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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.
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수소연료전지차에 대한 모든 것! : 수소차의 원리와 현재 발전 현황 | GS칼텍스 공식 블로그 : 미디어허브
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무공í´ìë차를 ê¿ê¾¸ë¤, ìììëì°¨
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수소전기차의 연료 수소
외부 공기에서 산소를 수집하는 수소전기차
수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 연료전지 스택
전기에너지를 동력으로 만드는 구동모터
주행 중 순수한 물을 배출하는 수소전기차
![[다가온 수소사회] 수소전기차는 어떻게 움직일까?](https://www.hyundai.co.kr/image/upload/asset_library/MDA00000000000007765/8e0fc032c10548a0ae592feeaf4a6a4b.jpg)
한국천연가스수소차량협회
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수소연료전지차에 대한 모든 것! : 수소차의 원리와 현재 발전 현황
최근 전기차와 함께 친환경성으로 주목 받고 있는 수소차, 그 생태계 또한 빠르게 확장되고 있는데요.
오늘은 수소차의 원리와 현재 발전 현황, 충전소까지! 수소연료전지차에 대한 모든 것을 파헤쳐 보겠습니다.
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 장치이고요. 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.
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.
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 마세요 🙂
지금, 수소차는 어디쯤 있을까
수소연료전지 자동차(Fuel cell electric vehicle, FCEV)인 수소차를 세계 최초로 개발한 회사는 다임러 크라이슬러로 1994년 수소저장방식의 연료전지를 이용한 NECAR1(New Electric Car)을 선보였어요. 현재 다임러 크라이슬러를 비롯한 여러 자동차 회사들이 수소차 개발에 투자하고 있으며, 수소차 시장 선점을 위한 각축전이 오가고 있는 상황입니다.
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.
빠르게 보급되는 수소차량에 비해 수소차 충전 인프라는 부족한게 현실인데요, GS칼텍스는 수소차 충전 인프라 구축에도 발빠르게 대응하고 있습니다.
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수도권 최초의 ‘H강동 수소충전소 | GS칼텍스’ 융복합 에너지 스테이션
GS칼텍스는 지난 2020년 5월, 현대자동차와 함께 ‘H강동 수소충전소’를 오픈했습니다. 수도권 최초로 휘발유와 경유, LPG, 전기 뿐만 아니라 수소까지 공급 가능한 복합 에너지 스테이션을 운영하여 고객들의 경험을 확장하고 있습니다.
H강동 수소충전소는 수소를 외부로부터 공급받는 방식을 이용하여 충전소에서 수소를 직접 생산하는 방식보다 더 안전한 것으로 평가받고 있어요. 약 1천 평 규모의 충전소는 하루에 약 70대의 수소전기차 완충이 가능합니다. 운전자들의 편의를 위한 세차기 2대와 차량 내부 청소를 위한 셀프서비스 코너도 다수 설치되어 있어 다양한 이용이 가능합니다.
또한, GS칼텍스는 2022년 완공을 목표로 제주, 여수, 광주에도 상용 수소충전소 구축을 추진하고 있습니다. 지난 5월에는 한국가스공사와 ‘액화수소 생산 및 공급 사업을 위한 업무협약’을 체결하며 본격적으로 수소시장에 진출했습니다. GS칼텍스와 한국가스공사는 액화수소 플랜트 구축, 액화수소 충전소 구축, 수소 추출설비 구축 등 액화수소사업 밸류체인 전반에 대한 협업을 진행하기로 했는데요. 2024년 완공을 목표로 한국가스공사의 LNG 인수기지 내에 연산 1만톤 규모의 액화수소 플랜트를 짓고 액화수소 프랜트 완공 시점에 맞춰 수도권과 중부권에 수십 곳의 액화수소 충전소도 구축할 계획입니다. 액화수소 1만톤은 수소승용차 8만대가 연간 사용 가능한 양이라고 해요. 액화수소는 기체수소에 비해 도심지역에도 설치가 용이해서 앞으로 GS칼텍스 수소 충전소를 통해 편리한 수소 충전이 가능할 것으로 기대됩니다.
GS칼텍스는 수소 충전 인프라 뿐만 아니라, 수소 경제 활성화를 위한 밸류체인 구축에도 박차를 가하고 있어요. 한국가스공사와의 업무 협약에 이어 한국동서발전-여수시와 함께 수소 연료전지 발전소 구축과 CCU(Carbon Capture & Utilization, 탄소 포집・활용) 기술 실증 및 상용화에 대한 협업을 추진하고 있습니다.
수소 충전 인프라 확충과 함께 앞으로 수소 시장을 선도해 나가는 GS칼텍스의 발걸음에 많은 관심 부탁드립니다. 🙂
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수소전기차는 어떤 원리로 움직이는가
탄소사회를 넘어 수소사회로의 진입이 가시화되고 있습니다. 우리는 수소에너지에 대해 얼마나 알고 있을까요? 수소사회의 핵심으로 평가받는 연료전지와 수소전기차에 대해 알아봅니다.
산소와 만나 전기에너지를 만들고 부산물로는 순수한 물만 배출하는 수소. 궁극의 청정에너지로 불리는 수소에 전 세계가 주목하고 있습니다. 그럼 수소는 어떤 과정을 통해 생산하고 소비하는 것일까요? 수소의 생산 방식부터 수소로 에너지를 만드는 연료전지, 이를 탑재하고 달리는 수소전기차에 대해 알아봅니다.
FCEV(수소전기차)의 구동 원리
수소전기차는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 발생한 전기를 동력원으로 사용합니다. 부산물로는 순수한 물만 배출됩니다.
추출(개질) 수소
– 천연가스를 고온/고압에서 분해해 생산하는 수소
– 세계 수소 생산 분야에서 가장 보편적인 방식
– 온실가스(CO₂)가 함께 발생
– 발생한 CO₂를 포집해 탄산산업(탄산음료, 소화기 등) 원료로 활용 가능
부생 수소
– 석유화학 공정 중에 부산물로 발생하는 수소
– 관련 산업이 발달한 우리나라에서 보편화된 수소 공급 방식
– 부산물로 발생하는 수소를 활용하는 것으로 경제성이 높음
– 수소 생산을 위한 공정이 아니므로 생산량에 한계가 있음
수전해 수소
– 태양열, 풍력 등 신재생에너지로 생산한 전기로 물을 분해해 생산하는 수소
– 가장 친환경적인 수소 생산 방식
– 현재 다른 수소 생산 방식보다 높은 생산비용 발생
– 인프라 구축을 통해 중장기적으로 지향해야 할 수소 생산 방식
수소는 기체나 액체, 다른 물질과 결합시킨 화합물 형태로 저장·운송할 수 있습니다.
수소는 수소충전소에서 사용하기 적합한 압력으로 조정해 수소전기차의 수소탱크로 전달됩니다.
수소전기차는 수소와 반응시킬 산소를 공기 중에서 얻습니다. 3단계 공기정화 시스템을 통해 이물질(먼지, CO 등)을 제거한 공기를 사용하고 배출하기 때문에 대기 오염을 정화하는 역할도 합니다.
수소탱크에서 공급된 수소와 외부의 공기에서 공급된 산소는 수소전기차의 연료전지에서 만나 전기와 순수한 물을 생산합니다. 전기는 동력원으로 사용되고, 물은 밖으로 배출됩니다.
하이브리드, 플러그인 하이브리드 차량은 내연기관과 모터를 동시에 사용함으로써 기존 내연기관 차량에 비해 배기가스를 적게 배출합니다.
전기차와 수소전기차는 운행 과정에서 배기가스를 전혀 배출하지 않는 친환경차입니다. 특히, 수소전기차는 공기 정화 효과까지 있어 친환경에 가장 부합하는 차량으로 평가받습니다.
중형 SUV 1대의 연간 CO₂ 배출량은 2.2톤 입니다. 중형 SUV 1만 대를 수소전기차로 대체하면 나무 62만 그루(나무 1그루 연간 이산화탄소 흡수량 35kg)를 심는 효과를 얻을 수 있습니다.
수소전기차 1시간 운행 시 성인 약 42.6명에게 필요한 공기를 정화 할 수 있습니다. (현대자동차 넥쏘 기준)
수소연료전지자동차(수소차) 원리란 무엇일까?! (연료전지스택 구조와 원리)
수소차_수소전기차_수소연료전지자동차_원리
안녕하세요! 정리남입니다!!
오늘은 수소차의 원리에 대해 정리해 보도록 하겠습니다.
흔히 ‘수소차’라고 불리우는 이 녀석의 진짜 이름은 ‘수소연료전지자동차’입니다.
여기에서 ‘연료전지’란, ‘어떠한 연료를 통해 전기를 생성해 내는 전지’을 일컫는데요, 따라서 수소연료전지자동차란, 수소를 원료로 전기를 발생시키고 그 전기로 자동차를 구동시키는 전기자동차의 일종을 말합니다. 이러한 수소연료전지 자동차의 원리를 알아보다 보니 의외로 단순하여 깜짝 놀랐습니다^^
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수소 연료전지 자동차(수소전기차)의 구조 및 전체적인 구동원리
먼저 수소연료전지 자동차 구조도를 보면서 전체적으로 한번 알아보고, 연이어 핵심이 되는 원리를 알아보도록 하죠.
여기에서 여러분들이 기억하셔야 할 점은, 이 수소전기차의 핵심이 되는 원리가 그 이름에서도 알 수 있듯이, 바로 ‘연료전지(Fuel cell) 스택’에서 이루어 진다는 점입니다. 자 그럼 한번 볼까요?!
이미지 출처 : 도요타, 삼성증권 – 수정
” 수소전기차의 전체적인 구동원리 ”
① 차 내부로 외부 공기가 내부로 들어온다. 필터링을 거쳐 순도가 높은 산소를 포집한다.
수소 충전소에서 자동차 내부 수소탱크로 수소를 주입(충전)한다.
② 산소와 수소가 연료전지스택으로 들어온다.
③ 연료전지스택에서 전기를 만들어 낸다.
부산물로 물(H2O)이 생성된다.
④ 연료전지스택에서 생성된 전기를 모터로 보낸다.
⑤ 전기를 통해 모터를 돌려 자동차를 주행시킨다.
⑥ 물 (H2O) 을 차 밖으로 배출한다.
자! 그렇다면 이 전체적인 구동과정에서 궁금한게, ‘연료전지스택’에서 수소와 산소를 가지고 어떻게 전기가 만들어 내는 것이냐’일텐데요. 그 원리는 다음과 같습니다.
수소연료전지자동차(수소전기차)의 연료전지스택 구조와 원리
연료전지스택 내에서 전기가 발생되는 과정은 ‘배터리의 방전’와 동일합니다. (배터리 원리 포스팅 → 여기참조)
배터리와 동일하게, 이 연료전지 스택은 두개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성되어 있으며 화학적으로는 산화와 환원반응이 진행되기 때문입니다.
자료 : JARI, 삼성증권
위 이미지를 볼까요 ?
배터리와 동일하게 두개의 극과 극 사이에 전해질막으로 구성되어 있기 있는데요, 두개의 극 중 수소가 들어오는 극을 ‘연료극’이라 하며, 산소가 들어오는 극을 ‘공기극’이라 하는데요, 여기에서 연료극은 음극(-)에 해당하며 ‘공기극’은 양극(+)에 해당합니다! 여기 이 양쪽 극에는 촉매역할을 하는 ‘백금’이 위치해 있다는 것까지 알아두시면 준비 끝입니다!ㅎㅎ
출처 : 한화토탈
전기가 발생되는 원리를 한번 보죠.
” 수소차 연료전지스택 전기 발생 원리 ”
1) 먼저 수소 H2가 연료극으로 들어와 백금의 촉매작용을 통해 수소이온과 전자로 분리됩니다.
: 2H2 → 4H+ + 4e-
: 연료극인 음극-에 해당하는 반응이며, 수소가 전자를 잃었으므로 수소의 산화반응 이 일어납니다.
수소는 그 자체로 반응성이 무지 커서 전자를 떼어 놓으려 하는 성향을 지녔는데 이 성질이 이용되는 것이죠.
: 백금은 말 그대로 촉매. 즉 반응을 빠르게 하는 역할 을 합니다.
2) 수소에서 분리된 전자는 외부로 연결된 도선을 따라 흐르면서 전기를 발생시킵니다.
: 음극에서 양극으로 전자의 자발적 이동이 발생하는 것입니다.
: 전자의 이동 = 전류의 흐름 = 전기 발생 3) 전자와 불리된 수소 양이온은 전해질을 통해 공기극(양극+)으로 이동합니다. : 전자의 이동에 따른 전체 화학적 균형을 맞추기 위해 수소이온이 이동됩니다. 4) 공기극에서 주입된 산소와 도선을 타고 온 전자 그리고 전해질을 통해 온 수소이온이 만나 물이 생성됩니다. (양극(+)) : O2 + 4e- + 4H+ → 2H2O : 양극에서는 산소분자가 전자를 얻었으므로 산소의 환원반응이 발생합니다. 즉, 마이너스로 대전된 산소분자와 수소이온의 결합으로 물이 생성되는 것이죠.
여기서 잠깐!
촉매의 역할이 살짝 궁금하지 않으신가요!? 네이버 지식백과에 찾아 보았습니다.
” 백금 촉매의 역할 / 촉매 원리 / 촉매 반응 ”
먼저 ‘촉매’란 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응속도를 빠르게 만드는 물질을 말합니다. 아래의 캡처된 이미지 내용을 요약하면 촉매란, 반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응을 촉진시키는 역할 을 하는 것입니다. 반응에 참여하긴 하지만 반응속도촉진이라는 역할을 수행할뿐, 변하지 않고 반응전의 원래 자신 그대로 남는 물질이 되는 것이죠. 백금은 연료전지스택안에서 이러한 촉매 역할을 하면서 음극에서는 수소의 이온화를 촉진시키고, 양극에서는 물의 생성을 촉진시키고 있는 것입니다.
결론
수소 연료전지 자동차는 수소를 연료로 사용하여 전기를 만들어 동작하는 전기자동차입니다.
수소연료시켜 99.9%의 순도 높은 산소를 얻어 쓴다는 점에서 공기의 정화기능까지 하죠. 그래서 수소전기차를 도로위에서 이동하는 공기청정제라고 하기도 합니다. 실제로 만약 수소전기차 10만대가 하루 2시간씩 달릴경우, 서울시 인구 86%가 1시간동안 마시는 공기 정화 효과가 있다고 하네요.
하지만 이 수소연료전지 자동차에는 논란이 되고 있는 단점과 모순되는 맹점도 있는데요 이 부분에 대해서는 다음 포스팅에서 다루어 보도록 하겠습니다!
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출처
https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=shakey7&logNo=221423661446&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&directAccess=false#
http://study.zum.com/book/11717
https://terms.naver.com/entry.nhn?docId=982545&cid=47337&categoryId=47337
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