물로 가는 자동차? 수소차(수소전기차)의 모든것

수소차(Fuel cell electric vehicle), 물로 가는 자동차?

수소차는 수소와 공기 중의 산소가 반응해 전기를 생산하여 구동하는 연료전지 자동차입니다. 연료전지란, 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응 시켜 전지 에너지를 발생시키는 장치입니다. 수소 원자 2개와 산소 원자 하나가 결합한 것이 바로 물(H2O)이기 때문에 수소차는 물로 가는 자동차라고도 합니다. 하지만 단순히 물을 넣어 에너지화시키는 것이 아니라, 연료 탱크에 충전된 수소와 화학반응을 통해 에너지를 만들어 내는 것이죠. 그리고 이 전기에너지를 배터리에 저장해서 차량을 움직이는 원리입니다.

 

전기차와 70% 정도는 같다고 볼 수 있는데요. 직접 전기를 충전하는 것이 아니라 연료전지에서 자체적으로 만든 에너지로 모터를 구동한다는 점이 다르다고 볼 수 있습니다. 단순히 수소만 연료로 사용하는 게 아니라 전기도 이용해서 구동한다는 점에서 전기차와 비슷한 원리라고 볼 수 있겠습니다. 정확히 말하면 '수소연료전지차'인데요, 흔히 '수소전기차'라고 부르기도 합니다. 그냥 '수소차'와는 다르다고 볼 수 있습니다. 수소차는 휘발유나 경유 대신에 연료로써 수소를 주입하여 자동차 실린더 안에서 수소를 직접 연소해 에너지를 얻는 방식입니다.

 

현대기아차 수소 전기차 넥쏘(NEXO)

그런데 이렇게 수소를 직접 이용하려면 수소를 영하 253도로 응축해서 액화 상태로 만들어야 합니다. 그리고 이 수소를 차량에 보관해야 하기 때문에 현실적으로는 어려운 방법입니다. 그래서 실제로 양산되고 있는 순수한 의미의 '수소차'는 아직 없는 상태입니다. 2007년에 BMW가 비슷한 차량을 공개한 적 있는데, 이 경우에도 수소와 휘발유를 같이 쓰는 형태로 만들어졌습니다. 그러니까 진정한 의미의 수소차는 아직 없고, 수소전기차로 보는 게 더 맞습니다.

 

수소차는 수소와 산소가 반응하기 때문에 물 이외의 배출가스가 발생하지 않는 환경친화적 자동차입니다. 탄소 원자를 포함하지 않은 수소는 물의 전기분해로 만드는 재생 가능한 에너지원이라 환경에 미치는 영향이 거의 없고, 단위 질량당 에너지 또한 매우 큰 특성이 있어 수소는 연료로서 주목받고 있습니다.

 

여기에 공기 정화 장치를 거치면서 오염된 공기를 깨끗하게 만드는 효과까지 있습니다. 실제로 수소전기차를 1시간 동안 운행하면 27kg에 가까운 공기가 정화되는 것으로 알려졌는데요, 보통 성인 40명 이상이 1시간 동안 호흡하는 공기의 양입니다. 또한 이 수소전기차 만 대가 도로 위를 달리면 디젤차 2만 대가 만들어내는 미세먼지를 정화하는 효과가 있다고 합니다. 나무 60만 그루를 심은 것과 같은 정도의 탄소 감축 효과를 얻을 수 있다고 합니다.

수소차의 작동 원리

수소가 연료전지에 공급되면, 전자와 수소이온으로 분리됩니다. 이때 발생한 전자들이 연료전지의 양극(+)에는 산소로, 음극(-)에는 수소로 생성되는데요. 이로 인해 차를 움직일 수 있는 전기가 발생하고, 이 전기로 차가 동력을 얻게 되는 원리입니다.

수소차는 연료전지스택, 모터, 배터리, 수소탱크, 열・물 관리 장치, 공조 장치, 전력변환 장치, 고압 밸브 등이 탑재되어 있어요. 이 중 연료전지스택(Stack)은 일반적으로 수백 개의 셀을 직렬로 쌓아 올린 연료전지 본체로, 수소와 산소의 화학반응이 일어나 전기가 발생하는 지점입니다.

 

수소탱크의 안전성

간혹 수소탱크의 위험성에 대해 걱정하시는 분들이 계신데요. 아주 높은 전압이 흐르는 수소탱크는 고압에서 잘 견딜 수 있도록 철보다 10배 높은 강도의 탄소섬유 강화 플라스틱으로 제작됩니다. 더불어 최소 1,575기압 이상의 내부압력을 버티도록 설계되어 있으며, 충격을 완화해주는 장치와 화염에도 장시간 견딜 수 있는 코팅이 적용되어 안전성이 충분히 확보돼 있으니 걱정 안하셔도 됩니다.

 

그리고 우선 자동차와 수소폭탄에 쓰이는 수소는 다릅니다. 수소전기차에는 일반적인 수소분자가 사용되고, 수소폭탄에는 중수소와 삼중수소가 쓰입니다. 중수소와 삼중수소는 1억 도의 고온과 수천 기압 상태에서 핵융합 반응을 일으키는데요, 자연상태에서는 그 정도의 폭발력을 가지기가 힘들다고 볼 수 있습니다.

 

수소전기차 넥쏘 하체 - 압축수소가스 전용탱크(주황색)

과학적으로 수소전기차가 폭발하려면 아주 고압에 의해서 저장 용기에 균열이 생기거나, 연소 반응으로 수소가 누출되거나 하는 경우가 생겨야 합니다. 그런데 수소 저장 용기의 경우는 철보다 10배 강한 탄소섬유 강화 플라스틱으로 만들어졌고, 만에 하나 연소 반응으로 수소가 누출되더라도 수소의 경우는 확산속도가 굉장히 빠른 가벼운 기체이기 때문에 공기 중에 바로 희석됩니다. 그러므로 수소의 특성만으로도 화재나 폭발을 일으킬 만큼의 우려는 없습니다. 

지금, 수소차는 어디쯤 있을까

정부는 지난 2019년에 ‘수소 경제 활성화 로드맵’을 통해 2040년까지 수소경제 활성화를 위한 수소 생산·저장·운송·활용 전 분야를 아우르는 추진전략을 발표했습니다. 수소차와 연료전지를 양대 축으로 하는 이 로드맵에 따라 다양한 정책이 추진되고 있는데요, 수소차 보급 확대 또한 주요 정책 중 하나이죠. 보조금 지원 정책 등 적극적인 정부 지원에 힘입어 우리나라의 수소차 보급률은 세계1위에 달합니다. 한국자동차산업협회(KAMA)에 따르면 ’21년 3월, 전세계 수소차 3만 7,400대 중 1/3에 해당하는 1만 2,439대가 우리나라에서 운행중이라고 합니다.

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