수소전기차의 구동원리이다. 전기 모터로 움직이는 것은 전기차와 동일하지만 전기차는 배터리를 충전해두었다가 전기를 쓰는 것이라면, 수소전기차는 수소를 저장해두었다가 연료전지에서 수소를 공기를 화학반응 시켜 전기를 만들어서 모터를 돌리는 것이 차이점이다. 출처 : hyundai.co.kr/TechInnovation/Electrification/Fcev.hub
1. 정의
‘(수소) 연료전지 자동차(Fuel Cell Electric Vehicle: FCEV; 약칭 수 소전기차)’란 수소를 사용하여 발생시킨 전기에너지를 동력원으로 사용하는 자동차로 정의된다(「환경친화적 자동차의 개발 및 보급 촉진 에 관한 법률」(이하 친환경자동차법) 제2조). 보통 수소를 에너지원으로 활용하는 자동차를 ‘수소자동차(Hydrogen Car)’로 통칭하는데, 수소를 엔진을 통해 직접 연소하여 구동에너지로 활용하는 수소연료 자동차(Hydrogen Fueled Car)와 함께 수소연료전지차가 이에 속한다. 그러나 수소차 개발 초창기 각광받던 수소연료차가 상대적으로 낮은 연료 효율로 인해 사실상 사장된데 반해서 수소를 직접 연소 하지 않고, 연료전지를 활용하여 전기에너지로 구동에너지를 활용할 경우 상대적으로 효율성이 높다(동급 내연기관차의 약 2배)는 점에서 수소차의 중심이 수소연료전지차 개발로 이동하였다. 그래서 최근에는 사실상 수소연료전지차가 ‘수소차’의 동의어로 인식되고 있다.
수소‘연료전지’차라는 명칭에서 직접적으로 알 수 있듯이, 수소전기차는 구동에너지 생산을 ‘연료전지’에 의존한다. 연료전지는 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA), 가스확산층, 분리판, 가스켓(가스밀폐) 등으로 구성된다.
출처 : 에너지경제연구원 - 수시연구보고서 17-07 - 수소연료전지자동차(FCEV) 충전용 수소 시장조성을 위한 정책연구
출처 : 에너지경제연구원 - 수시연구보고서 17-07 - 수소연료전지자동차(FCEV) 충전용 수소 시장조성을 위한 정책연구
이중 고분자전해질막 연료전지(PEMFC)만이 현재 수소전기차에 사실상 전적으로 활용되고 있다. 고분자전해질막 연료전지는 알칼리 연료전지(AFC)와 같이 80°C 정도의 온도에서 작동하는 저온형 연료전지의 하나이다. 그러나 동일한 저온형 연료전지이지만 수산화칼륨 용액을 전해질로 사용하는 알칼리 연료전지(AFC)와는 고분자막을 전해질을 사용한다는 점에서 구별된다. 또한 알칼리 연료전지와는 달리 순수한 산소 대신 대기 중의 공기만으로도 작동할 수 있다는 장점이 있으며, 전력 밀도가 높고, 부피가 작기 때문에 수소전기차 등을 포함 이동형 전원 공 급원으로 사용하는 데 적합하다.
반면 비싼 귀금속인 백금을 촉매로 사용 하고 있는 관계로 제조비용이 높다는 점과 함께 황과 일산화탄소가 촉매 를 오염시키기 때문에 순수한 수소를 공급해야 한다는 단점도 지니고 있다.
최근 개발된 고분자전해질막 연료전지의 사용 수명은 약 5,000시간으로, 이는 150,000~200,000km를 주행하는데 충분한 수명으로 평가된다.
수소 에너지 사회로 나아가기 위해서는 연료전지, 수소 생산, 저장, 운송에 대한 기술 발전이 필요한데 그 기술 발전의 첨병 역할을 수소전기차가 할 것이라는 설명이 인상적이다. 또, 가정용, 발전용 연료전지에 비해서 수송용 연료전지의 기술 요구 수준이 높아서 수소 전기차에서 얻은 혁신 기술이 타 부문으로 이전되어 기술 발전이 이뤄질 것 이라는 설명도 눈에 띈다. 출처 : hyundai.co.kr/TechInnovation/Electrification/Fcev.hub
연료전지 스택과 함께 수소전기차는 운전장치(수소공급·공 기공급·열관리장치 등), 수소저장장치 및 전장장치 등으로 구성된 동력 전달장치(powertrain)를 장착하고 있다. 이중 전장 장치는 일반 전기차(Electric Vehicle)와 유사하여, 공유되는 구성품이 다. 반면 연료전지 스택 및 운전장치(수소공급·공기공급·열관리장치 등)를 합친 ‘연료전지 시스템’과 수소저장장치가 기존 내연기관이나 전기차와 구별되는 수소전기차만의 특징적 구성품이라 할 수 있다. 특히 연료전지 시스템은 수소전기차의 구동에너지(즉 전기에너지)를 생산하는 일종의 소형 발전기로서, 사실상의 엔진 역할을 한다.
현대자동차 넥쏘에 적용된 기술 설명 그림. 출처 : https://news.hmgjournal.com/Tech/fuel-cell-system-safety출처 : 에너지경제연구원 - 수시연구보고서 17-07 - 수소연료전지자동차(FCEV) 충전용 수소 시장조성을 위한 정책연구현대자동차 넥쏘에 적용된 기술 설명 그림. 출처 : https://news.hmgjournal.com/Tech/fuel-cell-system-safety
출처 : 에너지경제연구원 - 수시연구보고서 17-07 - 수소연료전지자동차(FCEV) 충전용 수소 시장조성을 위한 정책연구
미국의 스타트업 기업 니콜라는 2020~2021년 수소전기 트럭 양산 목표로 한 때 주가가 급등하기도 하였으나 기술력은 갖추지 못한 것으로 보여진다. 현대차는 실제로 수소전기 트럭을 수출하고 있는 중이다. 그림 출처 : tech.hyundaimotorgroup.com/kr/article/all-about-fcev-4-fcevs-on-the-roads/
출처 : hmgjournal.com(참고)미국 스타트업 기업 니콜라 주가 흐름. 소문만 무성했을 뿐 현재까지 보여준 것은 없다. 이 니콜라가 예전에 현대차에 협의를 제안하였다가 거절하였다는 웃픈 과거도 있다. 여기에서의 현대차의 안목은 옳았음을 알 수 있다.일본 기업들의 기술력이 훌륭하긴 하지만 아직까지 양산된 수소 전기차의 기술력으로는 현대차가 가장 앞서있는것 같다. 독일의 여러 회사들과 미국 GM 까지도 수소 전기차의 기술 개발을 등한시하고 있지 않음을 알 수 있다. 출처 : tech.hyundaimotorgroup.com/kr/article/all-about-fcev-4-fcevs-on-the-roads/
넥쏘용으로 만들었던 연료전지모듈을 활용하여 비상발전시스템을 만들었다고 한다. 큰 대형 건물의 지하와 같은 곳에서 친환경적이고 조용하게 발전을 할 수 있어서 좋을것 같다. 출처 : hmgjournal.com
일상을 지나다보면 내연기관 지게차에서 엄청나게 검은 매연이 뿜어져나와서 숨쉬기가 어려울때가 있는데, 이렇게 수소연료전지 지게차를 개발한 것은 높이살만한 부분이라고 생각한다. 나중에는 수소연료전지 굴삭기, 덤프트럭, 레미콘 등 다양한 산업용 기계들이 개발되길 응원한다. 출처 : hmgjournal.com수소전기트램도 좋은 아이디어라고 생각한다. 흉물스러운 전선과 전봇대가 없어서 도심의 미관을 해치지도 않고 일반 내연기관이나 전동화 열차에 비해서 연료전지 흡기쪽에 고성능의 필터를 사용하기 때문에 보행자들이 흡입하는 공기질도 개선될 수 있어 좋은 점이 있는 것 같다. 출처 : hmgjournal.com
비상발전시스템과 거의 같은 개념의 발전기같다. 이것은 조금 더 소형화해서 이동성을 높인것으로 보여진다. 출처 : hmgjournal.com
정부의 로드맵과는 달리 수소충선소는 많이 건설되지 못한것으로 보인다. 반면 2020년 12월 30일자 기사를 보면 수소생산공장에서 배관을 통해 수소를 지속적으로 공급받는 수소충전소가 일본, 미국에 이어 세계에서 3번째로 울산에 준공되었다고 한다. 하루에 130여대의 수소전기차 충전이 가능하다고 한다. 느리지만 우리나라도 꾸준히 발전하고 있음을 알 수 있었다. (좌측 : 네이버 지도 - 수소충전소 검색, 우측 : 파이낸셜뉴스)
3. 비판적 시각
한계에 봉착한 수소 저장 기술, 동력 성능을 저하시키는 연료전지 발열, 전기차보다 낮은 에너지 효율로 수소전기차에 대한 비판적인 의견 또한 존재하고 있다.
출처 : 이코노미조선 2019.02.23 기사
4. 나의 생각
자동차 커뮤니티를 보면 수소전기차에 대해서 비판적인 시각을 가진 사람들이 꽤 많이 존재함을 알 수 있다.
나의 생각으로는 전기차와 수소전기차는 이름만 비슷할 뿐 각각 발전해나갈 것이라고 생각한다.
내연기관의 과거를 보았을때 일반적인 승용차는 휘발유 차량이 주류이고, 경유는 (일부가 승용차용으로 사용되긴 하였지만) 발전소, 선박, 기차 등 산업의 다양한 곳에서 사용된 것 같은 방향으로 나가지 않을까 생각한다.
전기차의 기술이 발전하면 수소전기차의 기술 발전에도 도움이 되고, 수소전기차의 기술이 발전하면 산업 전반적으로 도움이 될 것 이다.
아직 수소전기차에 기술적 난제가 여럿 존재할지도 모르겠지만, 과학기술은 항상 발전해왔고 앞으로도 반드시 그럴 것이라 생각한다.
