[알아봅시다] 수소연료전지 자동차의 원리

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[알아봅시다] 수소연료전지 자동차의 원리
최근 정부가 올해부터 2008년까지 배출가스가 전혀 나오지 않는 `수소연료전지 자동차' 34대를 시범 보급하는 사업을 추진키로 했습니다.

수소연료전지 자동차는 수소를 기본적인 연료로 사용해 전기를 발생, 이 전기의 힘으로 모터를 돌려 구동시키는 무공해 청정 자동차인데요, 물만 배출하고 온실가스의 주범인 이산화탄소나 대기오염의 원인인 미세먼지 등을 전혀 배출하지 않는 `꿈의 자동차'로 일컬어집니다.

세계 각국과 자동차 업체들이 개발에 열을 올리고 있죠. 이번에는 수소연료전지 자동차가 어떤 원리로 움직이는지, 현재 개발된 수소연료전지 자동차는 어떤 것들이 있는지 등을 알아보겠습니다.

◇수소연료전지 자동차의 원리=수소연료전지 자동차를 이해하려면 우선 일반 내연기관 엔진의 역할을 담당하는 연료전지 스택을 알아야 합니다. 연료전지 스택이 어떻게 구성되고 있고, 어떤 화학적 원리로 전기를 발생시키는지를 알면 수소연료전자 자동차의 반 이상을 이해한 것이라고 보면 됩니다.

연료전지의 구조는 전기를 전달할 수 있는 `전해질'이라는 물질을 사이에 두고 양극과 음극의 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하게 됩니다. 연료전지의 음극(+)을 통해 수소가 공급되고 양극(-)을 통해 각각 산소가 공급되는데요. 음극을 통해 들어온 수소는 백금 등 촉매제(Catalyst)에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 나누어집니다.

나뉜 수소이온과 전자는 서로 다른 경로를 통해 양극(+)에 도달하게 되는데, 수소이온은 연료전지의 중심에 있는 전해질을 통해 양극(+)으로 흘러가고, 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하는 동시에 양극으로 흘러가 산소와 결합해 물이 되는 것입니다. 결국 연료전지 스택의 원리는 수소분자를 수소이온과 전자로 분리한 다음, 분리된 전자가 전기를 만들어내는 것입니다.

이렇게 만들어진 전류는 그냥은 사용할 수 없는 직류(DC)입니다. 인버터라는 전기장치를 통해 교류(AC)로 변환?증폭됩니다. 또 니켈수소나 리튬이온, 리튬폴리머를 주원료로 하는 배터리를 보조동력원으로 사용하기도 하는데요, 이럴 경우에는 연료전지에서 만들어진 전기와 함께 더 큰 힘을 발휘하거나 시동전원 등의 보조 역할을 합니다.

산소는 공기중에 풍부하게 존재하지만, 수소는 메탄올이나 가솔린 등 탄화수소 연료를 별도의 화학 처리작업을 통해 뽑아내야 하기 때문에 수소가 사실상 연료전지차의 핵심 연료원이라고 보면 되겠습니다.

수소를 연료전지차에 공급하는 방식은 초기 연료전지차 개발시에는 차량에 메탄올 등에서 수소를 추출하는 연료변환장치를 장착하는 방식이었지만, 최근에는 아예 주유소처럼 수소 주유소를 건설해 연료전지차 내부의 수소가스탱크에 고압으로 충전하는 방식이 대세로 굳어가고 있습니다.

◇세계적인 수소연료전지차 개발 열풍= 국산 수소연료전지 자동차로는 현대자동차가 2000년 개발한 싼타페 연료전지차와 이보다 조금 더 성능을 개선한 2004년 투싼 연료전지차가 있고, 기아자동차의 스포티지 연료전지차가 있습니다.

투싼과 스포티지 연료전지차는 같은 기술로 만들어졌기 때문에 거의 성능이 대동소이한데, 최고출력이 80kw(107마력)로 최고시속 150km까지 달릴 수 있습니다. 또 수소가스탱크를 한번 꽉 채운 양으로 최대 300km까지 달릴 수 있습니다. 올해부터 정부의 시범사업으로 보급되는 수소연료전지차도 역시 이 투싼 연료전지차입니다.

세계적으로는 다임러크라이슬러가 소형 연료전지차 `퓨얼셀 A클래스' 등 7종, 포드의 85kw급 포커스 연료전지차, GM의 하이드로젠3, 혼다의 FCX, 도요타의 FCHV 등 30여종이 넘게 개발돼 일부는 렌털서비스로 제공돼고 있고, 대부분은 실험용으로 사용되고 있습니다.

세계 주요 자동차 메이커는 물론 각국 정부들도 수소연료전지차 보급사업에 적극 나서고 있습니다. 미국은 2009년까지 300여대의 수소연료전지차를 시범운행하고, 53개의 수소충전소를 건설하는 사업을 진행하고 있고, 일본은 오는 2010년에 수소연료전지차 100만대 보급사업을 발표하기도 했습니다.

유럽도 수소연료전지차 보급에 열정적으로, 2008년까지 약 250여대의 연료전지차 시범사업을 실시하고 있습니다.

수소연료전지차가 궁극적인 친환경 미래자동차로 손꼽히고 있지만, 문제는 가격이 너무 비싸다는 것입니다. 투싼연료전지차 한 대 값이 10억원이라고 하니 일반인들은 구매할 꿈도 못꾸는 상태입니다. 그러나 전문가들은 앞으로 약 20년후인 2025년쯤에는 대당 5000만원 이하로 떨어질 것으로 내다보고 있습니다.

김승룡기자@디지털타임스



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