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[과학이야기] 수소차(水素車, Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)의 현재 <상>이장로 이학박사(고려대)
  • 포커스데일리
  • 승인 2019.05.22 08:27
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(서울=포커스데일리) 지난 4월26일, 한국가스공사가 4조7000억원을 투입해 2030년까지 수소 연 173만톤을 공급하고 수소 1㎏당 가격을 4500원까지 낮춘다는 목표를 세웠다고 발표했다.

또 약 10년 내 수소 생산시설 25개를 만들고 수소를 운송할 수 있는 배관망 700㎞를 설치하기로 했다.

가스공사는 정부의 수소경제 활성화 정책에 발맞춰 공개한 이번 로드맵에서 수소 생산과 그 유통망을 마련해 수소경제의 마중물 역할을 할 것이라고 밝혔다.

수소경제 활성화를 위한 첫걸음은 수소차, 수소발전 등에 쓰이는 수소를 만들어 보급해야 하는데 현재 한국의 수소산업 기술 수준은 초기 단계에 불과하다. 현재 국내 수소 1㎏당 가격은 6500∼7500원 수준이다.

수소를 상업적으로 활용하기 위해서는 수소 가격을 낮춰 다른 연료와 비교해 뒤지지 않는 경제성을 확보하는 것이 시급하다. 

가스공사는 석유화학 공정에서 부산물로 생기는 저렴한 수소 활용을 확대하고 고기술·대량 공급 체계로 전환해 2030년까지 수소 가격을 1㎏당 4500원으로 낮춘다는 목표를 세웠다. 아울러 기술 향상과 해외 수입이 이뤄지는 2040년에는 3000원까지 인하할 수 있을 것으로 추산했다.

그렇게 되더라도 현재의 기술로 수소 2㎏을 가지고 약 100㎞를 운행할 수 있어서 100㎞ 주행에 드는 수소값은 대략 9000원 수준으로 아직은 비싼 편이다.
 
통상 수소차(수소자동차)하면 수소내연기관자동차와 수소연료전지자동차가 모두 포함되는 말이므로, 이론상으로는 수소연료전지자동차(또는 수소전지자동차, 수소전기차)라는 명칭이 적합하지만 현재 수소차가 일반적으로 의미하는 바는 수소연료전지자동차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV)이다.

현재 주로 연구되고 있는 수소차는 거의 대부분 수소연료전지 자동차이다. 즉 수소차는 수소를 연료로 하며, 수소연료전지를 통해 전기를 얻어 작동하는 차량을 말한다.

수소차는 전기자동차 등과 함께 차세대 교통수단 후보로 각광받고 있으며, 내연기관 차량에 비해 연료비가 싸고, 출력이 높으며, 전기자동차에 비해 충전 시간, 주행 거리 등에서 장점이 있다. 다만 아직까지 충전소 등 교통기반시설면에서 볼 때 차기교통수단의 경쟁상대라고 할 수 있는 전기자동차가 예상 외로 급격하게 성장하면서 전기자동차에 크게 밀리는 상황이다. 그러나 전기자동차 특유의 개선하기 어려운 한계가 많은 관계로, 분명 수소자동차로 넘어가는 시기가 오기는 올 것으로 예상 되고 있다.

수소차는 현존하는 전기자동차와 구조는 거의 똑같은데 배터리 대신 수소연료전지를 주전원으로 하고 있다. 수소를 연료로 하여 발전해서 전기로 구동력을 내므로 매연이 없고 성능도 우수하다. 수소차가 별도의 배터리를 탑재할지 안할지는 선택사항이지만 일반적으로는 회생제동을 활용하기 위해 작게나마 탑재하는 편이다.

한편 수소를 연료로 사용하는, 즉 일반적인 내연기관과 동일하게 수소 기체를 연소해서 달리는 내연기관 자동차가 있다. 이런 수소 내연기관 자동차도 연료전지와 마찬가지로 수소 특유의 친환경성과 고성능은 그대로 갖게 된다. 그러나 수소연료전지보다 효율이 훨씬 나쁘고 연료 특성에 맞춰서 연소 시스템을 모두 새로 개발해야 하는데다 특별한 장점이 없으면서 내연기관의 단점은 다 가지고 있기 때문에 아직 연구 단계며, 아직은 주목 받지는 못하고 있다.
 
그러면 수소차는 전기차와 어떻게 다른가? 수소차는 친환경차이다. 전기차는 결국 화석연료나 원자력 발전을 통해 생산된 전기를 원료로 사용해 엄격한 기준에선 친환경차로 보기 힘들다. 반면 수소차는 전기차와 동일하게 배터리에 의존하지만 고갈 우려가 없는 수소를 태워 전기를 만드는데 연료에 탄소(C)나 다른 불순물이 없고 수소와 산소가 만나 물이 생성될 뿐이므로 유해한 배기가스가 전혀 나오지 않고 배출가스 대신 물(수증기)만 내놓게 된다.

가장 큰 차이는 전기차에는 전기를 공급해 충전하는 이차전지가 쓰이지만, 수소차에는 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 연료전지가 쓰인다. 기존의 가솔린엔진차는 휘발유를 태울 때 화학에너지가 방출되며 발생하는 열을 이용하지만 수소차는 수소와 산소가 결합할 때 발생하는 화학에너지를 열이 아니라 전기에너지로 변환해 사용하며, 그 장치가 바로 수소연료전지이다.

수소연료전지의 구조는 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질막으로 구성된다. 한 전극에는 수소를, 다른 전극에는 산소를 각각 공급하여 수소 측 전극에서는 수소분자가 수소이온과 전자로 분리되고, 수소이온은 전해질 속으로 이동해 산소 측 전극으로 전달하게 되고 수소이온과 산소가 결합하면서 물이 생기게 된다. 이런 수소의 화학에너지가 전기에너지로 변환되는 과정을 거치면서 두 전극 사이에 약 0.7볼트(V)의 전압이 발생한다. 이것들을 여러 개 직렬로 연결해 원하는 전압을 얻을 수 있다. 

수소연료전지의 성능은 수소 분자를 이온 상태로 분리하고, 분리된 수소이온을 산소와 결합하는 과정을 얼마나 효율적으로 진행하느냐에 달려 있다. 현재까지는 이 반응을 촉진하는 촉매제로 백금이 1대당 약70g 필요하게 되는데 업체들이 이 고가의 백금을 대체할 효율적이고 저렴한 촉매 물질을 개발하려고 치열한 경쟁을 벌리고 있다. 수소차는 탱크에 수소만 있으면 언제든 연료전지가 작동되며, 탱크에 수소를 충전하는 시간도 2, 3분이면 된다. 급속 충전을 해도 1시간가량 소요되는 전기차와는 다르다. 1㎏당 100㎞의 주행거리를 제공함으로 한 번 충전으로 주행거리가 500~700㎞로 전기차의 약 2배가량 된다.

또한 수소차가 뛰어난 공기 정화 능력을 가지고 있다. 현대자동차가 출시한 수소차의 경우 수소연료전지 스택(stack)이 효율적으로 작동하기 위해서는 미세먼지가 제거된 청정한 공기가 필요하므로 수소차는 달리는 동안 주변 공기를 빨아들여 정화한 후 수소연료전지에 사용하고 다시 배기구로 깨끗한 공기를 내보내게 된다. 그래서 매연이 나오기는커녕 오히려 공기정화기로서 기능도 수행할 수 있다. 현대 수소차의 경우 한 시간 주행 시 26.9㎏의 공기를 정화할 수 있는데, 이는 성인 42명이 한 시간 동안 호흡하는 공기량에 해당한다.

10만 대가 승용차의 하루 평균 운행 시간 2시간을 주행할 경우, 성인 35만 5000여 명이 24시간 동안 마실 공기, 845만 명이 1시간 동안 호흡할 수 있는 공기가 정화되는 것을 알 수 있다. 

그렇다고 수소차가 대기오염을 전혀 일으키지 않는다고 볼 수는 없다. 연료인 수소를 제조하는 과정에서 약간의 이산화탄소 등의 온실가스가 발생하지만 전기차나 내연기관차보다는 보다 더 친환경차인 것은 분명하다.

<이장로 박사 약력>
이학박사(고려대), 한국 전자기학회 6대회장, 숙대교수, 대학장 역임, 전국자연과학대학장협의회 부회장 역임, 영국 캠브리지 국제인명센터(IBC) 세계100대 최고과학자 선정등재, 저서 해석역학 외 7권, 국제과학인용색인논문(SCI) 136편 포함 357편의 국내외 논문 및 국내외 특허(미국, 유럽, 일본) 6건 보유.

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#수소차#과학이야기#이장로박사

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