가 있어서 신뢰성을 확보하려면 일정 기간 사용 후 파이프와 탱크 등을 교체해 주어야 하므로 유지비가 많이 들어가게 된다.
수소연료전지 자동차는 전기차의 특성을 그대로 가지고 있는데다 연료 전지 스택 및 수소 라인까지 포함된 복잡한 구조를 가지고 있어서 정비하는데에 어려움이 있다.

※ 이 내용은 현대 자동차가 제공한 자료를 토대로 작성한 것입니다.


장형성 신한대 기계자동차융합공학과 교수

장형성 신한대 기계자동차융합공학과 교수

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