제6장. 수소 모빌리티
수소전기차란 무엇일까?
작동 원리와 배터리 전기차 차이
수소로 전기를 생산해 달리는 수소전기차의 작동 원리와 주요 구성품, 배터리 전기차와의 차이, 활용 분야를 알아봅니다.
수소전기차는 수소를 차량에 충전하고, 수소와 공기 중 산소의 반응으로 전기를 생산해 모터를 움직이는 자동차입니다.
일반적으로 많이 알려진 배터리 전기차는 외부 충전기에서 공급받은 전기를 배터리에 저장한 뒤 그 전기로 모터를 구동합니다.
반면 수소전기차는 고압으로 저장된 수소를 이용해 차량 내부의 연료전지에서 직접 전기를 만듭니다.
쉽게 표현하면 수소를 연료로 사용하는 작은 발전소를 자동차 안에 넣은 차량이라고 볼 수 있습니다.
이번 글에서는 수소전기차의 기본 개념과 작동 원리, 수소저장용기와 연료전지 스택을 비롯한 주요 구성품, 배터리 전기차와의 차이를 순서대로 알아보겠습니다.
수소전기차 핵심 내용
① 수소전기차는 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기를 생산합니다.
② 생산된 전기를 이용해 구동모터를 작동합니다.
③ 핵심부품은 수소저장용기와 연료전지 스택입니다.
④ 구동배터리는 순간출력 보조와 회생에너지 저장을 담당합니다.
⑤ 주행 중 연료전지 반응으로 주로 물과 열이 생성됩니다.
수소전기차란?
수소전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)는 수소를 에너지원으로 사용해 전기를 생산하고, 그 전기로 모터를 구동하는 자동차입니다.
차량에는 고압으로 압축된 수소를 저장하는 수소저장용기가 설치되어 있습니다.
주행이 시작되면 저장용기에서 공급된 수소가 연료전지 스택으로 이동하고, 공기공급장치는 외부 공기에서 산소를 공급합니다.
수소와 산소가 연료전지 내부에서 반응하면 전기와 물, 열이 생성됩니다. 이때 만들어진 전기가 구동모터와 차량의 각종 전장장치에 공급됩니다.
수소전기차도 전기차입니다
차량의 바퀴를 움직이는 장치는 엔진이 아니라 전기모터입니다. 수소는 모터에서 직접 연소되는 연료가 아니라 전기를 만드는 에너지원입니다.
수소를 직접 태우는 자동차와는 다릅니다
일반적인 수소전기차는 내연기관처럼 실린더 안에서 수소를 연소시켜 동력을 얻지 않습니다.
연료전지에서 수소와 산소의 전기화학반응을 이용해 전기를 생산하므로 피스톤과 실린더를 사용하는 내연기관과 구조가 다릅니다.
수소전기차 작동 원리
수소전기차가 충전된 수소를 이용해 바퀴를 움직이기까지는 여러 시스템이 순서대로 작동합니다.
→ 전력변환장치 → 구동모터 → 차량 주행
1. 수소를 차량에 충전합니다
수소충전소의 노즐을 차량 충전구에 연결해 고압 수소를 저장용기에 충전합니다.
승용 수소전기차에는 일반적으로 700bar급 수소저장 시스템이 적용됩니다.
2. 고압 수소를 저장합니다
충전된 수소는 차량 하부 등에 설치된 고압 수소저장용기에 보관됩니다.
수소저장용기는 높은 압력을 견디면서도 충돌과 반복충전 환경에서 안전성과 내구성을 유지해야 합니다.
3. 연료전지로 수소와 산소를 보냅니다
수소공급장치는 저장용기의 고압 수소를 연료전지에서 사용할 수 있는 압력으로 조절해 공급합니다.
공기공급장치는 외부 공기를 흡입하고 정화한 뒤 반응에 필요한 산소를 연료전지 스택으로 보냅니다.
4. 연료전지에서 전기를 생산합니다
연료전지 스택 내부에서 수소는 수소이온과 전자로 분리됩니다.
전자는 외부 회로를 따라 이동하며 전류를 만들고, 수소이온은 전해질막을 통과한 뒤 산소와 결합해 물을 만듭니다.
5. 생산된 전기로 모터를 구동합니다
연료전지에서 만들어진 전기는 전력변환장치와 인버터를 거쳐 구동모터에 전달됩니다.
구동모터의 회전력이 감속기와 구동축을 통해 바퀴에 전달되면서 수소전기차가 움직입니다.
수소전기차의 배터리는 어떤 역할을 할까?
수소전기차에도 구동배터리가 들어갑니다. 하지만 배터리 전기차처럼 대용량 배터리에 저장된 전기만으로 주행하는 구조는 아닙니다.
수소전기차의 배터리는 급가속처럼 순간적으로 높은 출력이 필요할 때 연료전지 출력을 보조합니다.
감속이나 제동 중에는 구동모터가 발전기처럼 작동해 차량의 운동에너지 일부를 전기로 회수합니다.
회수된 전기는 배터리에 저장되었다가 다음 가속이나 차량 전장장치에 다시 사용됩니다.
연료전지와 배터리를 함께 사용하는 이유
연료전지는 일정한 출력을 안정적으로 생산하는 데 유리하고, 배터리는 급격하게 변하는 출력 요구에 빠르게 대응합니다. 두 장치를 함께 사용하면 효율과 주행성능을 높일 수 있습니다.
수소전기차 주요 구성 요소
수소전기차는 수소를 저장하고 공급하는 시스템, 전기를 생산하는 연료전지 시스템, 차량을 움직이는 전동화 시스템으로 구성됩니다.
| 구성품 | 주요 역할 |
|---|---|
| 수소저장용기 | 700bar급 고압 수소 저장 |
| 연료전지 스택 | 수소와 산소의 반응으로 전기 생산 |
| 수소공급장치 | 고압 수소를 감압해 스택으로 공급 |
| 공기공급장치 | 연료전지 반응에 필요한 산소 공급 |
| 구동배터리 | 순간출력 보조와 회생에너지 저장 |
| 인버터 | 직류전기를 모터용 교류전기로 변환 |
| 구동모터 | 전기에너지를 회전운동으로 변환 |
| 냉각시스템 | 연료전지와 전력장치의 온도 관리 |
수소저장용기
수소저장용기는 수소전기차가 주행하는 데 필요한 수소를 고압으로 보관하는 부품입니다.
승용차에는 일반적으로 플라스틱 라이너와 탄소섬유 복합재로 구성된 Type 4 용기가 적용됩니다.
라이너는 기밀성을 확보하고, 탄소섬유 복합재는 높은 내부압력을 견디는 구조적 강도를 담당합니다.
연료전지 스택
연료전지 스택은 수소전기차에서 실제로 전기를 생산하는 핵심장치입니다.
한 개의 셀에서 발생하는 전압은 낮기 때문에 많은 셀을 직렬로 쌓아 차량 구동에 필요한 전압과 출력을 확보합니다.
공기공급장치와 수소공급장치
공기공급장치는 연료전지에 필요한 산소를 적절한 압력과 유량으로 공급합니다.
수소공급장치는 저장용기의 수소 압력을 낮추고 운전조건에 맞춰 필요한 수소량을 조절합니다.
열관리 시스템
연료전지에서 전기를 생산하면 열도 함께 발생합니다.
스택 온도가 지나치게 높거나 낮으면 효율과 내구성이 저하될 수 있어 냉각수와 라디에이터, 펌프로 적정 온도를 유지합니다.
수소전기차와 배터리 전기차의 차이
수소전기차와 배터리 전기차는 모두 전기모터로 주행합니다.
가장 큰 차이는 모터에 공급할 전기를 어디에서 얻는가입니다.
배터리 전기차
✔ 외부 충전기에서 전기를 공급받습니다.
✔ 대용량 배터리에 전기를 저장합니다.
✔ 저장된 전기로 구동모터를 작동합니다.
✔ 배터리 용량과 충전속도가 중요합니다.
수소전기차
✔ 수소충전소에서 고압 수소를 충전합니다.
✔ 차량 내부 연료전지에서 전기를 생산합니다.
✔ 수소저장용기와 연료전지 스택이 핵심입니다.
✔ 생산된 전기와 배터리 전력으로 모터를 구동합니다.
차이를 한 문장으로 정리하면
배터리 전기차는 외부에서 충전한 전기를 저장해 사용하는 차량이고, 수소전기차는 차량에 충전한 수소로 내부에서 전기를 생산하는 차량입니다.
배터리 전기차와 수소전기차 비교
| 구분 | 배터리 전기차 | 수소전기차 |
|---|---|---|
| 주요 에너지원 | 외부에서 충전한 전기 | 차량에 저장한 수소 |
| 전기 공급 방식 | 배터리에 저장 | 연료전지에서 생산 |
| 핵심부품 | 대용량 구동배터리 | 연료전지 스택과 수소저장용기 |
| 에너지 보충 | 전기충전 | 수소충전 |
| 주요 활용 | 승용차와 도심 이동 | 승용차·버스·트럭·상용차 |
| 주행 중 직접 배출 | 배기가스 없음 | 주로 물과 열 생성 |
수소전기차의 장점
비교적 짧은 충전시간
고압 수소를 차량 저장용기로 이동시키는 방식이기 때문에 승용 수소전기차는 비교적 짧은 시간에 에너지를 보충할 수 있습니다.
장거리 운행에 유리한 구조
차량에 필요한 에너지를 고압 수소 형태로 저장하기 때문에 긴 운행거리가 필요한 차량에 활용하기 좋습니다.
버스와 트럭 적용 가능성
버스와 트럭은 긴 운행거리와 빠른 에너지 보충, 적재효율이 중요합니다.
수소전기차 시스템은 대형 배터리의 무게와 충전시간 부담을 줄일 수 있어 상용차 분야에서 활용 가치가 높게 평가됩니다.
주행 중 배기가스가 발생하지 않습니다
수소전기차는 주행 중 연료를 직접 연소하지 않기 때문에 내연기관 차량과 같은 배기가스를 배출하지 않습니다.
다만 수소의 전체 환경성은 생산과 운송과정에서 어떤 에너지를 사용했는지에 따라 달라질 수 있습니다.
수소전기차가 해결해야 할 과제
충전 인프라 부족 — 지역에 따라 수소충전소 접근성이 다릅니다.
차량 가격 — 연료전지와 고압 수소저장 시스템의 비용이 높습니다.
수소 가격 — 생산방식과 운송거리, 충전소 운영비의 영향을 받습니다.
부품 내구성 — 스택과 공기공급장치의 내구성을 계속 개선해야 합니다.
청정수소 생산 — 재생에너지를 활용한 수소 생산 비중을 높여야 합니다.
수소전기차 활용 분야
수소전기차 기술은 승용차뿐 아니라 장거리와 대용량 운행이 필요한 다양한 모빌리티에 적용되고 있습니다.
승용 수소전기차 — 일상 이동과 장거리 주행에 활용됩니다.
수소버스 — 시내버스와 광역버스 노선에 적용됩니다.
수소트럭 — 물류와 항만, 장거리 화물운송에 활용됩니다.
수소청소차 — 공공 특장차와 환경차량에 적용됩니다.
수소지게차 — 물류창고와 산업현장에서 활용할 수 있습니다.
수소철도 — 전철화가 어려운 구간의 대안으로 개발되고 있습니다.
수소선박 — 연안선박과 친환경 해상운송 분야에서 개발되고 있습니다.
수소전기차 자주 묻는 질문
수소전기차는 수소를 태워서 움직이나요?
일반적인 수소전기차는 수소를 연소시키지 않습니다. 연료전지에서 수소와 산소의 전기화학반응으로 전기를 만들고 모터를 구동합니다.
수소전기차에도 배터리가 들어가나요?
배터리가 들어갑니다. 배터리는 급가속 때 출력을 보조하고 회생제동으로 회수한 전기를 저장합니다.
수소전기차에서 물이 나오는 이유는 무엇인가요?
연료전지 내부에서 수소이온과 산소가 결합하면서 물이 생성되기 때문입니다.
수소전기차도 전기차에 포함되나요?
전기모터로 주행하므로 전기차에 포함됩니다. 다만 차량 내부 연료전지에서 전기를 생산한다는 차이가 있습니다.
수소전기차 관련 글과 참고 자료
수소저장과 운송, 충전 기술은 henex81의 수소기술 시리즈에서 이어서 확인할 수 있습니다.
핵심 내용 정리
① 수소전기차는 수소와 산소의 반응으로 차량 내부에서 전기를 생산합니다.
② 생산된 전기는 인버터와 구동모터를 거쳐 차량을 움직입니다.
③ 수소저장용기와 연료전지 스택이 핵심부품입니다.
④ 배터리는 순간출력 보조와 회생에너지 저장을 담당합니다.
⑤ 배터리 전기차는 전기를 저장하고 수소전기차는 전기를 생산합니다.
⑥ 짧은 충전시간과 긴 운행거리는 상용차 분야에서 장점이 될 수 있습니다.
⑦ 충전 인프라와 차량가격, 청정수소 생산은 해결해야 할 과제입니다.
마무리
수소전기차는 배터리 전기차와 마찬가지로 전기모터를 이용해 움직입니다.
하지만 외부에서 충전한 전기를 대용량 배터리에 저장하는 대신, 차량에 충전한 수소를 이용해 연료전지에서 직접 전기를 생산한다는 점이 가장 큰 특징입니다.
수소저장용기와 연료전지 스택, 공기공급장치와 수소공급장치, 배터리와 구동모터가 하나의 시스템으로 연결돼 수소전기차를 움직입니다.
앞으로 수소전기차는 승용차뿐 아니라 버스와 트럭, 물류차량과 철도 등 다양한 수소 모빌리티 분야에서 활용될 가능성이 있습니다.
다음 글 「6-2. 수소연료전지 시스템」에서는 연료전지 스택의 구조와 발전 원리, 공기공급장치와 수소공급장치의 역할을 자세히 알아보겠습니다.