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연료전지 전기자동차
연료전지 전기자동차(Fuel Cell Electric Vehicle)는 가솔린 내연기관 대신 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 얻은 전기를 이용해 모터를 구동하는 방식으로 운행하는 친환경차를 말한다. 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염 물질을 배출하지 않는다. 차 내부에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크 등이 탑재돼 있다. 수소연료전지차 혹은 FCEV라고도 한다.
개요
연료전지 전기자동차는 기존 가솔린 내연기관 대신 연료전지를 이용한 차세대 친환경차를 말한다. 친환경이라고 하는 것은 수소와 산소가 결합해 에너지를 만든 후 이산화탄소 등의 탄화수소물이 아닌 물이 배출되기 때문이다. 연료전지 전기자동차는 수소 공급 방식에 따라 다시 두 가지로 나뉘는데, 이 방식은 압축수소탱크 또는 액체수소탱크를 이용해 수소를 공급하는 방식과 메탄올을 분해하여 수소를 공급하는 방식이 있다. 압축수소탱크 혹은 액체수소탱크를 이용하여 수소를 공급하는 방식은 운행할 때 발생하는 것은 물뿐이라 완전 무공해이다. 다만 탱크 탑재로 인한 차량 부피 증대, 수소의 불안정성, 수소 공급 인프라 구축의 어려움 등이 단점이다. 메탄올을 분해하여 수소를 만들어 공급하는 방식은 메탄올을 분해할 때 일산화탄소, 질소산화물 등이 발생하기는 하지만, 기존 화석연료 차량에 비해서는 훨씬 적다. 이 방식은 기존 연료 공급 인프라를 이용할 수 있다는 장점이 있다.[1] 연료전지 전기자동차가 구동 모터, 인버터, 컨버터를 사용하는 것은 전기자동차의 구동 원리와 동일하다. 하지만 전기자동차는 전기를 외부 충전기에서부터 배터리에 충전하여 사용하는 반면, 연료전지 전기자동차는 연료전지 시스템으로부터 전기 에너지를 생성한다는 점에서 차이가 있다.[2]
역사
세계 최초로 연료전지 전기자동차를 개발한 회사는 다임러(Daimler AG)로, 1994년 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였다. 제너럴모터스(General Motors)는 2001년 가솔린을 이용한 연료전지를 개발했으며, 2002년 1월 미국 디트로이트에서 열린 '북미 국제모터쇼'에서 연료전지 콘셉트카인 오토노미(AUTOnomy)를 공개해 눈길을 끌었다. 대한민국에서는 현대자동차㈜(Hyundai Motor Company)에서 2001년에 순수 연료전지로 가동되는 싼타페 연료전지 자동차의 시범 주행에 성공했으며, 2002년 9월 미국 캘리포니아 주에서 개최된 '2002 퓨얼셀 로드랠리'에서 다임러, 포드(Ford), 제너럴모터스, 혼다 등 경쟁사 연료전지 자동차와 함께 300마일 연속 주행에 성공했다. 그리고 현대자동차는 2010년 3월 투싼 ix를 제네바모터쇼에서 첫 선을 보인 후 2013년 3월 세계 최초로 수소연료전지 전기자동차 양산에 성공하면서 유럽에 처음으로 수출하였다. 현재 다임러, 포드, 제너럴모터스, 토요타(Toyota ), 현대자동차㈜ 등 대부분의 자동차 회사들이 연료전지 전기자동차 개발에 투자하고 있으며 시장 선점을 위한 각축전을 벌이고 있다. [1]
원리
연료전지 전기자동차의 핵심인 전기 발생은 수소와 산소가 촉매를 통해 반응하여 생성되는 전기로 모터를 구동시킨다. 즉, 물을 전기분해 하면 양(+)극에서 산소가 생성되고 음(-)극에서 수소가 생성되는데, 이것을 반대로 하여 수소를 이용해서 물을 만들면 그 과정에서 전기가 생성된다.
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- 수소탱크로부터 공급된 수소(H2)는 연료전지 스택(Stack)의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다.
- 분해된 수소이온(H+)은 전해질을 통해, 전자(e-)는 전선을 통해 양극(공기극)으로 이동한다.
- 외부로부터 공급받은 산소(O2)와 수소이온(H+), 전자(e-)는 양극에서 화학반응을 통해 물(H2O)과 열을 발생시킨다.
- 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출된다.
연료전지 전기자동차에는 연료전지 스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열·물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압밸브 등이 탑재되어 있다. 이 중 스택은 일반적으로 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학 반응이 일어나 전기가 발생하는 지점이다. 스택의 단위 셀은 막전극접합체(MEA)와 분리막(Separate)으로 구성돼 있다. 이 중 막전극접합체는 수소 이온을 이동시켜주는 고분자 전해질막, 전해질막의 양면에 백금 촉매를 도포하여 구성되는 촉매전극인 양극(Anode)인 공기극과 음극(Cathode)인 연료극으로 나뉜다.[1]
전기자동차와 차이점
구조
배터리 전기자동차(BEV)와 연료전지 전기자동차 모두 전기자동차에 속한다. 전기자동차는 내연기관 자동차와는 다르게 전기로 모터를 돌려 자동차를 구동한다. 배터리 전기자동차는 배터리 속에 충전된 배터리를 이용해 구동하여 재사용 시 배터리를 충전하는 방식이다. 연료전지 전기자동차는 수소를 사용해 발생시킨 전기로 모터를 구동한다. 연료전지를 배터리 대신 사용한다. 전기가 아닌 수소를 충전한다는 점에서 차이가 있다. 수소자동차의 초기 개발 모델은 수소연료차(Hydrogen Fueled Car)이다. 수소를 직접 태워서 엔진을 구동하는 가솔린이나 디젤과 같은 내연기관 자동차와 비슷한 방식이다. 하지만 이런 방식은 안전성과 안정성, 효율 등 다양한 문제가 있어, 지금의 연료전지 전기자동차의 형태로 발전된 것이다. 연료전지 전기자동차의 가장 큰 특징은 수소탱크와 연료전지이다. 수소탱크는 하이브리드와 플러그인 하이브리드의 연료탱크와 비슷한 역할을 한다. 연료탱크의 연료가 내연기관인 엔진을 통해 동력을 생산한다면, 수소탱크는 연료전지에서 전기 에너지로 바뀌어 모터를 구동한다는 것이 다르다. 연료전지는 배터리와 비슷하지만, 직접 전기를 충전하지는 못한다. 외부의 흡입된 공기와 수소탱크의 수소를 화학 반응을 통해 전기와 물로 변환한다. 변환된 전기로 모터를 굴리며, 물은 밖으로 배출된다. 연료전지 전기자동차의 보조배터리도 다른 전기자동차 배터리들과 다른 역할을 한다. 전기자동차의 배터리는 직접적인 동력 구동을 위해 고용량과 고성능의 리튬이온 배터리(LiB)를 사용한다. 연료전지 전기자동차의 보조배터리는 소량의 축전을 위한 것으로 작은 용량이면 충분하다. 이에 슈퍼커패시터 등이 축전지로 사용된다.
성능
연료전지 전기자동차가 주목받고 있는 이유는 배터리 전기자동차의 단점을 극복한 친환경차이기 때문이다. 연료전지 전기자동차는 주행 거리와 충전 시간에서 배터리 전기자동차를 압도한다. 이는 1830년대에 최초로 개발된 배터리 전기자동차가 상용화되기까지 180년이라는 시간이 걸린 이유이기도 하다. 2018년 가장 많이 팔린 전기차인 테슬라의 모델3는 20분간 50KWH의 용량을 급속충전하여 350km의 거리를 달릴 수 있다. 다시 운행하려면 급속충전 시 최소 20분, 완속충전에는 한 시간 이상의 시간이 소요된다. 현대자동차에서 선보인 대표적인 연료전지 전기자동차 넥쏘(Nexo)는 불과 5분만에 6.33kg의 수소를 완충할 뿐 아니라 최대 609km의 주행 거리를 자랑한다. 이 거리는 서울에서 부산을 갔다가 다시 대전까지 올라올 수 있는 거리이다. 반면, 연료전지 전기자동차는 배터리 전기자동차보다 비싼 연료비와 가격, 부족한 인프라가 단점으로 지적된다. 넥쏘의 연료비는 km당 73원, 모델3는 km당 25원이 들어간다. 연료전지 전기자동차의 연료비가 배터리 전기자동차에 비해 3배 정도 비싼 셈이다. 하지만 둘다 km당 93원(1리터당 연비 15km, 1400원 가정) 정도인 내연기관보다는 저렴한 연료비를 자랑한다. 가격을 비교하면, 정부 보조금과 지자체 보조금을 적용했을 때 넥쏘는 3300~3900만 원, 모델3는 2000만 원대로 예상된다. 배터리 전기자동차의 경우에는 모델3 외에도 다양한 대체재가 있으나, 연료전지 전기자동차는 현재 넥쏘 외에 대체재로 사용할 차량이 거의 없다는 단점이 있다. 무엇보다 가장 큰 문제는 인프라다. 현재 배터리 전기자동차를 충전할 전기차 충전소는 전국에 9287곳이다. 전국 주유소 약 1만 2000곳의 약 78%에 이른다. 반면, 연료전지 전기자동차를 충전할 수소차 충전소는 11곳에 불과하다. 정부가 발표한 '수소경제 활성화 로드맵'에 따르면, 2019년 2월 기준 11곳의 수소차 충전소를 2040년 1200개까지 확대할 계획이다. 수소융합얼라이언스 추진단에 따르면 수소충전소 1곳을 짓는 비용은 26~31억 원으로 추정된다. 앞으로 3조 원 이상이 더 필요하다는 것이다. 또한, 계획대로 진행되더라도 1200개의 수소차 충전소는 전체 주유소의 10% 수준밖에 안 된다.[3]
효율
일반적으로 수소는 충전소에서 천연가스를 개질해 만든다. 이 과정에서 이산화탄소가 나온다. 그런데 미국 ‘참여 과학자 모임(US Union of Concerned Scientists)’에 따르면, 이렇게 개질한 수소를 쓰는 연료전지 전기자동차와 천연가스를 태워 만든 전기로 운행하는 배터리 전기자동차는 1km 주행에서 같은 양의 이산화탄소를 배출한다. 수소에너지의 뚜렷한 장점 중 하나는 에너지원인 동시에 에너지 저장 매체로도 활용 가능하다는 점이다. 발전 전력량이 충분한 경우 전기분해로 수소를 만들어 저장할 수 있다. 청정전력이 부족할 때 연료전지 전기자동차는 이를 활용하면 되지만, 배터리 전기자동차는 이산화탄소를 배출하며 만든 전기를 사용해야 한다. 배터리 전기자동차의 제조 공정 또한 무시할 수 없다. 가령 배터리의 원료로 쓸 광물은 채굴에 많은 에너지를 쓴다. 현재 배터리 전기자동차는 이산화탄소 증가량을 줄이는 데 일조하고 있지만, 생산 대수가 늘어날 경우 제조 공정에서 뿜는 이산화탄소가 주행에서 줄인 이산화탄소 배출 양을 압도할 수도 있다. 또한, 배터리 셀 제조는 복잡하고 은밀하다. 이 과정에서 나오는 이산화탄소 양은 누구도 정확한 수치를 제시할 수 없다.[4]
연료전지 전기자동차와 전기자동차 비교[1] 구분 연료전지 전기자동차 배터리 전기자동차 동력 연료전지(원료는 수소) 전기 장점 - 긴 주행 거리
- 짧은 충전 시간
- 충전 인프라(빠른 상용화)
- 상대적으로 낮은 차량 가격
단점 - 충전 인프라 부족(인프라 구축 비용)
- 고가의 차량 가격
- 긴 충전 시간(20~30분)
- 비교적 짧은 주행 거리
각주
- ↑ 1.0 1.1 1.2 1.3 〈수소연료전지차〉, 《네이버 지식백과》
- ↑ 엠에스리, 〈수소차 원리 (연료전지 전기자동차)〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-24
- ↑ 양대규 기자, 〈친환경차의 두 축, '연료전지' 수소차와 '배터리' 전기차〉, 《테크월드》, 2019-03-05
- ↑ 폴 호렐, 〈전기차와 수소연료전기차. 우리의 미래는 과연 어디에 있을까?〉, 《현대모터그룹》
참고자료
- 〈수소연료전지차〉, 《네이버 지식백과》
- 폴 호렐, 〈전기차와 수소연료전기차. 우리의 미래는 과연 어디에 있을까?〉, 《현대모터그룹》
- 엠에스리, 〈수소차 원리 (연료전지 전기자동차)〉, 《네이버 블로그》, 2019-02-24
- 양대규 기자, 〈친환경차의 두 축, '연료전지' 수소차와 '배터리' 전기차〉, 《테크월드》, 2019-03-05
같이 보기
