수소차는 살아남을 수 있을까?
feat. 수소차의 작동원리
안녕, 차 잘 알 데이빗이야.
전기차가 인기를 끌면서, 다른 자동차 제조사들도 전기차를 생산하고 있어. 이러한 추세 때문인지 전기차의 기술도 빠르게 발전하고 있을 뿐만 아니라 국가의 정책 역시 전기차 시대로 가고 있는 것 같아. 현재의 전기차에 비해 실질적으로 내구성, 성능, 효율 등이 떨어지는 수소차에 대해 부정적인 시선이 많다고 생각해. 97년도부터 약 25년간 수소차를 연구한 현대자동차는 과연 수소차를 포기할까? 수소차의 작동원리, 수소차의 한계, 앞으로의 수소차에 대해 알아볼 거야. 그럼 오늘의 주제, 수소차의 작동원리에 대해 이야기해 볼까?
수소차의 작동원리
수소차, 정확히 말하자면 수소전기차라고 할 수 있어. 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기에너지를 만들고, 이렇게 만들어진 전기에너지로 모터를 돌려 동력을 만들기 때문이야. 수소전기차는 간단하게 연료전지 스택, 구동모터, 수소 저장 장치로 이루어져 있다고 볼 수 있어.
1. 수소 저장 시스템
수소! 다들 알고 있겠지만 수소는 상온에서 기체 상태로 존재해. 공기 중을 자유롭게 떠다니는 기체 상태의 수소를 연료로 쓰기에는 보관하기 위한 공간의 크기가 너무나도 커지겠지? 그렇다고 끓는점이 -253도인 수소를 액체로 만들기도 어렵고 말이야. 그렇기 때문에 수소를 연료로 쓰기 위해서는 고압으로 압축해서 보관할 필요가 있어. 수소전기차의 연료 탱크의 외부는 탄소섬유 강화 복합재로 만들어 700 bar의 높은 압력을 견딜 수 있게 만들고 내부는 나일론 소재를 넣어 뛰어난 내구 복원력을 가지도록 만들어. 이렇게 고압으로 보관되어 있는 수소는 2단계 감압 장치를 거쳐서 연료 전지 스택으로 보내져. 내연기관 자동차와 비교해 보았을 때 연료통부터 머리가 아파지는 기술들이 필요하지.
2. 공기 공급 시스템
수소전기차는 어떻게 전기에너지를 생산한다? 수소와 산소의 화학반응으로! 그럼 수소는 연료탱크에 있는데 산소는 어디서 얻을까? 산소는 공기 공급 시스템으로 우리가 숨 쉬고 있는 공기에서 수급해. 수소전기차가 움직이는 공기청정기라고 불리는 이유를 여기서 알 수 있어. 우리가 미세먼지를 많이 마시면 몸에 좋지 않은 것처럼 전기를 만들어 주는 연료전지도 마찬가지야. 이물질이 포함된 공기가 연료전지로 바로 들어가게 되면 연료전지를 손상시킬 수 있지. 그렇기 때문에 공기 공급 장치를 통해 여러 차례 공기를 정화해서 연료전지로 산소를 공급해 주고 있어. 공기필터에서 먼지와 화학 물질을 거르고, 건조한 공기를 가습 막을 통해 가습 하고, 기체 확산층을 통해 연료전지의 전극막에 산소를 공급해. 산소를 공급해 주고 남은 공기는 다시 밖으로 배출하게 되는데 깨끗해진 공기를 배출하기 때문에 움직이는 공기청정기라고 부르는 거야. 멋지지?
3. 연료전지 스택
수소전기차의 핵심! 연료전지는 내연기관차의 엔진과 같은 역할을 하고 있어. 앞에서 살짝 얘기했지만 연료전지는 수소와 산소를 화학반응시켜 전기를 생산해. 연료전지는 실질적으로 수소와 산소의 화학반응을 일으켜 전기를 생산하는 전극막, 수소와 산소를 전극막 표면으로 전달해 주는 기체 확산층, 수소와 산소가 통과할 수 있는 길을 만들어주는 금속 분리판 등으로 구성되어 있어. 수소와 산소의 화학반응을 간단하게 봐볼까? 연료전지의 음극에서는 H2인 수소가 2개의 수소 이온과 2개의 전자로 분해되고 분해된 전자는 도선을 타고 양극으로 이동하고, 수소 이온은 전해 질을 통과하여 양극으로 이동하게 된다. 양극에서는 이동해온 수소 이온과 전자, 산소가 반응하여 물이 생성돼. 이 과정에서 발생하는 전자의 이동을 전력으로서 사용하는 것이 연료전지의 기본 개념이야. 다들 이해했지?.. 그냥 수소와 산소가 결합해서 물과 전기를 만든다고 생각하면 편해. 연료전지가 수소전기차의 핵심인 만큼 아직까지는 부족한 부분이 많아. 촉매로 쓰이는 백금 등 가격을 살벌하게 만드는 요소가 너무 많고 연료전지의 내부의 산도가 너무 높기 때문에 부식이 너무 빠른 점 등이 있어. 자세한 건 다음에 얘기해볼게.
4. 구동모터
다들 어렸을 때 미니카 만들어 봤어? 직접 조립하고 꾸며서 친구와 누가 빠른지 대결까지! 대결에서 지고 나서 어떻게 하면 이길 수 있을까 하고 있을 때 금색 모터가 좋다는 말에 금색 모터를 샀었던 추억이… 바로 그 모터! 당연하겠지만 수소전기차의 구동모터는 미니카의 모터와 같이 단순히 전기에너지를 운동에너지로 바꿔주는 역할만 할 수 있는 것은 아니야. 수소전기차의 구동을 담당하는 부분에는 동력을 만드는 구동모터, 전기에너지를 공급하고 관리하는 통합 전력제어장치, 구동모터의 회전수를 조절하는 감속기 등으로 구성돼. 구동모터는 기본적으로 연료전지에서 만들어준 전기에너지를 운동에너지로 바꿔주는 역할을 하고 전기차와 마찬가지로 회생제동 시스템을 가지고 있어서 자동차의 속도를 줄일 때 운동에너지를 전기에너지로 다시 환원하여 일종의 발전기 역할도 할 수 있어. 연비효율에 조금 도움이 될 수 있겠지?
5. 친환경 수소차
지구를 지켜라! 많은 사람들이 우리 지구의 환경보호에 힘쓰기 위해 그런 것인지, 그저 트렌드에 따라가는 것인지 모르겠지만 업사이클링, 재생, 친환경 등에 관심이 많아. 물론 내연자동차에 비해 다양한 장점들이 있기도 하지만 그 때문인지 많은 사람들이 전기차에 관심을 갖고 열광하게 된 것 같아, 수소전기차도 전기차와 마찬가지로 전기에너지를 사용해 움직이고 내연자동차와 달리 배기가스가 없는 친환경 자동차라는 점이 같아. ‘배기가스가 없기 때문에 친환경이다?’ 이 말은 부정할 수 없는 사실이지만, 수소전기차와 전기차의 연료인 수소와 전기는 어떻게 만들어지는가를 따져본다면 사실 두 가지 모두 완전한 친환경이라고 볼 수는 없다고 생각해. 하지만, ‘이렇게만 할 수 있다면?’ 하고 생각한 점이 있어. 수소전기차와 전기차의 가장 큰 차이점은 수소전기차는 전기에너지를 직접 생산하고, 전기차는 전기에너지를 외부로부터 수급해야 된다는 거야. 앞서 이야기했지만, 수소전기차는 전기에너지를 직접 생산하는 과정에서 부산물로 물을 만들어. 만약, 수소와 산소의 결합으로 물과 전기에너지를 만들고 그렇게 만들어진 물을 다시 분해해서 수소를 만들어 낼 수 있다면 수소전기차는 완벽한 친환경 자동차가 될 수 있어. 현재의 기술로는 물을 분해하기 위해 엄청나게 많은 에너지가 필요하기 때문에 배보다 배꼽이 더 큰 상황이 발생하게 돼. 수소 연료전지 기술이 발달해서 미래에는 완벽한 친환경 자동차가 되기를 바라.
