수소 연료전지 자동차의 장점과 단점

순수 전기 자동차(BEV)와 다르게 저장된 수소를 싣고 다니면서 수소를 연료로 한 연료전지로부터 발생한 전력으로 구동력을 얻어 주행하는 또 다른 형태의 전기차인 수소 연료 전지 자동차가 있습니다. 흔히 수소차라고 많이 불리는데요 현대자동차의 넥쏘(Nexo)가 수소 연료전지 자동차입니다. 순수 전기 자동차와 달리 수소 연료전지 자동차의 장점과 단점에 대해 알아보겠습니다. 

2022.10.03 - [전기차(EV)] - 전기 자동차의 정의 및 종류

전기 자동차의 정의 및 종류

 

수소 연료전지 자동차의 장점

(1) 일단 수소만 충전 가능하다면 내연기관처럼 제약 없이 운전하며 다닐 수 있습니다. 

(2) 충전 시간이 매우 짧습니다. 천연가스처럼 수소를 충전하면 되기 때문에 기존의 내연기관 자동차처럼 충전소만 있다면 장거리 운전을 할 때도 부담 없이 다닐 수 있습니다.

(3) 수소는 동일 중량당 에너지 밀도가 꽤 높습니다. 휘발유에 비해 3배 이상입니다. 따라서 부피는 크지만 높은 압력으로 압축하면 상당량의 에너지를 이동하면서 이용할 수 있습니다. 그렇기 때문에 다른 방식의 전기차에 비해 주행 거리를 늘릴 수 있고 다른 용도로 전기를 활용할 수 있는 여유가 있습니다. 예를 들어 현대 자동차의 넥쏘의 경우 수소 6.33kg으로 약 898MJ의 열량을 생산할 수 있는데요 이는 약 250kWh에 해당하는 매우 높은 에너지양입니다. 

(4) 배기가스가 없습니다. 당연한 얘기이지만 수소 연료전지차(FCEV)는 수소와 산소를 화학 반응시켜 전기 에너지로 변환하고 반응의 결과로 물만 생성됩니다. 따라서 유해한 배기가스 자체가 생산될 수 없는 구조입니다. 

(5) 연료전지 스택을 통해 전기를 생산하기 때문에 대용량의 배터리를 굳이 탑재할 필요가 없습니다. 따라서 동력 체계의 경량화, 고효율화가 가능합니다. 이런 이유로 대형 차량의 개발에 연료전지 시스템이 적합하다는 관점이 있습니다. 

(6) 움직이는 공기 청정기 역할을 할 수 있습니다. 연료전지 스택에 공급하는 공기는 미세먼지나 유해가스가 제거된 청정한 공기이어야 하기 때문에 수소차는 주행 중에 주변 공기를 흡입하여 고효율 필터를 통해 깨끗하게 정화한 후 연료전지 스택에서 사용하고 다시 배출하는 시스템이기 때문에 그 자체로 하나의 공기 청정기 역할을 하게 됩니다. 예를 들어 현대 자동차의 넥쏘의 경우 한 시간 주행하면 26.9kg의 공기를 정화할 수 있습니다. 보통 3단계의 공기 정화 시스템을 통해 공기 중 먼지나 화학물질을 정화하게 됩니다. 

(7) 연료전지의 연료인 수소 단가가 낮습니다. 천연가스 개질이나 나프타 분해를 통해서 비교적 저렴하게 수소를 추출하여 대량 생산할 수 있음으로써 1kg당 약 5,000원 정도의 가격을 형성하고 있습니다.

수소 연료전지 자동차의 단점

(1) 인프라를 구축하고 높은 투자 비용이 필요하고 수소를 안전하게 보관하고 운송하기 위한 기술 개발이 추가로 필요하고 이 역시 만만치 않은 투자 비용이 요구됩니다. 수소 인프라 구축은 기존의 인프라를 이용하기 어렵기 때문에 처음부터 새로 시작해야 하고 수소 충전소 설치 비용도 많이 소요되기도 하고 위험성에 대한 검증도 필요하기 때문에 보급에 많은 문제가 있습니다. 수소 충전소 한군데 건설하는데 약 30억원이 들어간다고 합니다. 그에 비해 LNG 충전소는 10억 정도의 비용이면 가능하다고 합니다. 현재 우리나라에는 수소 충전소가 31군데 밖에 없다고 합니다. 이런 현실에서 일반 이용자가 실생활에서 접근하기란 매우 어렵고 이마저도 고장 난 경우가 많다고 하니 충전소 인프라를 구축하는 것이 여간 어려운 일이 아니라는 것을 알 수 있습니다. 

(2) 수소를 생산하면서 발생하는 이산화탄소량이 문제입니다. 현재 수소 생산 방식은 대부분이 천연가스 개질법에 의해 화석연료를 가공하면서 발생하는 수소를 가져오는 방식인데요 이 과정에서 필연적으로 이산화 탄소를 배출하게 되게 역설적으로 화석연료에 대한 의존도를 낮출 방법이 없기 때문에 과연 대체 연료로써의 의미가 있는지에 대해 의문이 지속해서 재기 되고 있습니다. 석유 정제나 분해 공정에서 발생하는 부생수소를 주로 이용하면 되지 않냐는 의견이 많지만 이런 부생 수소의 량이 절대적으로 작다고 합니다. 

(3) 현실적인 충전 시간 문제가 있습니다. 수소 전기차의 수소 충전 시간이 일반적인 전기 자동차에 비해 빠른 것이 장점이지만 실제로는 수소 탱크 압력에 미리 맞추어 압축 저장해놓은 수소가 없다면 압축에 추가적인 시간이 필요하기 때문에 충전 시간이 예상보다 길어질 수 있습니다. 

(4) 수소가 가연성이 높고 고압 상태로 취급해야 하므로 안전에 매우 주의를 기울여야 하고 시설 점검도 자주해야 하고 설비 또한 안정성 확보를 위해 그에 맞는 강도와 신뢰성을 확보해야 합니다. 따라서 수소 전기차나 충전소는 다른 충전소에 비해 건설, 설비 비용도 많이 들고 유지비도 많이 들 수밖에 없는 상황입니다. 또한 연료전지 스택 및 수소 라인을 포함한 복잡한 구조 때문에 정비 난이도가 매우 높아서 추가적인 인프라가 필요합니다. 물론 전문인력도 추가로 필요한 상황이 되겠습니다. 

(5) 기타로 수소가 초고압 기체 연료이므로 운송비용도 굉장히 비싸다는 것과 수소 자체는 에너지 밀도가 매우 높은 기체이지만 가장 가벼운 원소이므로 부피가 매우 크기 때문에 초고압으로 압축해서 사용해야 합니다. 승용차의 경우 최대로 압축해도 7~8kg 정도밖에 실을 수 없는 한계가 있습니다.