수소자동차

수소자동차(hydrogen fueled car)는 수소를 연료로 이용하는 자동차로 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 친환경 자동차를 말한다. 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염물질을 배출하지 않는다. 차 내부에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크 등이 탑재돼 있다. 국내 최초의 수소 자동차는 1993년 성균관대학교 내연기관연구팀이 800cc 3기통 엔진을 개조한 수소직접 분사형의 '성균1호'이다. 플랫폼은 당시 아시아자동차 '타우너 밴'을 활용하였으며, 가장 어려운 분사밸브 개발을 포함하여 완성에 6년이 소요되었지만 상용화는 되지 않은 연구형 모델이다.

개요

수소자동차는 수소를 연료로 하며, 수소연료전지를 통해 전기를 얻어 구동하는 차량이다. 이는 수소내연기관자동차와 수소연료전지자동차가 모두 포함되는 말이다. 하지만 수소내연기관차량은 아무 이점이 없기 때문에 의미없는 방식이라 수소차가 통상적으로 의미하는 바는 수소연료전지자동차이다. 전기자동차 등과 함께 차세대 교통수단 후보로 경쟁하고 있으며, 내연기관 차량에 비해 연료비가 싸고, 출력이 높으며, 전기자동차에 비해 충전 시간, 주행 거리 등에서 장점이 있다. 다만 아직까지 충전소 등 교통 인프라에서 전기자동차에 크게 밀리는 상황이다. 국내 최초의 수소자동차는 성균관대학교 내연기관연구팀이 개발해 1993년 6월 선보인 `성균1호`로서 아시아 타우너 밴을 기초로 만들었다. 성균1호는 800cc 3기통 엔진을 개조해 실린더 내에 수소를 직접 분사하는 엔진을 얹었다. 분사밸브는 개발팀이 독자적으로 개발한 볼 밸브 유압구동방식을 썼다. 연료는 고압수소탱크 4개를 차의 뒷부분에 얹어 공급한다.

종류

수소연료전지차

기존 가솔린 내연기관 대신 연료전지를 이용한 차세대 친환경 자동차를 말한다. 이 연료전지는 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 발생하는 전기를 사용한다. 친환경이라고 하는 것은 수소자동차는 일반 가솔린자동차와 달리 가솔린 대신에 수소를 연료로 하므로 배기가스의 주성분은 물이며, 수소와 산소가 결합해 에너지를 만든 후 질소산화물이 약간 배출되는 것외에는 공해물질이 거의 배출되지 않는다. 수소연료전지차는 수소 공급방식에 따라 다시 두 가지로 나뉘는데, 첫 번째로 압축수소탱크 또는 액체수소탱크를 이용해 수소를 공급하는 방식과 두 번째로 메탄올을 분해하여 수소를 공급하는 방식이 있다. 압축수소탱크 또는 액체수소탱크 이용해 수소 공급하는 방식은 압축수소탱크나 액체수소탱크를 이용하여 수소를 공급하는 방식으로 운행 시 발생하는 것은 물 뿐이라 완전 무공해이다. 다만 탱크 탑재로 인한 차량 부피 증대, 수소의 불안정성, 수소공급 인프라 구축의 어려움 등이 단점이다. 두 번째로 메탄올을 분해하여 수소를 만들어 공급하는 방식으로 메탄올을 분해할 때 일산화탄소, 질소산화물 등이 발생하기는 하지만, 기존 화석연료 차량에 비해서는 훨씬 적다. 이 방식은 기존 연료공급 인프라를 이용할 수 있다는 장점이 있다.

작동원리

수소연료전지차의 핵심인 전기 발생은 수소와 산소가 촉매를 통해 반응하여 생성되는 전기로 모터를 구동시킨다. 즉, 물을 전기분해 하면 양(Anode, 공기극, +)극에서 산소가 생성되고 음(Cathode, 연료극, -)극에서 수소가 생성되는데, 이것을 반대로 하여 수소를 이용해서 물을 만들면 그 과정에서 전기가 생성된다. 먼저, 수소탱크로부터 공급된 수소는 연료전지 스택의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온과 전자로 분해된다. 분해된 수소이온은 전해질을 통해, 전자는 전선을 통해 양극으로 이동한다. 그리고 외부로부터 공급받은 산소와 수소이온, 전자는 양극에서 화학반응을 통해 물과 열을 발생시킨다. 이렇게 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출된다. 수소연료전지차에는 연료전지스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열·물 관리 장치, 공조 장치, 전력변환장치, 고압 밸브 등이 탑재돼 있다. 이 중 스택은 일반적으로 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학반응이 일어나 전기가 발생하는 지점이다. 스택의 단위 셀은 막전극접합체와 분리막으로 구성돼 있다. 이 중 막전극접합체는 수소 이온을 이동시켜주는 고분자 전해질막의 양면에 백금 촉매를 도포하여 구성되는 촉매 전극인 양극과 음극으로 나뉜다.

수소내연기관 자동차

수소는 무색, 무취, 무독성의 기체로서 공기 중에서 산소와 만나 점화시키면 폭발하는 성질을 이용하여 내연기관에서 연소시켜 동력을 얻는 자동차를 수소내연기관 자동차 또는 수소엔진 자동차라고 한다. 일반적인 내연기관과 동일하게 수소를 터트려 구동력을 얻는 방식이다. 수소 내연기관 자동차도 연료전지와 마찬가지로 수소 특유의 친환경성과 고성능은 그대로 가져간다. 그러나 수소연료전지보다 효율이 훨씬 낮고 연료 특성에 맞춰서 연소 시스템을 죄다 새로 개발해야 하는 데다 소비자 입장에서는 특출난 장점이 없으면서 내연기관의 단점은 다 떠안기 때문에 아직 연구 단계이며, 그다지 주목받지는 못하고 있다. 위와 같은 이유로 주로 연구되고 있는 수소자동차는 대부분 수소연료전지 자동차이다. 새로운 차기 교통수단으로 주목받는다고 하나 아직까지는 기를 펴지 못하고 있는데 차기 교통수단의 경쟁상대라고 할 수 있는 전기자동차가 예상외로 급격하게 성장했기 때문이다. 그런데도 수소 자동차 진영에서는 전기자동차 특유의 개선하기 어려운 한계가 많은 관계로, 분명 수소자동차로 넘어가는 시기가 오기는 올 것으로 예상한다. 그게 언제가 될지가 아직 보이지 않는다는 게 문제일 뿐이다.

특징

장단점

장점

• 우수한 수소 성능과 미래전망 : 수소의 열량은 동일 중량당 내연기관 연료의 약 3배나 된다. 하물며 무거운 배터리와는 비교 불가. 거기다 전기차 특유의 고효율이 결합하면서 주행거리를 늘리기가 쉬운 편이라 출시되는 수소차들은 1㎏당 100㎞의 주행거리를 제공하며, 대체로 축전지 기반 전기자동차보다 주행거리가 길게 나온다. 그리고 전 세계적으로 2030년까지 5,000개 이상의 수소충전소 설치 계획이 있고 연료전지 모빌리티 운행으로 1일 약 2,000만 배럴의 기름을 수소가 대체하게 된다. 그리고 2050년경 연간 이산화탄소 배출량이 4억 4,000만 톤으로 감축이 가능하다.
• 빠른 충전 : 2018년 현대자동차㈜에서 공개한 넥쏘는 완전히 충전하는 시간을 5분으로 예상한다. 화석연료 주입 시간과 거의 비슷해서 그냥 화석연료 자동차를 탔을 때처럼 연료 넣고 달리면 된다. 반면에 전기자동차는 충전 시간을 짧게 하기가 어려워 최소 30분 이상의 시간이 필요하며, 이 때문에 장거리 주행 시에 불편함이 있다.
• 저렴한 수소 단가 : 과거에는 수소 제조에 들어가는 비용이 기름값보다 비쌌지만, 천연가스 개질법이나 나프타 분해를 통해 저렴하게 수소의 대량 생산이 가능해 1㎏당 약 5,000원의 단가로 충분히 저렴하게 생산이 가능하다. 해당 기술들은 수소 대량 생산에 쓰이고 있으며 일상적인 기술이다. 실제로 수소자동차들이 대량으로 늘어났을 때 어떻게 바뀔지는 알 수 없지만 일단 생산단가는 화석연료보다 훨씬 넉넉하게 확보된 상황이다.
• 대기 환경 : 수소연료전지 자동차는 연료에 탄소나 다른 불순물이 없고 수소와 산소가 만나 물이 생성될 뿐이므로 유해한 배기가스가 전혀 나오지 않는다. 물이 배출된다는 특징 때문에 차량 통행이 잦을 경우에는 습도 관리가 필요할 수 있겠지만 유해한 배기가스보다는 유해하지 않다.

수소연료전지 스택이 효율적으로 작동하기 위해서는 미세먼지가 제거된 청정한 공기가 필요하므로 수소차는 달리는 동안 주변 공기를 빨아들여 정화한 후 수소연료전지에 사용하고 다시 배기구로 깨끗한 공기를 내보내게 된다. 공기 중 먼지나 화학물질은 3단계 공기정화 시스템을 통해 정화된다. 그래서 매연이 나오기는커녕 오히려 공기정화기로서의 기능도 수행할 수 있다. 현대 넥쏘의 경우 한 시간 주행 시 26.9㎏의 공기를 정화할 수 있는데, 이는 성인 48.9명이 한 시간 동안 호흡하는 공기량에 해당한다. 다만 공기 여과에 필요한 필터가 소모성이기 때문에 환경적으로는 장점이겠지만 차량 소유주 입장에서는 유지비가 강제로 늘어나는 꼴이라 단점이 될 수도 있다.

단점

• 안전성 : 일반인의 우려와는 달리 수소 자체의 폭발 가능성은 그리 크지 않으므로 결정적 결점이라고 보기 어렵다. 하지만 여전히 가연성이 높은 고압가스이므로 취급과 안전에 매우 주의를 해야 하고 점검도 자주 해야 하고 설비도 이에 맞게 안전성을 위해 강도와 신뢰성을 확보해야 한다. 그러므로 수소 자동차나 수소충전소 등은 비슷한 규모의 천연가스 차량이나 천연가스 충전소 등에 비해 원가가 높고 비용이 많이 들어갈 수밖에 없다. 또 고압의 수소는 장기간 사용하면 금속 탱크나 금속 파이프 등 금속을 약하게 하는 수소취성 (hydrogen embrittlement) 이 있으므로 금속이 고운 가루로 바스러져 수소가 새거나 폭발할 우려가 있어서 신뢰성을 확보하려면 일정 기간 사용 후 파이프와 탱크 등을 교체해주거나 하므로 수명이 짧아 유지비가 많이 들어가게 된다.
• 수송비용 과다 : 수소는 운송비용이 매우 비싸다. 초고압 기체 연료이므로 액화 천연가스 운송비보다 훨씬 비싸다. 수소 공장에서는 싸게 생산해도 이를 소비지까지 운송하기가 어렵다. 파이프라인으로 운송하면 싸지만, 가스 탱크로리나 튜브 트레일러 등 트럭으로 운반하게 되면 생산지인 울산에서 소비지인 서울까지의 운송비가 가스값의 2배나 되어 가격 3배 이상으로 뛴다. 트럭 운송으로는 튜브 트레일러라는 특수차량을 이용하는데 40톤 트레일러 1대당 250kg에서 500kg밖에 수송하지 못하므로 트레일러 1대로 자동차를 불과 30~60대 정도밖에 충전하지 못한다. 이에 비해 LNG/LPG는 통상 탱크로리 대당 20톤 정도 수송할 수 있고 이는 차 1천 대를 충전할 수 있는 분량이다.
• 복잡한 정비 : 수소차는 전기차의 특성을 그대로 가지고 있는 데다 연료 전지 스택 및 수소 라인까지 포함된 복잡한 구조로 되어 있어서 정비에는 추가 인프라가 필요하다. 예를 들어 수소 탱크 및 파이프 관련 정비를 할 때는 탱크 내의 수소를 비워야 하는데 폭발 위험성 때문에 따로 특별히 관리가 되는 전용 외부 공간에서만 허용이 되고 근처에 고층 빌딩이 있으면 아예 불허된다.
• 다양한 제약 : 사실 열량으로만 보면 수소 자체의 성능은 우수한 편이지만 우주에서 가장 가벼운 물질이라 부피가 해도 해도 너무 크다. 그 때문에 초고압으로 압축해서 투입해야 하는데 그래도 부피가 커서 승용차 정도에서는 공간을 아무리 짜내도 7~8kg밖에 넣지 못하고 있으며, 이 때문에 실제로 한 번에 들고 다닐 수 있는 열량이 화석연료 자동차보다도 작아서 오히려 주행거리를 늘리는데 의외로 제약이 크고 LPG 차와 마찬가지로 가스 압력을 견딜 수 있는 둥근 형태의 탱크를 실어야 하므로 화석연료보다 차지하는 부피가 되려 더 크다. 이 때문에 차량 체급에 영향을 많이 받는 데다, 차 설계에 제약이 많은 편이다.
• 법정 특별교육 이수자만 운전 가능 : 모든 수소 전기차량을 이용하는 운전자는 고압가스 사용 자동차 교육 이수를 이수해야 한다. 차량 구입일로 30일 이내에 이수해야 하며, 이 교육을 이수하지 않은 사람은 수소 전기차량을 운전할 수 없다. 이는 이수자의 가족이나 대리운전기사에게도 모두 해당되는 내용으로써, 이 교육을 이수하지 않은 운전자의 경우 고압가스 안전관리법 시행령 규정에 따라 1차에 과태료 25만 원, 2차 50만 원, 3차는 100만 원의 벌금이 부과될 수 있다. 이 교육은 한국가스안전공사의 사이버 지사에서 3시간가량의 영상을 시청하면 되며, 교육비용은 2020년 7월 기준 21,000원이다. 하지만 자동차 구매 후 언제까지 받아야 한다는 정확한 기간 제한 규정이 없고, 받지 않아도 과태료 처분이 실제 이뤄지는 사례가 거의 없어 유명무실하다는 비판이 제기된다는 점이다. 그리고 과태료 규정은 만들어놨지만 부과하려면 중앙정부가 수소전기차가 등록된 자치단체에 요청해야 한다는 것이다.

비교

전기자동차

전기자동차와 수소자동차는 석유 연료를 쓰지 않는다. 자동차의 핵심인 내연기관, 엔진이 필요 없다. 둘 다 전기를 원동력으로 삼아 모터를 구동한다는 공통점을 갖고 있다. 하지만 원료와 전기를 만드는 방식에선 크게 갈린다. 수소연료전지차의 동력은 원료가 수소인 연료전지이고 전기자동차는 동력이 전기이다. 일반적으로 전기차는 리튬이온전지, 수소차는 연료전지를 사용해 전기를 생산한다. 그리고 전기자동차는 배터리에 저장된 전기를 사용하고, 수소차는 고압 수소탱크에 충전된 수소와 공기 중의 산소를 화학 반응시켜 발생한 전기로 모터를 돌린다. 수소차는 공해물질이 거의 배출되지 않으므로 환경오염이 적으며, 적은 연료량으로도 먼 거리 주행이 가능하다. 그러나 심한 차량 사고 시에는 수소가 폭발할 가능성이 있으며, 수소를 생성해 내는 데 있어 에너지 소모가 커 경제성이 단점으로 지적된다. 수소연료전지차와 전기자동차를 비교해 보면 수소연료전지차는 충전 시간이 5분 내외로 짧은 뿐 더러 충전 후 이동거리도 길다. 그러나 생산 비용이 많이 들고 차량 가격도 높다는 단점이 있다. 전기자동차는 수소차보다 훨씬 저렴하고, 충전 등 인프라도 상대적으로 구축돼 있다는 장점이 있다. 하지만 전기 충전 시 시간이 20~30분으로 비교적 길고, 주행 거리도 수소차보다 훨씬 짧다.

전망

전 세계적으로 온실가스 감축, 에너지 수급 불안, 자원 고갈 문제 등의 해결 방안으로 수소 에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 정부는 수소경제를 데이터, 인공지능과 함께 3대 전략투자 분야로 선정하고 전폭적인 지원에 나섰다. 수소경제 활성화에 2019년에는 1,000억 원의 예산을 투자한다. 총리실 산하 규제개혁위원회에 올라온 수소경제 관련 규제 개선안 15개 중 13개의 규제를 개선한다는 계획이다. 또한, 수소경제가 온실가스 감축, 미세먼지 저감, 재생에너지 이용 확대 등 친환경 에너지 확산에 기여할 것으로 내다보고 있다. 하지만 효과에 대한 논란도 만만치 않다. 또한, 정부가 ‘수소경제 활성화’를 위한 로드맵을 발표한 이후 수소전기차를 지원하는 정책이 쏟아지고 있다. 최근 산업통상자원부는 도심 충전소 설치에 걸림돌이었던 입지 규제를 풀어 국회 등에 수소충전소를 설치하는 것을 허용한다고 발표했다. 수소차 생산과 연료전지 보급 확대를 위한 지원 방안도 곧 구체화할 것으로 보인다. 정부가 수소경제의 미래 가치에 주목하면서 전기차에 견줘 한발 뒤처졌던 수소차에 새로운 길이 열린 것은 분명하지만, 친환경 차의 미래는 아직 불확실하다. 특히 수소차에 대한 투자를 놓고 일각에선 전기차의 대중화가 코앞인데 인프라 투자가 걸음마 단계인 수소차에 투자하는 게 옳은 방향이냐는 목소리도 나오고 있다. 자동차 전문가들은 결국 수소차의 성공 여부는 수소충전소 인프라에 달려있다고 말한다. 수소차든 전기차든, 누구도 주도권을 확실하게 틀어쥐지 못했을 뿐만 아니라 두 차종 모두 뛰어넘어야 할 장벽이 만만찮기 때문이다.

참고자료

• 수소연료전지차 네이버 지식백과 - https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=70405&cid=43667&categoryId=43667
• 수소자동차 나무위키 - https://namu.wiki/w/%EC%88%98%EC%86%8C%EC%9E%90%EB%8F%99%EC%B0%A8
• 채영석, 〈최초의 국산 수소자동차 성균1호〉, 《글로벌 오토 뉴스》, 2005-09-20
• 임문혁, 〈수소자동차의 원리 및 전망〉, 《계명대신문》, 2013-04-03
• 수소경제 나무위키 - https://namu.wiki/w/%EC%88%98%EC%86%8C%EA%B2%BD%EC%A0%9C
• 수소자동차 두산백과 - http://www.doopedia.co.kr/doopedia/master/master.do?_method=view&MAS_IDX=101013000861805
• 권용주 기자, 〈수소차 운전자교육, 안받으면 불이익?〉, 《한국경제》, 2019-04-27
• 최하얀 기자, 〈수소전기차, 전기차와 뭐가 다르냐고요?〉, 《한겨레》, 2019-01-18
• 안재형 기자, 〈현대차는 왜 수소연료전지차를 택했을까 “친환경성 등 최후의 승자는 수소차 충전소 한 곳당 30억… 경제성이 변수”〉, 《매일경제》, 2019-02-27
• 홍대선 기자, 〈전기차 vs 수소차, 미래차 패권 누가 쥘까?〉, 《한겨레》, 2019-03-04

같이 보기

• 자동차
• 트럭
• 전기자동차

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