문화일보

■ ‘수소 경제’ 앞장서는 수소전기車 집중분석

① 구동원리

탱크 저장된 수소로 전기 생산

모터 돌리고 남으면 배터리로

② 충전·친환경

5분이면 충전… 전기차는 54분

주행중 CO2·오염물질 배출 제로

③ 각국 개발경쟁

현대차 2013년 세계 첫 양산

美·日·獨 공동개발 등 맹추격

현대자동차는 지난달 30일 국회에서 수소충전소 착공식을 진행했다. 8월 말 완공 예정인 국회 충전소는 서울 시내 첫 상업용 수소충전소이자, 세계 최초로 국회에 들어서는 수소충전소다. 정부가 ‘수소 경제’ 구축에 본격적으로 드라이브를 걸기 시작했다. 4일 현대차에 따르면 지난해 3월 출시된 수소전기차 넥쏘는 지난달 말 기준 누적 계약이 9057대로, 1만 대에 육박했다. 이에 따라 친환경 트렌드 속에 수소전기차에 대한 관심도 갈수록 커지고 있다.

◇구동원리 = 수소전기차는 기본적으로 전기를 동력원으로 사용하는 전기차의 일종이다. 그러나 순수 전기차(배터리 전기차)가 외부 전력원으로부터 직접 충전해 저장된 전기를 쓰는 반면, 수소전기차는 탱크에 저장된 수소를 활용해 내부적으로 전기를 직접 생산하는 게 다르다. 공기를 흡입, 수소연료전지 스택(Stack)에서 공기 속 산소와 수소탱크에서 공급된 수소를 결합해 전기화학반응을 일으키고, 이 과정에서 생성되는 전기로 모터를 돌려 동력을 발생시키는 원리다. 연료전지 스택은 수백 개의 셀(Cell)을 직렬로 쌓아 올린 형태로 돼 있다.

수소전기차의 기본구조는 모터, 수소연료전지, 배터리, 수소탱크, 열·물 관리장치, 공조장치, 전력변환장치, 고압 밸브 등으로 구성돼 있다. 연료전지 스택에 들어가는 개별 셀은 막전극접합체(MEA)와 고분자전해질 막으로 이뤄지고, 분리막을 중심으로 양쪽에 연료극(음극)과 공기극(양극)이 부착돼 있다. MEA는 수소연료전지에서 산소와 수소의 화학적 반응을 끌어내 전기에너지로 변환시키는 역할을 하는 필름 형태 접합체다.

수소탱크로부터 공급된 수소는 연료전지 스택의 음극에서 촉매를 통해 산화 반응해 수소이온과 전자로 분해되고, 각각 전해질과 전선을 통해 양극으로 이동한다. 수소이온과 전자는 외부에서 공급된 산소와 양극에서 전기화학반응을 일으켜 물과 전기를 발생시킨다. 전기는 모터와 배터리로 공급되고, 물은 외부로 배출된다. 연료전지 스택에서 발생한 전기는 기본적으로 모터로 공급하지만, 남는 전기는 일반 내연기관차 배터리보다 용량이 큰 하이브리드 전기차급 고전압 배터리에 저장했다가, 필요할 때 추가로 사용하게 된다.

◇빠른 충전 = 수소전기차는 수소탱크에 고압 수소가스를 충전한다. 순수 전기차 배터리 충전 때 전자가 양극에서 음극으로 이동하는 속도보다 수소가스가 수소탱크에 들어가는 속도가 훨씬 빠르다. 넥쏘의 수소탱크 용량은 6.33㎏인데, 700바(bar) 압력(690.8기압에 해당)으로 충전할 경우 5분 안팎이 걸린다. 순수 전기차인 현대차 코나 일렉트릭을 100㎾급 급속충전기로 충전하는 경우 54분 걸려 80%를 충전할 수 있다. 완속 충전은 배터리 용량에 따라 6∼10시간이나 걸린다. 다만 약 5분 만에 넥쏘 수소탱크를 충전할 수 있다고 해서, 한 시간에 12대씩 줄줄이 충전할 수 있는 건 아니다. 수소를 고압으로 압축한 뒤 냉각시켜야 하기 때문에, 현재 기술로는 연속 충전이 불가능하다. 한 번 충전하고 나면 10∼15분 정도 압력 회복시간이 필요하다. 현대차가 구축한 양재 수소충전소나 국회에 설치할 충전소에서 하루 14시간 운영 기준 약 70대만 충전할 수 있다고 밝힌 이유다.

◇친환경성 = 수소전기차든 순수 전기차든 주행 과정에서는 이산화탄소와 오염물질을 전혀 배출하지 않는다. 물론 수소 생산 과정에서는 △개질(백금 등을 촉매로 화석연료를 수증기와 반응시켜 수소를 얻는 방법) △부생수소 사용(석유화학·철강제품 생산 과정에서 부수적으로 발생하는 수소를 정제해 쓰는 방법) △수전해(물을 전기분해하는 방법) 등 모든 방식에서 이산화탄소나 오염물질이 생길 수 있다. 순수 전기차를 충전하기 위해 전기를 생산하는 데도 화석연료가 필요하다. 수력, 원자력, 풍력, 태양광 등을 활용하더라도 기반 설비 구축과 운영 과정에서 이산화탄소 및 오염물질이 배출된다.

그렇더라도 내연기관차보다는 당연히 이산화탄소 발생량이 훨씬 적다. 2015년 수소위원회(Hydrogen Council) 발표를 보면, 내연기관차는 연료 생산과정까지 포함해 1㎞ 주행 시 이산화탄소를 약 130∼135g이나 발생시킨다. 반면 같은 거리에서 순수 전기차의 이산화탄소 발생량은 10∼80g, 수소전기차는 15~75g에 불과하다. 또 수소전기차는 3단계 공기정화시스템을 통해 공기 중 먼지와 화학물질을 철저히 제거해 연료전지로 보내므로, 운행 중 공기정화 효과가 있다. 현대차에 따르면 나무 1그루의 연간 이산화탄소 흡수량이 약 35㎏인데, 넥쏘 1만 대를 1시간 운행하면 나무 60만 그루에 해당하는 탄소저감 효과를 거둘 수 있다.

◇개발 경쟁 = 현대차는 2013년 세계 최초로 수소전기차 양산 시스템을 구축하고 ‘투싼ix FCEV’를 만들었다. 이어 지난해엔 2세대 수소전기차 넥쏘를 출시했다. 일본 토요타는 2014년 수소전기차 양산 모델 ‘미라이’를 출시했고, 혼다는 2016년 ‘클래러티’를 내놓았다. 독일 메르세데스-벤츠는 지난해 GLC 모델을 기반으로 수소전기 SUV ‘GLC F-CELL’을 선보였다. BMW는 토요타와 공동개발을 통해 2020년 수소전기차 출시를 목표로 하고 있다. 미국 제너럴모터스(GM)도 혼다와 공동개발을 진행하고 있다. 독일 아우디는 최근 현대차와 수소전기차 관련 공동개발 협약을 체결하기도 했다. 이 외에도 유럽, 미국, 일본, 중국 등에서 버스·트럭 등이 개발돼 실증사업이 진행 중이다. 특히 중국은 둥펑, 포톤, 상하이자동차 등 40여 개 업체에서 50종 이상의 수소버스와 트럭 등 상용 수소전기차 개발을 완료했다. 넥쏘의 1회 충전 시 주행거리는 609㎞로, 세계 수소전기차 중 가장 길다.

김성훈 기자 tarant@munhwa.com

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