움직이는 거대한 습식전지? 수소 연료전지자동차

지속가능한 미래 이동수단에 대한 개발은 자동차 브랜드 뿐 아니라 현 세대의 가장 큰 과제가 아닐까 생각한다. 특히 18세기 초기 자동차가 개발되면서 자동차의 주연료에 대한 고민은 해결하지 못한 난제였다. 현재 대부분의 자동차가 주연료로 사용하는 석유, 천연가스와 같은 화석연료는 한정된 매장량과 필연적으로 따라오는 환경오염으로 그 한계가 분명하다.

화석연료 사용으로 인한 문제점을 해결하고자 최근 몇 년간 자동차 업계에서는 미래를 이끌어갈 이동수단의 주연료로 전기를 선택했다. 화석연료와 달리 풍력, 태양열, 수력 등 다양한 친환경 재생에너지를 사용해 한계없이 생산이 가능하고, 전기 에너지의 이용에 있어 친환경적이기 때문이다.  

하지만 문제는 전기가 당장 화석연료를 대처하기엔 그리 효율적이지 않다는 점이다. 재생 에너지를 생산하는 기술은 차치하더라도 전기만으로 움직이는 순수전기차의 배터리와 이 배터리를 충전하는 기술이 제한적이라 이용하는데 불편함이 따른다. 때문에 자동차 브랜드는 순수전기차로 나아가는 과도기적인 현재 상황에 맞는 기술을 선보이고 있다.

대표적인 자동차가 바로 하이브리드, 플러그인 하이브리드, 연료전지차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)다. 특히 FCEV의 경우 하이브리드나 플러그인 하이브리드와 달리 화석연료기반의 엔진을 사용하지 않는다는 점에서 미래에 순수전기차(BEV, Battery Electric Vehicle)의 시대가 도래해도 충분히 이용할 수 있는 친환경 자동차다.  

FCEV는 쉽게 말해 ‘닳지 않는 거대한 건전지인 연료전지를 싣고 다니는 자동차’라 표현할 수 있다. 연료전지는 우리가 흔히 사용하는 건전지와 같은 일반 화학전지처럼 산화·환원 반응을 통해 전기를 얻지만 화학 반응에 필요한 물질을 외부에서 공급받는다는 차이점이 있다. 이 공급받는 물질에는 여러가지 있지만 가장 대표적인 물질이 바로 수소이며 수소를 사용한 FCEV가 바로 수소FCEV다.

연료전지 셀의 구조

수소FCEV의 원리를 간단하게 설명하면 물(H₂O)을 전기 분해하면 수소와 산소를 얻는 방식의 역반응을 이용해 수소와 산소를 인위적으로 반응시켜 생성된 전기로 전기모터를 돌리는 것. 이 반응은 연료전지 셀이라는 양극과 음극, 전해질로 이뤄진 부품에서 일어나는데, 연료전지 셀에서 발생되는 전압은 전기모터를 돌릴 수 있을 정도로 높지 않기 때문에 수소FCEV에서는 이 셀을 여러 개 쌓아 스택을 형태로 만들어 사용한다.

연료전지 셀

수소FCEV의 가장 큰 장점은 순수전기차의 단점인 최대 8시간에서 최소 40분 정도 걸리는 충전시간없이 친환경 전기차를 보통의 엔진자동차처럼 수소를 주유구에 넣는 것만으로 이용할 수 있다는 것이다. 최근 출시된 수소FCEV는 3분 정도의 수소 주입시간으로 500-700km를 주행할 수 있을 정도. 또한 부산물로 물과 열만 나오는 친환경성도 보유했다.

물론 수소FCEV도 단점은 있다. 바로 수소충전소가 부족하다는 점이다. 또한 수소는 물을 분해해 무제한으로 얻을 수 있지만 아직 관련 기술이 부족해 화석연료를 통해 수소를 얻고 있다는 점도 단점으로 꼽을 수 있다. 하지만 우리나라 뿐 아니라 세계 각국 정부는 수소FCEV의 가능성을 높게 평가해 수소충전소의 확대를 구체적으로 계획하고 있으며, 수소생산 기술 역시 시간이 지남에 따라 점차 발전해 나갈 것이다.

BMW i하이드로젠 넥스트

최근 2019 프랑크푸르트 모터쇼에서 BMW는 수소연료전기기술을 사용한 친환경 콘셉트카, BMW i하이드로젠 넥스트를 공개했다. 이 콘셉트카는 배출가스 없는 미래 이동성에 대한 BMW의 비전을 투영시킨 모델이다.

연료전지셀을 모아 패키징한 연료전지스택

BMW는 이 콘셉트카를 기반으로 2022년에 차세대 수소연료전지 구동 시스템을 탑재한 BMW X5기반의 자동차를 선보일 예정이라고 한다. 또한 2025년까지 다양한 양산형 수소FCEV를 출시할 것이며, 이를 위해 2016년부터 토요타 자동차와 협력 관계를 구축해 수소FCEV 관련 기술을 공동 개발하고 있다.  

친환경 자동차는 과거 자동차 브랜드의 진보된 기술력을 보여주기 위한 쇼카(Show Car)의 역할을 했지만 현재는 브랜드 뿐 아니라 지구위에 살아가는 모든 생명체의 미래가 걸린 중요한 모델이 됐다. 환경을 파괴하지 않으면서도 지속가능한 미래 이동수단 개발을 위해 자동차 회사는 경쟁 브랜드와의 협력관계도 강화하고 있다.

 

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글 김종우 에디터 gcarmedia@gcar.co.kr

 

 

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