수소전기차(FCEV)

수소 전기차는 전기차의 한 종류입니다. 수소 전기차는 FCEV라고 불립니다. Fuel Cell Electric Vehicle의 약자이고 풀어서 쓰면 연료전지 전기자동차 정도로 얘기할 수 있습니다. 그렇다면 도대체 수소는 어디에서 쓰이길래 수소 전기차라고 하는 것일까요? 

 

 

수소전기차의 작동 원리 

수소전기차는 FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)라고 하며 연료전지 자동차, 연료전지 전기 자동차, 수소차 등으로 불립니다. 연료전지란 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기 에너지를 발생시키는 장치를 말합니다. 따라서 수소차라는 것은 수소와 공기 중의 산소가 반응해서 전기를 생산하고 구동하는 연료전지 자동차를 말합니다. 즉 연료로써 수소를 사용하는 전기자동차를 수소차 또는 수소 전기차라고 하는 것입니다.

 

물(H2O)을 전기 분해하면 수소와 산소로 분리되는데요 반대로 수소와 산소를 화학 반응시키면 물과 전기에너지가 생성됩니다. 이때 발생된 물은 배출하게 되고 전기에너지를 구동 모터에 공급하여 자동차를 움직이게 됩니다. 따라서 수소전기차는 물 이외에는 배출가스가 발생하지 않는 특징을 가지므로 대표적인 친환경 자동차입니다.

출처 : 현대자동차, 연료전지 전기 발생 원리

핵심 부품 및 기술

수소전기차의 작동 프로세스를 보면 수소 저장 탱크에서 수소를 공급하고 외부 공기로부터 정화기를 통해 정화된 산소를 연료전지 스택으로 전달하게 되고 수소 탱크에서 공급된 수소와 공기로부터 전달된 산소의 화학 반응으로 전기에너지를 생산하고 구동 모터를 통해 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 자동차가 작동하게 됩니다. 

연료전지스택(Stack)

수소전기차의 연료전지는 단위 셀들을 적층하여 조립한 스택의 형태로 구성되어 있습니다. 스택의 단위 셀은 MEA라고 하는 막전극접합체와 Separate라고 하는 분리막으로 구성되어 있습니다. MEA는 수소 이온을 이동 시키기위해 고분자 전해질막, 그 막의 양면에 백금 촉매가 도포된 양극(Anode)과 음극(Cathode)으로 구성되어 있습니다.

1 MEA는 약 0.7V의 전기를 발생시키므로 1kW의 전기를 생산하려면 적어도 40~50개 정도의 셀이 필요합니다. 현대차의 FCEV의 경우 440개의 셀로 구성된 스택을 가지고 있습니다. 

수소탱크

수소는 부피당 밀도가 낮아 저장하기 위해서는 매우 큰 공간을 요구합니다. 중량당 에너지 밀도는 가솔린에 비하면 3~4배이지만 면적당 에너지 밀도는 가솔린의 25% 수준이므로 최대한 압축하여 사용해야 효율성을 가질 수 있습니다. 따라서 수소저장 탱크는 700 bar의 높은 압력으로 압축해야 합니다. 이렇게 높은 압력을 견딜 수 있어야 하고 자동차에 장착해야 하므로 내구성과 연비를 고려한 경량화 기술도 요구됩니다. 이를 위해 수소연료탱크는 탄소섬유 강화 복합재로 제작하고 내부에는 폴리아미드라이너를 삽입하는 기술이 적용됩니다.

공기 공급장치

연료전지에 양극에 산소를 공급하기 위한 장치입니다. 크게 외부공기를 정화하는 에어클리너, 외부공기를 가압하여 공급하는 공기 압축기, 그리고 공기의 습도를 높이는 가습기로 구성되어 있습니다. 연료전지에 유해가스나 먼지가 유입되게 되면 내구성이 크게 떨어지기 때문에 청정한 공기 흡입이 매우 중요합니다. 따라서 공기 흡입부에 강력한 화학 필터를 장착하여 불순물을 걸러 내게 됩니다. 또한 고분자 전해질막은 수화 상태일 때 이온을 전달할 수 있으므로 공기에 적절한 수분을 공급해주기위해 가습기가 필요합니다. 스택의 효율 향상을 위해 공기를 압축하여 공급하기 때문에 공기 압축기가 장착되어 있습니다. 

향후 전망

글로벌 시장조사 기관 주니퍼 리서치(Juniper Research)에 따르면 수소 전기차가 2022년 6만에서 2027년에는 100만대를 넘어서 1500% 이상 성장할 것으로 전망하였습니다. 수소 생산 비용이 점점 낮아질 것으로 예상하고 있으며 따라서 수소 전기차 보급도 증가할 것으로 보고 있습니다.