[마켓 분석:수소차②] 미래의 자동차 '수소연료전지차'

기사입력 : 2018-05-17 00:10:00
[마켓뉴스 황지유 기자] 수소'연료'차와 수소'연료전지'차

'수소차'는 크게 수소'연료'차와 수소'연료전지'차로 구분된다.

먼저 수소연료차(H2ICE)란 가솔린 자동차와 비슷한 형태의 엔진을 사용하면서, 수소(H2)를 내연기관(ICE, InternalCombustion Engine)에서 직접 연소하는 형태의 자동차를 말한다.

수소연료차는 이미 1807년부터 연구가 시작될 만큼 오랜 역사를 자랑한다. 오늘날 대표적인 모델은 BMW의 Hydrogen7, Ford 의 E-450 H2ICE, Mazda(일본)의 RX8 Renesis REHydrogen 등이 있다. 가솔린·디젤 등 일반적인 내연기관 차량과 유사하다는 점에서 빠른 보급 확대가 가능하다. 하지만 낮은 동력 효율이 단점으로 꼽힌다.

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FCEV 에너지원/동력 흐름도, 자료 : 한화케미칼, Seriouswheel

수소'연료전지'차는 수소'연료'차와 마찬가지로 수소가 에너지원이다.

하지만 직접 연소에 사용되는 것이 아닌, 차량내부의 연료전지(Stack)을 통해 전기를 생산하는데 사용된다. 즉, 수소'연료전지'차(Fuel Cell Electric Vehicle)는 연료전지에서 만들어지는 전기를 이용하는 일종의 '전기차(Electric Vehicle)'이다.

일반 전기차가 2차 전지를 활용해 저장·충전된 전기를 동력원으로 사용한다. 반면, 수소'연료전지'차는 수소를 에너지원으로 연료전지를 통해 전기를 자체 생산한다는 차이점이 있다.

대표적인 모델은 현대의Tucson FCEV, Toyota 의 Mirai, Honda 의 Clarity 등이 있다.

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수소차의 구분, 자료 : IRS Global

연료전지에서 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산해 공해물질이 전혀 생산되지 않는다는 장점이 있다. 또 동력 효율이 내연기관보다 약 2배 높아서 친환경 미래형 이동수단으로 각광받고 있다. 단, 엔진 대신 탑재되는 연료전지의 높은 가격 등은 보급 확대의 걸림돌이다.

앞으로 '수소차'는 수소'연료전지'차(FCEV)를 지칭한다.

수소차(FCEV) 기본구조

내연기관 엔진이 없는 수소차는 상대적으로 단순하면서도 전기차와 유사한 구조를 갖고 있다.

수소차는 크게 수소 저장 시스템, 배터리 및 전장장치, 연료전지 스택(Stack), 운전장치 등 네 분류로 구분된다.

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수소차(FCEV) 구조 및 구성품, 자료 : 한국산업기술평가관리원

'수소 저장 시스템'은 수소차의 에너지원인 수소 저장 장치 및 기타 부품들을 말한다. 고압수소를 보관하는 고압용기와 이를 스택으로 안전하게 공급하기 위한 고압 밸브 및 배관, 고압용기의 압력·온도 증가시 수소를 방출하고 용기 파손을 보호하는 안전장치,수소충전 모니터링 관련 부품 등으로 구성돼 있다.

'배터리 및 전장장치'는 스택으로부터 생산된 전기를 운동에너지로 변환하는 구동모터, 전압을 사용처에 알맞게 변환해주는 인버터(전력변환장치), 제동시 발생하는 전기의저장을 위한 2 차전지 등을 말한다.

'연료전지 스택(Stack)'은 수소와 산소의 결합을 통해 전기를 생산해내는 핵심 부품으로내연기관의 엔진과 같은 중요한 역할을 수행한다.

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Toyota Fuel Cell System(TFCS) - Mirai, 자료 : Toyota,

전기를 생산하는 막전극 접합체, 수소 또는 공기의 공급·배출을 담당하는 기체확산층 및 분리판, 기체 및 냉각수 누설을방지하는 가스켓, 스택을 외부로부터 안전하게 보호하는 인클로저 등으로 구성돼 있다.

'운전장치'는 수소 및 산소의 공급·순환, 스택에서 발생하는 물과 열 등을 관리하는 장치들로 구성돼 있다. 차량 냉방·난방 등 공조장치도 이에 해당된다.

수소차(FCEV) 구동원리

일반적으로 차량 뒤쪽에 탑재된 수소연료탱크에서 공급되는 수소와, 차량 전면부를 통해 유입되는 공기(산소)가 차량용 연료전지인 스택에서 결합해 전기가 생산된다.

물을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 화학반응을 역이용하는 방법이다.
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수소차(FCEV) 구동 원리 5단계, 자료 : 현대자동차, SK 증권

여기서 발생한 전기로 모터를 구동하여 차량을 움직인다. 추가적으로 생산된 전기는 각종 전장장비 작동에 사용되거나, 차내 배터리에 저장되었다가 보다 높은 출력을 필요로 할 때 보조 수단으로 활용한다. 전기 생산시 발생하는 부산물인 물은 차 밖으로 배출된다.

내연기관 차량은 연료 저장탱크가 크고, 엔진 효율이 높을수록 더 좋은 성능을 발휘한다. 수소차 성능도 전기를 생산하는 연료전지 스택과 에너지원인 수소를 보관하는 수소 연료통에 의해 좌우된다.

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황지유 기자 news@
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