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수소전기차는 어떻게 도로를 달리는 것일까? / YTN 사이언스

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수소연료전지차에 대한 모든 것! : 수소차의 원리와 현재 발전 현황 | GS칼텍스 공식 블로그 : 미디어허브

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수소차(Fuel cell electric vehicle) 물로 가는 자동차

지금 수소차는 어디쯤 있을까

모빌리티+고객 라이프 스타일에 맞춘 수소충전소!

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.

모빌리티+고객 라이프 스타일에 맞춘 수소충전소?!

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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자동차가 에너지를 생산해 이용하고 환경에도 도움이 된다면 믿을 수 있을까요?

수소전기차(FCEV)는 차량에 저장된 고압 수소와 대기 중 공기가 만나 생성된 전기에너지로 움직이는 무공해 자동차입니다.

즉, 수소를 에너지원으로 활용해 연료전지시스템으로 전기를 생산해 움직이는 것이죠. 전기를 만드는 과정에서 순수한 물(H2O)만 배출할 뿐 아니라, 운행 중 대기에 있는 초미세먼지를 제거하는 기능이 있어 미래 친환경 모빌리티로 주목받고 있습니다. 연료인 수소가 지구상에 무한하다는 점과 에너지를 생산하는 과정이 친환경적이라는 점에서 산업 전반에 활용할 수 있는 잠재력을 갖춘 기술입니다.

FUTUREFCEV 비전 2030

클린 모빌리티의 세계 표준을 완성하다

수소사회에서 수소전기차는 친환경 이동수단 이상의 의미를 지닙니다. 수소전기차에 탑재된 수소연료전지는 안정적인 성능, 튼튼한 내구성, 고출력을 필요로 하기에 신기술을 가늠해볼 수 있는 기준이 됩니다. 또 수소전기차에 필요한 수소가 무한하고, 생산과정이 친환경적이라는 점에서 인프라에 필요한 에너지∙철강∙화학∙신소재 등 연관 산업의 동반성장을 촉진하는 중요한 역할도 하게 됩니다.

2013년 세계 최초로 수소전기차를 양산하고, 수소전기차 콘셉트를 꾸준히 선보이며 관련 기술 발전을 거듭해온 현대자동차그룹은 정부 및 지자체와 협력을 통해 수소전기버스를 개발해 공급하고, 수소전기 대형트럭을 세계 최초로 양산해 유럽에 수출하는 성과를 거뒀습니다. 앞으로 현대자동차그룹은 도심형 항공 모빌리티(UAM)와 대형 선박, 철도 분야에도 수소연료전지를 활용할 계획이며, 수소전기차 확대를 위해 수소 충전 인프라도 적극적으로 구축해 나가고 있습니다.

TECHNOLOGY수소전기차 핵심 기술 알아보기

수소전기차 구동 원리

수소전기차는 수소연료탱크에 안전하게 보관된 고압 수소와 공기공급시스템을 통해 들어온 산소를 연료전지스택에 전달, 전기화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산합니다. 생산된 전기에너지는 구동모터를 통해 운동에너지로 전환되어 수소전기차를 움직입니다. 주행 중인 수소전기차는 배기구를 통해 순수한 물 만을 배출합니다.

KEY TECH1. 수소전기차의 심장, 연료전지시스템 연료전지시스템은 내연기관 자동차의 엔진과 같은 역할을 합니다. 구동에 필요한 전기를 만들어내는 장치로, ‘3차 전지’라고 부르기도 합니다. 연료전지는 산소와 수소의 전화학 반응을 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환시킵니다. 이때 발생한 전기에너지는 순수한 화학 반응의 결과물로 화석 연료와 달리 이산화탄소 같은 배출가스를 발생시키지 않습니다. 연료전지시스템은 연료나 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등의 다양한 종류가 존재하며, 기본적인 구성은 연료전지스택, 수소공급시스템, 공기공급시스템 그리고 열관리시스템으로 나뉩니다. 1. 연료전지 스택 연료전지시스템의 가장 핵심이자 수소전기차 생산원가에서 가장 높은 비중을 차지하는 고가의 부품입니다. 연료전지는 수소전기차에 요구되는 출력을 충족시키기 위해 단위 셀을 층층이 쌓아 조립한 스택 형태로 완성됩니다. 하나의 셀은 화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산하는 전극막, 수소와 산소를 전극막 표면으로 전달하는 기체 확산층, 수소와 산소가 섞이지 않고 각 전극으로 균일하게 공급되도록 길을 만들어주는 금속분리판 등의 부품으로 구성돼 있습니다. 2. 수소공급시스템 연료전지스택의 효율적인 전기에너지 생성을 위해서는 운전장치의 도움이 필요합니다. 이 중 수소공급시스템은 수소탱크에 안전하게 보관된 수소를 고압 상태에서 저압 상태로 바꿔 연료전지스택으로 이동시키는 역할을 담당합니다. 또한 재순환라인을 통해 수소 공급 효율성을 높여줍니다. 3. 공기공급시스템 공기공급시스템은 외부 공기를 여러 단계에 걸쳐 정화하고, 압력과 양을 조절해 수소와 반응시킬 산소를 연료전지스택에 공급하는 장치입니다. 외부의 공기를 그대로 사용할 경우 대기 중 이물질로 인한 연료전지 손상이 발생할 수 있어 여러 단계로 공기를 정화 후 산소를 전달합니다. 4. 열관리시스템 열관리시스템은 연료전지스택이 전기화학 반응을 일으킬 때 발생하는 열을 외부로 방출시키고, 냉각수를 순환시켜 연료전지스택의 온도를 일정하게 유지하는 장치입니다. 열관리시스템은 연료전지스택의 출력과 수명에 영향을 주기 때문에 수소전기차의 성능을 좌우하는 중요한 기술입니다. 수소전기차의 안전성을 확보하기 위해 국제기준(GTR: Global Technical Regulation)이 제정되어 있고 꾸준히 개정되고 있습니다. 또한 해당 국제기준을 기반으로 나라마다 안전 법규가 마련되고 있는데, 여기에는 전기 안전성, 수소 안전성 측면에서 만족해야 하는 여러 항목이 규정되어 있습니다. 현대자동차그룹은 해당 기준과 법규를 만족시키는 많은 평가 및 검증을 진행하고 있습니다. 넥쏘에 적용된 연료전지시스템은 10년, 16만km 내구성을 보장하는데, 현재 현대자동차그룹은 보증 기간을 훨씬 웃도는 내구성의 연료전지시스템을 개발하고 있습니다.

2. 뛰어난 안전성∙내구성을 갖춘

에너지 저장장치, 수소연료탱크

에너지 공급원인 고압 수소를 저장하는 장치 역시 중요합니다. 수소는 부피당 밀도가 낮아 보관하려면 매우 큰 공간이 필요한데, 좁은 공간에 더 많은 수소를 보관하기 위해선 700bar(약 690기압) 수준의 고압으로 압축해야 합니다. 이 고압 수소를 안전하게 보관하는 부품이 바로 수소연료탱크입니다. 현대자동차그룹의 수소연료탱크는 높은 압력을 견딜 수 있는 탄소섬유 강화 복합재로 제작하며, 내부에는 내구 복원력이 뛰어난 폴리아미드라이너(나일론 소재)를 삽입합니다. 현대자동차그룹의 차세대 수소전기차 넥쏘에는 세계 최초로 적재공간을 최대화한 3탱크 수소저장시스템이 적용됐습니다.

3. 전기에너지를 운동에너지로

에너지 변환장치, 구동모터

구동모터는 스택과 배터리에서 공급받은 전기에너지로 구동력을 발생시킵니다. 수소전기차는 전기차 처럼 감속 시 운동에너지를 다시 전기에너지로 환원하는 회생제동 시스템도 갖추고 있습니다. 회생제동 시스템은 속도를 줄일 때 회수한 전기에너지를 고전압 배터리에 저장하는 역할을 하며, 이는 모터 작동에 다시 활용돼 연비 개선에 도움을 줍니다.

PRODUCT현대자동차그룹의 수소전기차 넥쏘

NEXO

2018년 출시된 수소전기차 넥쏘는 현대자동차그룹이 개발한 첨단 기술력이 응축된 모델로, 현재 판매되는 수소전기차 중 가장 우수한 성능을 자랑합니다.

주행 성능에 스마트함을 더하다 넥쏘는 최대 항속거리 611km(미국 인증) 확보했고, 충전 소요 시간을 약 5분(1회당 6.33kg 수소 충전 가능)으로 단축했습니다. 또한 현대자동차그룹의 첨단 기술력이 집약된 주행 보조 시스템(ADAS), 원격 스마트 주차 보조(RSPA), 차로 유지 보조(LFA) 등의 기능이 적용되어 있습니다. 어떤 충돌에도 안전하다 넥쏘는 고강도 탄소섬유를 포함한 세 겹의 층으로 제작된 수소연료탱크를 장착, 각종 안전 장치로 제어됩니다. 그리하여 수소전기차 최초로 유럽 신차 안전 평가 프로그램인 ‘유로 NCAP’에서 최고 등급을 받았습니다.

세계 최초 양산 엑시언트 수소전기 대형트럭

XCIENT Fuel Cell

현대자동차그룹은 글로벌 수소전기차 리더십을 상용 부문으로 확장해 세계 최초로 수소전기 대형트럭의 양산 체제를 구축했습니다. 2020년 생산을 시작한 ‘엑시언트 수소전기 트럭(XCIENT Fuel Cell)’은 스위스 수출로 이어져 유럽의 상용 수소전기차 생태계에 중요한 역할을 담당하게 되었습니다. 현대자동차그룹은 수소전기차량 개발에만 그치지 않고 스위스 내 수소 솔루션 기업, 발전소, 수소 충전소 사업자, 리테일 물류 체인 및 기타 물류 기업들과 함께 유럽의 상용 수소전기차 생태계 구축에 참여하고 있습니다.

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2018 현대자동차 넥쏘 2015 토요타 자동차 Mirai 2017 혼다 기연 공업 Clarity Fuel Cell

FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)는 연료전지로 전기 모터에 전력을 공급하여 주행하는 자동차를 말한다. 또는 연료전지자동차, 연료전지차 라고도 부른다.

대표적으로 수소연료전지자동차 혹은 수소전기차는 수소 자동차의 일종으로 스택이라는 연료전지에서 수소하고 산소가 서로 화학반응을 일으키면서 전기를 발생시키는 원리로 작동된다. 연료전지를 사용해 전기모터로 자동차가 구동되며, 수소충전소에서 몇 분 만에 수소를 재충전해 사용한다. 기존의 가솔린 차량하고 큰 차이가 없는데, 배기가스가 전혀 없으며, 마실 수 있는 깨끗한 물만 나온다. 그 외에 에탄올 등 탄소를 함유한 주로 액체상의 분자를 연료전지로 사용하는 자동차도 있는데, 기존의 주유소 인프라를 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.

시내버스에도 FCEV를 이용한다. 대부분의 지역에서 플러그인식 전기버스와 FCEV를 혼용하지만 울산광역시와 전주시는 대형 시내버스용으로는 FCEV만 이용하며, 플러그인식 전기버스는 지선 및 마을버스에만 투입한다.

개발 상황 [ 편집 ]
FCEV를 개발하는 기업 [ 편집 ]
FCEV의 대표격인 수소전기차는 유럽, 미국, 일본, 중국, 한국 등에서 트럭, 승용차, 버스로 출시되어 보급 및 실증이 진행되고 있으며, 수소전기차를 판매하고 있는 기업은 약 20여개로 미국, 유럽, 일본 등의 실증기업까지 포함하면 30개 이상으로 추정된다.

승용차의 경우 한국의 현대자동차, 일본의 도요타/혼다에서 양산 중이며, 선도업체와 후발업체 간의 제휴가 활발하게 이루어지고 있으며 현재 전세계에서 한-일 두 나라에서만 생산되고 있다.

※ 독일 BMW는 도요타하고 공동개발, 2020년 출시 예정

※ 미국 GM은 혼다하고 공동개발 중

※ 아우디는 현대차와 공동개발 MOU를 맺고 2022년경 출시 예정
[1]
상용차의 경우 유럽, 미국, 일본, 중국, 한국 등에서 보급 및 실증이 진행되고 있다. 특히 중국은 전기차에 이어 수소자동차 시장에서도 글로벌 주도권을 쥐겠다는 목표(’30년 100만대) 아래 이미 40여 업체에서 56종의 수소버스·트럭 모델을 개발했다. (둥펑 자동차, 포톤, 상하이 자동차, 포산페이츠 등)

국내 FCEV 기술력 수준(해외 브랜드와 비교) [ 편집 ]
세계적으로 출시된 수소전기차(승용)는 현대차의 투싼ix(’13년)와 넥쏘(’18년), 토요타 미라이(’14년), 혼다 클라리티(’16년)가 있으며, 현대차 수소전기차는 ‘세계 10대 엔진’에 ’14년에 최초로 선정 및 ’18년에 두 번째로 선정되었다.[2] 넥쏘는 가장 최근에 출시된 만큼 경쟁차 대비 항속거리 및 연료저장기술 측면에서 우수한 것으로 판단된다.

구분 넥쏘 토요타 미라이 혼다 클래리티 최대 항속거리

(Km) 611(미국 인증: 복합 연비) 502(미국 인증: 복합 연비) 579(미국 인증: 복합 연비) 최고속도 177km/h 178km/h 169km/h 가속성능

(0→100km/h) 9.2초 9.0초 8.1초 모터 최대토크(N・m) 395 335 300 모터 최대출력 (bhp) 154 151 174

※ 가속 성능은 현대차(연구소) 자체 평가 결과

※ 최대 항속거리는 도로상황, 운전방법, 차량적재, 정비상태, 외기온도 등에 따라 달라질 수 있음

미국 [ 편집 ]
미국 에너지부는 2013년 5월 13일 민관 합동 FCEV 연구기관인 H₂USA에 개발 파트너로 벤츠, 닛산, 도요타, 현대를 선정했다.[3]
각주 [ 편집 ]
↑ 현대차그룹·아우디 의기투합…’수소차’ 글로벌 저변 확대 나선다 [1] ↑ 세계가 주목한 현대차의 친환경 엔진 [2] ↑ http://news.naver.com/main/read.nhn?mode=LSD&mid=shm&sid1=103&oid=020&aid=0002434190

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