현대 일렉시티 FCEV

현대 일렉시티 FCEV(Hyundai Elec-City FCEV)

현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)

현대 일렉시티 FCEV(Elec-City FCEV)는 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)가 제조 및 판매하는 수소전기버스이다. 현대자동차㈜ 최초의 저상형 전기버스인 일렉시티(Elec-City)에 수소 연료전지 시스템을 도입한 친환경 시내버스로, 수소와 산소의 결합을 통해 만들어진 전기를 통해 주행한다.

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개요

수소전기버스인 현대 일렉시티 FCEV는 현대 일렉시티로부터 파생된 모델이다. 수소탱크에 수소를 저장하는 현대 일렉시티 FCEV는 수소와 산소의 화학반응을 통해 얻은 전기로 구동모터를 움직인다. 따라서 연료전지 시스템을 통해 자체적으로 전기 에너지를 생성하고 저장해 운행되므로, 연료 충전 시간이 짧고 내연기관 자동차 수준에 버금가는 운행 효율성을 제공할 수 있다. 기존 내연기관에 비해 연료 효율이 2배 이상 높아 자연 에너지를 가장 효율적으로 사용할 수 있는 자동차로 각광받고 있다. 이번에 공개된 현대 일렉시티 FCEV는 기존에 출시됐던 수소전기 버스를 바탕으로 성능과 내구성을 강화한 수소 연료전지 시스템을 탑재했다. 90kW 수소 연료전지 2개로 구성한 180kW 급 고용량 수소 연료전지 시스템에는 내구성이 강화된 수소확산층과 전해질막을 적용했다. 전비가 향상된 최고출력 180kW의 구동모터를 통해 언덕이 많은 국내 도로 상황에서도 최적화된 구동력을 발휘한다. 지붕에는 수소탱크 5개를 탑재해 총 34.5kg의 수소를 저장할 수 있게 했으며, 수소를 가득 채울 경우 서울모드 시뮬레이션 기준 최대 434km 이상의 거리를 주행할 수 있다. 수소 저장 용기인 수소 연료탱크는 동일 무게의 강철 대비 6배 이상의 강도를 확보한 탄소섬유 복합재료로 외피를 구성했으며, 수소 투과를 최소화하는 나일론 소재 내피를 적용해 강한 내·외부 충격에도 견딜 수 있도록 했다. 또한 낙하 충격 시험, 상온 압력 반복 시험, 화염 시험, 총격 시험 등 엄격한 기준의 14개 항목 시험을 통과해 안전성을 입증했다. 일렉시티 FCEV는 다른 수소전기차처럼 주행 중에 공기를 정화한다. 연료전지에 사용할 청정한 산소를 수집하기 위해 외부의 공기를 정화해 사용한 뒤, 깨끗한 공기를 다시 대기 중으로 방출한다. 공기필터, 막 가습기, 기체 확산층 원리로 구성한 3단계 공기 정화 시스템을 통해 대기 중에 유입된 초미세먼지를 97% 제거한다. 덕분에 도심을 달릴수록 더욱 청정한 대기 환경을 만든다. 이 밖에도 일렉시티 FCEV는 충전 인프라 구축에 대한 지형적 제약이 적은 장점이 있다. 전기 충전 인프라(고속)는 고전압 케이블을 깔아야 하는 데 어려움이 있는 반면, 수소는 휘발유와 경유를 운송하는 탱크로리처럼 전용 운반 차량을 통해 주기적으로 공급할 수 있다. 아울러 기존 CNG 충전소를 활용해 수소 충전 인프라를 구축할 수도 있다.

특징

에너지 생성 원리

수소 연료전지는 내연기관이 아닌, 수소를 연료로 사용하는 연료전지를 이용해 모터를 가동한다. 먼저 안전한 수소탱크에 보관된 수소는 수소 공급 시스템에 의해 고압 상태에서 저압 상태로 바뀌어 연료전지 스택으로 이동한다. 차량 전방에서 빨아들인 공기는 고성능 공기필터를 통과해 순수한 산소로 변한 뒤 연료전지 스택에서 수소와 결합해 폭발을 일으키게 되고, 이때 발생하는 전기에너지가 배터리 시스템으로 이동해 자동차를 달릴 수 있게 한다. 수소전기 구동계의 핵심인 연료전지는 현대차 넥쏘에 탑재되는 95kW 스택 2개를 적용했다. 기존 디젤 엔진이 차지하고 있던 자리에는 240kW의 센트럴 전기모터가 올라가고, 차체 앞쪽 하부에는 전기에너지를 저장하는 49kWh 배터리가 탑재된다. 지붕 위에는 가장 큰 부피(1,014ℓ)를 차지하는 상용 전용 수소탱크가 들어간다.

충전

수소충전소는 수소를 압축해 저장했다가 수소전기차의 수소탱크에 적합한 기압으로 변환해 공급한다. CNG 충전소와 유사한 구조지만, 수소의 온도 상승 방지를 위한 냉각설비가 있다는 점에서 차이가 있다. 수소충전소의 종류는 오프 사이트(Off-site)와 온 사이트(On-site)로 나뉜다. 다른 곳에서 생산된 수소를 공급받아 운영하는 오프 사이트 수소충전소는 수송 방식에 따라 파이프라인 방식과 튜브트레일러 방식으로 나뉘며, 현재 운영 중인 대부분의 수소충전소는 튜브트레일러 공급 방식이다. 직접 수소를 생산해 공급하는 온 사이트 수소충전소는 수소 생산 방식에 따라 두 가지로 나뉘며, 천연가스 개질 방식은 천연가스가 필요하며 수전해 방식은 담수와 전기가 필요하다. 현대 일렉시티 FCEV의 경우 수소 충전소에서 15분의 충전 시간으로 완전히 충전되며, 완전 충전 시 434km 이상의 주행 가능 거리를 갖는다.

디자인

현대 일렉시티 FCEV는 차체 바닥이 높은 고상형이다. 저상형과 고상형 버스의 가장 큰 차이는 실내 공간과 화물실 공간이다. 고상형 버스 차체는 고속버스와 마찬가지로 차량 하부에 넓은 화물실이 마련되어 있고, 운전자를 포함해 총 29명이 탑승할 수 있다. 저상형(21인승)보다 더 많은 사람을 수용할 수 있으며, 업무에 필요한 장비를 더 많이 적재할 수 있는 것이다. 또한 고상형 버스는 차체가 높기 때문에 국내 도로 여건에 더욱 적합하며 고속 주행도 가능하다. 외형은 큰 차이가 없지만, 저상형 수소전기버스와 고상형 수소전기버스는 차체 구조가 약간 다르다. 차체 하부를 화물실 공간으로 활용하는 고상형 버스는 상대적으로 수소전기차의 주요 부품을 탑재할 공간이 부족하다. 따라서 현대차는 구조적 한계를 극복하고자 고상형 버스 차체에 최적화된 수소전기 시스템을 적용했다.

퍼포먼스

자체 개발한 180kW 연료전지 시스템과 169ℓ급 수소탱크 5개를 탑재하여 동급 최고 용량의 845ℓ 수소 탱크 용량, 그리고 78.4kWh의 경제형 리튬 이온 폴리머 배터리 탑재로 교통 지체 구간이 많은 노선이나 장거리 운행 노선, 언덕 구간 등의 전기 소모율이 높은 운행 노선에 적합하며 정속 주행 시 1회 충전으로 서울모드 기준 474km를 주행할 수 있다. 또한, ZF 신규 센트럴 모터 적용으로 품질을 확보하고 운영 효율을 강화하였다. 수소탱크는 충전한 수소를 저장하여 연료전지에 공급하는 역할을 해주며, 배터리는 만들어진 전기를 저장하여 주행 시 보조 역할을 해주고, 출차 시 배터리 전기를 사용한다. 저장된 수소와 공기 중 산소를 결합해 화학반응으로 전기를 스스로 만들어 주행하는 연료전지 시스템은 전력 손실을 최소화해준다.

기능

• 공기정화 기능 : 수소와 공기 중 산소를 결합해 전기를 생산하는 수소전기차의 공기 정화 기능은 3단계 필터링을 거치면서 물과 공기만을 배출하며 극대화된다. 수소전기버스 1대가는 1km를 달리면서 4.863kg의 공기를 정화할 수 있는 능력을 가지고 있는데, 연간 86,000km를 주행할 경우 418,218kg의 공기가 정화되며, 이 양은 성인 약 85명이 1년 동안 깨끗한 공기를 마실 수 있는 양이다.
• 가상 엔진사운드 및 후방 주차 경보장치 : 안전사고 예방을 위해 인공의 가상소음을 발생시켜 보행자에게 차량의 움직임을 알려주며, 차고지 등 좁은 곳에서 후진 시 운전자의 주차를 도와준다.
• 차체자세 제어장치(VDC; Vehicle Dynamic Control) : 급선회, 급가속, 급제동 등 차량 주행상태에 따라, 엔진 및 각 휠에 장착된 브레이크를 능동적으로 제어하여 차량 주행 안전성을 강화하고 안전 사고를 미연에 방지한다.
• 전/중문 초음파 센서 : 전문과 중문에 초음파 센서를 설치하여 승객의 승, 하차시 안전사고를 예방한다.
• 악셀 인터락 : 전/중문 초음파 센서와 연동하여 승객 감지시 악셀레이터를 밟아도 차량의 출발 방지하며, 차량 출발을 제한한다.
• 기타 : 안전한 주행을 위한 다양한 정보가 탑재된 LCD 클러스터, 버튼형 전자식 자동 변속기·전자식 에어컨 컨트롤러, 강화 플라스틱 재질의 신규 크기 증대 전·중문 파티션 보드, 입석 승객을 배려한 부드러운 재질의 허리 받침대 힙 레스트와 승객석 USB 충전 포트, 최후방석 접근성 개선으로 승객 편의 향상시킨 48인승의 신규 시트 레이아웃 적용 및실내 답단 구조 개선 등이 있다.

비교

현대 일렉시티

수소 연료전지 시스템이 기존 전기자동차 시스템의 일부를 차용했기 때문에 비슷하면서도 다른 구성을 보이는데, 가장 큰 차이점이라면 기존 전기버스가 전기를 충전, 저장시킨 후 단순히 ‘소모’하는 데 반해, 수소전기버스는 수소를 통해 자체적으로 전기를 ‘생산’ 후 모터를 구동시킨다는 것이다. 또한 수소전기버스는 배출되는 오염물질이 전혀 없다. 달리면서 배출되는 유일한 부산물은 수소와 산소의 화학반응에서 생긴 순수한 물이다. 에너지를 소모하고 오염된 부산물을 생산하는 것이 아닌 오염물질을 소모하고 에너지와 깨끗한 부산물을 생산하는 반전은 기존 버스의 틀을 완전히 깨는 모습을 보여준다. 현대 일렉시티 전기버스와 현대 일렉시티 FCEV를 비교해보면, 현대 일렉시티 전기버스의 승차인원은 좌석/입석/운전자 순으로 27/20/1명이며, 최고 출력은 240kW, 충전 시간은 완전 충전까지 72분이 소요되며, 충전 방식은 전기 충전, 주행 거리는 210km, 운행 시 이산화탄소를 배출하지 않으며, 주요 특징으로는 저소음, 저진동, 고출력이라는 특징을 가진다. 일렉시티 FCEV의 경우 승차인원은 좌석/입석/운전자 순으로 22/25/1명이며, 최고 출력 180kW, 충전 시간은 완전 충전까지 15분이 소요되며, 충전 방식은 수소 충전, 주행 거리는 434km 이상, 운행 시 이산화탄소를 배출하지 않으며, 주요 특징으로는 저소음, 저진동, 고출력, 장거리 주행 가능이라는 특징을 가진다.

제원

모델명	현대 일렉시티 FCEV
승차인원	48석(22/25/1)
연료	수소전기
연료전지(스택)	180(90×2)
수소 탱크 용량	845ℓ(169ℓ×5개)
수소 탱크 수소 총량	33.99kg
충전 압력	700bar
모터 타입	ZF 센트럴 모터
모터 출력	300kW
배터리 타입	리튬 폴리머
배터리 용량	78.4kWh(39.2kWh×2개)

현황

2019년 10월 31일 현대자동차㈜는 광화문에서 고속형 경찰 수소전기버스를 최초로 공개하고 산업부, 환경부, 경찰청과 경찰 수소전기버스 개발 보급 확대를 위한 협약(MOU)를 체결했다. 공개된 경찰 수소전기버스는 차체 바닥이 높은 고상형으로 고상형 버스 차체는 고속버스와 마찬가지로 차량 하부에 넓은 화물실이 마련되어 있고, 운전자를 포함해 총 29명이 탑승할 수 있다. 저상형(21인승)보다 더 많은 경찰관을 수용할 수 있으며, 업무에 필요한 장비를 더 많이 적재할 수 있다. 또한 차체가 높기 때문에 국내 도로 여건에 더욱 적합하며 고속 주행도 가능하다. 수소전기버스의 가장 큰 장점은 친환경적인 성능으로, 유해한 배기가스를 전혀 배출하지 않으며, 공기 정화 능력까지 갖춰 진정한 친환경 이동수단으로 주목받고 있다. 2020년 9월 28일 현대자동차㈜는 사우디아라비아의 국영 석유기업 아람코에 수소전기차 4대를 수출했다고 밝혔다. 일렉시티 FCEV 2대와, 스포츠 유틸리티 차량(SUV) 넥쏘 2대를 수출하였으며, 현대자동차㈜가 수소전기 버스를 수출한 것은 처음이다. 현대 일렉시티 FCEV는 2019년부터 국내에서 서울, 부산, 울산, 창원, 전북 등에서 시내버스로 활용되고 있으며, 경찰청의 경찰버스로도 사용되고 있다.

전망

정부는 2028년까지 경찰버스 802대 모두를 수소전기버스로 교체할 계획이다. 이를 실행하기 위해 현대자동차㈜와 산업통상자원부, 환경부, 경찰청이 업무협약(MOU)을 맺었으며, 현대자동차㈜는 2019년까지 고속형 경찰 수소전기버스 2대를 경찰청에 제공하고, 2021년부터 양산을 시작할 예정이다. 경찰청 및 각 부처는 경찰 수소전기버스의 확산을 위해 지원과 협력을 약속했다.

참고자료

• 현대 상용차 공식 홈페이지 - https://www-trucknbus.hyundai.com/kr/products/bus/elec-city-fuel-cell
• 현대자동차, 〈청정한 도심 환경 만드는 현대차 일렉시티, 수소전기 버스와 전기 버스에는 어떤 특징이 있을까?〉, 《HMG 저널》, 2020-08-07
• 현대자동차그룹, 〈All about FCEV(수소전기차) 5 수소충전소는 어떻게 운영될까?〉, 《HMG 저널》, 2019-09-09
• 〈도심의 안전과 환경까지 지키는 현대차 경찰 수소전기버스〉, 《HMG 저널》
• 서형석 기자, 〈현대차, 수소전기차·수소전기 버스 사우디에 첫 수출〉, 《동아일보》, 2020-09-28

같이 보기

• 현대자동차㈜
• 수소전기버스
• 현대 일렉시티
• 현대 일렉시티 굴절버스

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