수소연료전지차(Fuel Cell Electric Vehicle), 친환경 수소차시대가 도래한다
수소연료전지차(Fuel Cell Electric Vehicle), 친환경 수소차시대가 도래한다
  • 괴산타임즈
  • 승인 2020.02.14 22:56
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김영일 두원공대 교수
김영일 교수
김영일 교수

수소연료전지차(Fuel Cell Electric Vehicle)는 프랑크푸르트 모터쇼 2009에서 전시된 수소연료전지 구동 메르세데스 차량은 기존 가솔린 내연기관 대신 연료전지(수소와 공기 중의 산소를 반응시키고, 이때 발생하는 전기)를 이용한 차세대 친환경 자동차를 말한다. 친환경이라고 하는 것은 수소와 산소가 결합해 에너지를 만든 후 이산화탄소 등의 탄화수소물이 아닌 H2O(물)가 배출되기 때문이다. 연료전지를 동력원으로 하는 차로, 엔진이 없기 때문에 배기가스 및 오염물질을 배출하지 않는다.

수소연료전지차는 수소 공급방식에 따라 다시 두 가지로 나뉘는데, 압축수소탱크 또는 액체수소탱크를 이용해 수소를 공급하는 방식과 메탄올을 분해하여 수소를 공급하는 방식이 있다. 

압축수소탱크 또는 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. 

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.

수소연료전지차 작동원리의 핵심인 전기발생은 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. 수소연료전지차 작동원리는 아래의 그림과 같다.

연료전지 다이어그램은 ⓵ 수소탱크로부터 공급된 수소(H2)는 연료전지 스택(Stack)의 음극으로 이동하여 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분해된다. ⓶ 분해된 수소이온(H+)은 전해질을 통해, 전자(e-)는 전선을 통해 양극(공기극)으로 이동한다. ⓷ 외부로부터 공급받은 산소(O2)와 수소이온(H+), 전자(e-)는 양극에서 화학반응을 통해 물(H2O)과 열을 발생시킨다. ⓸ 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출된다.

수소연료전지차에는 연료전지스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열·물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압밸브 등이 탑재돼 있다. 이 중 스택(Stack)은 일반적으로 수 백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학반응이 일어나 전기가 발생하는 지점이다. 스택의 단위 셀은 막전극접합체(MEA)와 분리막(Separate)으로 구성돼 있다. 이 중 MEA는 수소 이온을 이동시켜주는 고분자 전해질막, 전해질막의 양면에 백금 촉매를 도포하여 구성되는 촉매전극인 양극(Anode, 공기극)과 음극(Cathode, 연료극)으로 나뉜다. 

수소연료전지차는 공해물질이 거의 배출되지 않으므로 환경오염이 적으며, 적은 연료량으로도 먼 거리 주행이 가능하다. 그러나 수소를 생성해 내는 데 있어 에너지 소모가 커 경제성이 단점으로 지적된다. 
  
수소연료전지차와 전기차를 비교해 보면 수소연료전지차는 충전 시간이 5분 내외로 짧을 뿐더러 충전 후 이동거리도 길다. 그러나 생산 비용이 높고 차량 가격도 높다는 단점이 있다. 전기차는 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. 전기차의 작동원리는 아래 그림과 같다.

세계 최초로 수소연료전지 자동차를 개발한 회사는 다임러 크라이슬러로, 1994년 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였다. 현재 다임러 크라이슬러, 포드, GM, 도요타, 현대 등 대부분의 자동차 회사들이 연료전지 자동차 개발에 투자하고 있으며 시장 선점을 위한 각축전을 벌이고 있다. 또 제너럴모터스(GM)는 2001년 가솔린 이용한 연료전지를 개발했으며, 2002년 1월 미국 디트로이트에서 열린 ‘북미 국제모터쇼’에서 연료전지 콘셉트카인 '오토노미(AUTOnomy)'를 공개해 눈길을 끌었다.  

우리나라에서는 현대에서 2001년에 순수 연료전지로 가동되는 '싼타페 연료전지차'의 시범주행에 성공했으며, 2002년 9월 미국 캘리포니아 주에서 개최된 '2002 퓨얼셀 로드랠리'에서 다임러 클라이슬러ㆍ포드ㆍGMㆍ혼다 등 경쟁사 연료전지차와 함께 300마일 연속주행에 성공했다. 그리고 현대자동차는 2010년 3월 투싼ix를 제네바모터쇼에서 첫 선을 보인 후 2013년 3월 세계 최초로 수소차 양산에 성공하면서 유럽에 처음으로 수출하였다. 

문재인 정부가 '수소산업 생태계 확산'을 추진하고 있지만, 지역별 수소차 보급 편차는 극심한 것으로 나타났다. 특히 충청북도에 보급된 수소차는 전국의 1.8%에 불과하고, 수소충전소는 단 1곳도 없는 것으로 집계됐다. 27일 산업통상자원부에 따르면 지난 2019년 11월 기준 전국에 누적 보급된 수소차는 총 4천650대다. 정부는 오는 2022년까지 6만7천 대의 수소차를 보급한다는 계획을 세운 바 있다. 앞서 2018년 기준 893대에서 520% 증가한 숫자다. 정부 방침과 맞물려 전국에서 '폭발적인' 증가를 보였다.

지역별로는 울산이 1천241대로 가장 많았고, 서울 514대, 부산 480대, 광주 474대 순이다. 하지만 충북은 87대로 전체 보급량의 1.8%에 불과하다. 또 세종 15대, 경북·전북 각 7대, 대구 4대, 전남 2대 등 보급량이 극히 미미한 지역도 있다. 제주는 단 한대도 보급되지 않았다.
수소차 보급이 더딘 지역은 수소충전소 또한 찾아보기 힘든 상황이다.

수소차 보급이 느린만큼 수소충전소 설치가 늦어지고, 수소충전소 설치가 늦어져 수소차 운행을 꺼리게 되는 악순환이 반복될 수밖에 없다. 지난 23일 기준 전국에 설치된 수소충전소는 26곳으로, 각 충전소 당 1개의 수소충전기가 설치됐다. 지역별로는 울산이 6곳으로 가장 많다. 이 외에 경남, 경기 각 4곳, 서울 3곳, 부산, 광주 각 2곳, 인천, 대전, 충남, 전남, 경북 각 1곳 등이다. 충북을 비롯한 대구, 제주, 세종, 전북, 강원 등 6개 지역은 한 곳도 없다.

향후 신차 구매예정인 충청북도 도민들은 이 상황을 염두에 두지 않을 수 없다. 수소차를 출고하더라도 운행에 큰 차질을 빚기 때문이다. 한편, 정부는 올해 전기, 수소차 구매보조금 지원을 9만4천 대로 잡았다. 지난해 6만대 보다 57% 증가했다. 수소차 구매보조금은 승용차를 기준으로 최대 4천250만 원(국비·지방비)이다.

수소차하면 흔히 수소폭탄을 상상하면서 사고가 나면 엄청난 폭발을 일으킬 것이라고 막연한 오해를 갖고 있다. 하지만 수소폭탄의 원료는 중수소로써 별개의 원료이다. 오히려 일반 내연기관 차량보다 안전하다. 우리나라에서도 2022년까지 수소차 충전소가 310개로 보급되면 친환경 수소차시대가 도래할 것으로 기대된다.


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