수소연료전지자동차

왜 배우는가: 수소연료전지자동차는 친환경 자동차의 한 방식으로 보급이 늘고 있어 실무와 시험에서 원리와 안전장치를 설명할 일이 많다. 시험에서는 원리, 구성요소, 수소 공급방식, 안전장치가 함께 출제되므로 용어의 뜻과 흐름을 먼저 잡아야 한다.

출제 이력: 제113회 4교시 1번, 제110회 3교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수소연료전지자동차는 수소와 산소의 전기화학 반응으로 만든 전기로 전동기를 구동하는 자동차이다.

수소연료전지자동차(FCEV)는 흔히 수소차라고 불리지만, 엄밀히 말하면 수소를 연료로 싣고 이를 연료전지에서 전기로 바꾸어 쓰는 전기자동차의 한 종류이다. 내연기관이 연료를 태워 동력을 얻는 것과 달리, 연료전지는 연소 과정 없이 화학에너지를 전기에너지로 직접 바꾼다. 그 결과 주행 중 배출되는 것은 물(수증기)뿐이다.

핵심 키워드는 연료전지 스택, 전기화학 반응, 고분자 전해질 막, 인버터, 고압 수소 저장 용기, 수소 누출 감지 센서이다.

이 개념은 수소 자체의 성질을 함께 이해해야 한다. 수소는 분자량이 매우 작아 틈새로 쉽게 새고, 공기와 섞이면 넓은 농도 범위에서 점화될 수 있다. 따라서 저장 용기, 연료 공급 배관, 충전 설비가 모두 누출을 막는 방향으로 설계되며, 이것이 수소연료전지자동차 설명의 출발점이다.

연료전지와 배터리의 차이는 에너지를 저장하는 위치에 있다. 배터리는 미리 저장해 둔 전기를 쓰는 방식이고, 연료전지는 연료를 계속 공급받아 전기를 만드는 방식이다. 이 차이를 구분하지 못하면 답안이 전기자동차 설명과 뒤섞이기 쉽다.

시험에서는 원리, 구성요소, 수소 공급방식, 주요 안전장치를 한 문제 안에서 묶어 묻는 경우가 많다. 따라서 용어를 하나씩 외우기보다 연료전지 스택에서 시작해 차량 탱크와 안전장치로 이어지는 흐름을 한 번에 그려 두어야 한다.

2. 개념 풀이

수소연료전지자동차는 연료전지에서 수소와 산소가 전기화학적으로 반응하여 생성된 전기로 전동기에 동력을 공급하는 자동차이다. 여기서 전기를 만드는 주체는 배터리가 아니라 연료전지 스택이라는 점이 중요하다. 연료전지는 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하므로, 열을 거쳐 일로 바꾸는 내연기관과 달리 열기관의 이론 효율 한계인 카르노 효율의 제약을 받지 않는다. 그만큼 같은 연료에서 얻는 에너지 이용 효율이 높다.

원리는 연료전지 스택에서 시작된다. 음극에 공급된 수소는 백금 등 촉매에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다. 수소이온은 전해질을 통과해 양극으로 이동하고, 전자는 외부회로를 지나며 전류를 흘린 뒤 양극에서 산소와 만나 물이 된다. 반응식은 2H_2 + O_2 = 2H_2O 이며, 외부회로를 흐르는 전자의 흐름이 구동 전기가 된다.

전기화학 반응은 전극에서 산화와 환원이 동시에 일어나 화학에너지가 전기에너지로 바뀌는 반응이다. 고분자 전해질 막은 수소이온만 선택적으로 통과시키고 전자는 막을 지나지 못하게 하여, 전자가 반드시 외부회로를 거쳐 양극으로 가도록 만든다.

연료전지 스택은 단위 셀을 여러 장 적층하여 필요한 전압과 출력을 얻는다. 단위 셀 하나의 전압은 낮으므로 직렬로 쌓고, 셀 사이는 양극판(bipolar plate)으로 나누어 수소와 산소의 유로를 만든다. 스택에서 생성된 물은 차량 외부로 배출되므로, 스택 내부의 수분 관리도 설계 요소가 된다.

스택에서 나오는 전기는 직류(DC)이므로 인버터가 교류(AC)로 바꾸어 구동모터에 공급한다. 연료전지는 부하 변동에 대한 추종성이 낮은 편이어서, 보조 배터리와 함께 구성하여 가속 같은 큰 출력 변화에 대응하는 방식을 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

자동차의 배출가스 규제가 강화되면서 내연기관만으로는 온실가스와 대기오염물질을 줄이기 어려워졌다. 배터리 전기자동차는 배출가스가 없지만, 충전 시간이 길고 배터리 중량이 커서 장거리 운행과 대형 차량에서 한계가 있다. 수소연료전지자동차는 전기를 배터리가 아닌 수소 형태로 탑재하므로, 수 분 안에 충전하고 긴 주행거리를 확보하는 대안으로 주목받았다.

이 대안이 성립하려면 수소를 차량에 많이 싣는 것이 관건이다. 수소는 부피당 에너지가 작아 고압으로 압축하여 저장한다. 차량 탱크는 35MPa 및 70MPa 등급으로 설계되며, 이 압력은 수소충전소의 압축 설비와 직접 연결된다. 따라서 차량 탱크의 강도 설계와 충전소의 압축 설비는 함께 맞물리는 문제이다. 한쪽의 압력이 바뀌면 다른 쪽의 설비도 바뀌어야 하므로, 두 설비를 묶어 설명해야 답안의 흐름이 자연스러워진다.

초기 개발 단계에서는 메탄올 등에서 수소를 추출하는 연료변환장치를 차량에 실었다. 이후에는 주유소와 같이 수소충전소에서 고압 수소를 차량 탱크에 직접 충전하는 방식이 주류가 되었다. 이 변화에 따라 충전소 인프라 확충이 보급의 전제 조건이 되었다.