수소 연료전지 자동차는 전기 모터에 의해 에너지가 공급되기 때문에 전기 자동차로 분류됩니다
수소전기차는 FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)라고 하며 수소차, 연료전지 자동차,
연료전지 전기자동차 등으로 불립니다.
수소 연료전지 자동차와 다른 전기 자동차 사이에는 결정적인 차이가 있다.
바로 수소 연료전지 자동차에서는 차 내에서 발전이 이루어진다는 점이다.
전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차와 같이 외부에서 전력을 공급받지 않고
독자적인 전력 장치인 연료전지에서 전기를 발생시킨다.
FCEV의 연료전지 안에서 수소와 산소가 반응하여 전기 에너지가 발생한다.
이 에너지는 필요에 따라 전기 모터나 배터리, 또는 둘 다에 보내집니다.
수소전기차는 연료전지 시스템에서 수소와 공기중의 산소를 직접 반응시켜 화학에너지를
전기에너지로 변환하여 전기를 생성하며 생성된 전기에너지로 모터를 구동시켜 차량을 움직이다.
구동 모터, 인버터, 컨버터를 사용하는 것은 전기자동차(EV)의 구동 원리와 동일한다.
넥쏘는 수소를 연료로 사용하고 있는데, 수소를 충전하는 시간이 3~5분 정도이며
1회 충전 시 주행거리가 약 600km 정도이다.
• 수소탱크 : 충전소에서 충전한 수소를 고압(700bar)으로 저장
• 연료전지 : 수소와 산소를 화학반응시켜 전기를 생산
• 배 터 리 : 연료전지에서 생산된 전기를 저장
• 모 터 : 배터리에 저장된 전기를 이용하여 자동차 바퀴를 구동
수소 엔진의 연료전지 내에서 발생한 전기는 운전 상황에 따라 2가지 루트로 나뉜다.
전기는 전기 모터로 흘러가 차량에 직접 전력을 공급하거나 엔진이 필요로 할 때까지 에너지를
배터리에 축적한다.
이것은 트랙션 배터리라고 불리며,전기 자동차의 배터리보다크기가 아주 작습니다
큰 배터리를 필요로 하지 않는 것은 연료전지에서 끊임없이 전기를 공급하기 때문이다.
다른 전기 자동차와 같이, 수소 자동차 역시 브레이킹 시의 에너지를 ‘회생’ 할 수 있다.
전기 모터는 감속 시 운동 에너지를 전력으로 변환하여 백업 배터리에 공급한다.
수소전기차와 전기차의 차이점은
• 전기 대신 수소를 충전한다.
• 우리 주변의 공기를 이용한다.
• 수소와 산소가 만나는 과정에서 순수한 물이 생성된다.
| 구분 | 장점 | 단점 |
|---|---|---|
| 전기차 (EV) | • 무공해 • 저렴한 충전 비용 | • 긴 충전시간 급속 → 20~30분, 완속 → 4시간 이상 • 충전 인프라 부족 |
| 수소차 (FCEV) | • 무공해 • 긴 주행거리 : 500km 이상 • 짧은 충전시간 : 5분 이내 | • 충전 인프라 부족 |
• 매우 조용한다.
수소 연료전지 자동차는 100% 전력으로 구동한다.
운전을 해도 일반적인 전기 자동차를 운전하는 것과 같은 느낌을 줍니다.
전기 모터가 저회전역에서 최대 토크를 발생시키기 때문에 출발할 때부터 자연스럽게 가속한다.
• 충전 시간이 짧다는 점이다.
충전 스테이션 및 배터리 용량에 따라 다르긴 하지만, 완전 전기 자동차를 최대로 충전하는 데에는
30분 또는 여러 시간이 걸린다. 한편, 연료전지 자동차의 수소 탱크는 불과 5분이면 완충되어,
주행이 가능한 상태가 된다.
• 현재 수소 연료전지 자동차의 항속 가능 거리는 완전한 전기 자동차보다 길다.
수소 탱크가 완충된 상태로 약 300마일(약 480km)을 주행할 수 있다.
BEV(배터리식 전기 자동차)는 크기가 더 큰 배터리를 탑재함으로써 항속 거리를 연장하지만,
그만큼 차량의 무게가 늘어나기 때문에 충전 시간이 오래 걸린다.
• 연료전지 자동차에서는 항속 가능 거리가 바깥 기온에 영향을 받지 않기 않는다.
추운 날에도 항속 가능 거리가 짧아지지 않는다.
• 현재 수소 연료전지 자동차의 가장 큰 단점은 수소를 보급하기 위한 선택지가 좁다는 것이다.
수소의 보급은 특수한 펌프로 이루어지는데, 아마도 장래에는 일반적인 주유소에서도 그것을 갖출,
• 차량의 가격이 상대적으로 비싸기 때문이다.
이미 시장에 출시된 연료전지 자동차의 가격은 중급 또는 중상급 모델이라도 7000만 원~8000만 원 정도이다.
이는 동급의 완전 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차에 비해 약 2배에 달하는 가격이다.
수소 연료전지 자동차의 가격이 여전히 비싼 데에는 다양한 이유가 있다.
- 생산 대수가 적고 대규모 양산화가 이루어지지 않기 때문이라는 것과
- 연료전지가 희소 금속인 백금을 필요로 하기 때문이라는 것이 그 이유이다.
(발전 중에 촉매의 역할을 하는 백금의 산출량은 이미 대폭 감소하고 있습니다)
- 수소 탱크가 공간을 차지하기 때문에 차량 본체의 크기도 커질 수밖에 없기 때문이다.
이에 반해 전기 자동차의 경우, 배터리만으로 구동하기 때문에 소형 자동차로도 만들 수 있다.
• 구입비용에 더해 유지 비용 역시, 이러한 구동 기술의 비용 대비 효과에서 중요한 역할을 한다.
수소 연료전지 자동차의 유지비는 연료의 가격에 따라 특히 좌우되기 때문이다.
현재 수소 1lb(0.45kg)당 가격은,
미국에서는 약 14달러지만, 독일에서는 4.8달러이다(H2 Mobility가 합의한 가격).
FCEV는 수소 1lb에 약 45km를 주행할 수 있다.
그러므로 수소 연료전지 자동차의 1km당 경비는 가정에서 충전할 수 있는 BEV(배터리식 전기 자동차)의
약 2배가 된다.
이에 대해 뤼커는 ‘수소에 대한 수요가 높아지면 가격은 2030년까지 약 2.5달러/lb(5.6달러/kg)까지
떨어질 것’이라고 예측한다.
수소는 가연성 물질이기 때문에 화학적 폭발이 가능한다.
그리고 700bar의 높은 압력으로 수소를 연료 탱크에 보관하기 때문에 누출이 발생한다면
고압에 의한 물리적 폭발도 가능한다.
수소연료탱크를 튼튼하게 설계하기 위해 내피를 폴리아미드 라이너, 외피는 탄소섬유 강화
플라스틱 (탄소섬유+에폭시 소재)로 제작한다.
낙하 시험, 총격 시험, 충돌 시험 등을 통해 연료 탱크의 강건성을 검증한다고 한다.
그리고 만약 화재가 발생하면 안전밸브를 통해 수소 가스를 대기 중으로 강제 배출하여
가벼운 수소를 공기 중으로 날려버립니다.
수소가 누출되면 수소 센서가 이를 감지해 계기반에 경고문을 띄웁니다. 수소 누출이 더 심해지면 밸브를 차단하는 등 전자적인 제어를 행한다.
전압 제어도 마찬가지이다.
연료전지스택 안에는 고전압 부품이 많기 때문에, 이상 증세를 감지하면 계기반에 경고등을 띄워 운전자에게 알립니다.
문제가 생겼을 때 차를 무조건 멈추는 것이 아니라,
차가 멈춘 뒤에 운전자가 고전압 부품에 접근할 가능성이 있는 상황을 판단해 시동을 끕니다.
고전압을 해소하기 위한 적극적이고 선제적인 안전 전략이라 할 수 있다.
고전압 시스템 관련 법규 중 ‘자동차가 충돌했을 때 연료전지시스템이 차체와 분리되지 않아야 한다’는 항목이 있다. 탑승자나 구조대원들의 감전 위험을 최소화하기 위해서이다. 이를 위해 충돌 시 연료전지시스템이 차체 밖으로 튕겨 나가지 않도록 차체와 단단히 고정하는 것이 중요한다.
연료전지스택에 수소와 공기를 원활하게 공급해줘야 하는데,
둘 중 하나의 공급이 제대로 이뤄지지 않는 경우가 있다.
안전과 직결되는 문제는 아니지만 최대한 빠른 정비가 필요한다.
이럴 때는 일부러 출력을 제한하거나, 비상 운전을 유도한다.