수소 연료 전지 자동차 원리와 장단점 정리

수소 연료 전지 자동차가 친환경이라고 하지만 외국 자동차 제조회사에서는 별로 관심이 없어 보이고 국내에서도 보급이 더딘 상태인데요. 왜 그런지? 수소 연료 전지 자동차의 원리와 장단점을 통해서 그 이유를 살펴보도록 하겠습니다.

수소 연료 전지 자동차 간단 역사

최초로 수소 자동차가 만들어진 것은 예상보다 오래되었습니다.  1959년도 앨리스차머스 자동차 회사에서 트랙터를 개조한 것이 최초로 만들어진 수소 연료 전지 자동차로 기록되어 있습니다. 이후 브리티시모터스 자동차 회사에서도 만들고 1966년 GM(=쉐보레 모회사)에서 6인승 일렉트로벤이란 자동차를 만들어서 실험도 하였는데 기술력 부족으로 인하여 상용화에는 실패하였습니다.

이후에도 여러 회사에서 제조 및 판매를 시도하였지만 높은 가격, 짧은 주행거리, 수소 탱크 크기, 충전소 문제 등으로 상용화를 하지 못하다가 2000년대에 들어서야 상용화에 성공하게 됩니다.

수소 연료 전지 자동차 원리

수소 연료 전지 자동차도 우리가 흔하게 부르는 전기차 종류 중 하나입니다. 흔하게 부르는 전기차는 매우 큰 배터리에 전기를 충전하여 다니는 형태를 말하고, 수소 연료 전지 자동차는 수소 탱크에 수소를 싣고 다니면서 실시간으로 전기를 생산하여 이용하는 형태를 말합니다.

작동 원리는 매우 간단합니다. 수소는 산소와 만나면 알아서 결합하여 전기와 물을 생산해냅니다. 그래서 자동차에 수소 저장탱크를 싣고 다니면서 산소를 유입시켜 수소와 만나게 하면 자동으로 전기가 실시간으로 생산되는데 이 전기를 이용, 모터를 구동하여 자동차를 이동시키게 됩니다.

수소 연료 전지 자동차 작동 순서를 순서대로 설명한다면 이렇습니다.

1. 차에 수소 탱크에 수소를 충전.
2. 차에서 공기를 빨아들여 연료 전지 스택에서 수소와 산소를 만나게 함.
3. 연료 전지 스택에서 전기와 물이 생산됨.
4. 생산된 전기는 모터를 이용 차량을 주행시킴.
5. 생산된 물은 자동차 밖으로 배출시킴. (순수한 물이라 마셔도 무관)

그리고 수소 연료 전지 자동차 구조를 이미지로 표현한다면 다음과 같습니다.

수소 연료 전지 자동차 장점

1. 주행 시 오염 물질 배출이 없습니다.

수소 연료 전지 자동차가 주행할 때 배출하는 것은 수소와 산소가 만나서 생성되는 물밖에 없습니다.

2. 수소 충전 시간이 매우 짧습니다.

LPG 자동차 충전하는 것과 같습니다. 수소 충전소에 가서 충전해달라고 하면 금방 끝납니다.

3. 완전 충전 시 전기 배터리 차량보다 주행 거리가 깁니다.

일반적으로 전기 배터리 자동차는 완전 충전 시 약 450km 미터 정도 주행이 가능한데 전기 수소 연료 전지 자동차는 약 600km 정도를 주행할 수 있습니다.

4. 낮은 온도에서도 효율이 낮아지지 않습니다.

수소가 산소에 반응할 때 전기 이외에 열도 발생이 됩니다. 그래서 영하의 낮은 온도에서도 전기 배터리 차보다 효율이 높습니다.

수소 연료 전지 자동차 단점

1. 수소 생산 비용이 많이 듭니다.

수소를 수소 연료 전지 자동차에 충전하기 위해서는 수소를 생산하고 운반하고 충전소에 보관하는 과정이 필요하여 당연히 수소 비용이 비싸집니다.

2. 충전소 건설 비용이 약 30억 정도로 매우 비쌉니다.

수소는 산소와 만나면 폭발을 일으키니까 충전소 건설이 어렵고 비용도 30억 정도로 매우 비쌉니다.

3. 수소 충전 가격이 비쌉니다.

1번과 2번 단점과 맞물려서 자동차에 수소 충전 가격도 비싸집니다. 그래서 수소 연료 전지 자동차에 수소를 완전 충전 시 6만~7만원 정도 비용을 지불해야 하는데 주행 거리는 약 600km니까 비용으로 계산하자면 주행 거리당 비용이 가솔린과 별로 다르지 않게 됩니다.

그래서 그런지 미국에서 도요타와 현대 자동차는 수소 자동차를 판매할 때 3년간 수소 충전 15000달러 (한국 돈으로 약 1900만 원 정도) 크레딧 카드를 주고 있다고 합니다. 역시 한국은 안 줍니다.

4. 수소를 생산할 때 환경 오염이 큽니다.

보통 수소를 생산할 때 물을 전기 분해한다고 생각하는데 현실은 그렇지 않습니다. 한국 에너지 공단에서 밝힌 2018년 자료를 보면 국내 총생산 수소 생산 비율은 다음과 같습니다.

• 정유 공장 75%
• 납사 분해 13%
• 천연가스 개질 6%
• CA 공정 3%

보시면 알겠지만, 수소 생산이 친환경이 아니지요? 전기 분해 방식을 전혀 사용하지 않고 있습니다. 수소 자동차가 주행 때는 오염 물질 배출이 없지만, 수소 생산이 친환경이 아닌 모순 상태입니다.

5. 수소 충전소는 낮에만 운영합니다.

수소 연료 전지 자동차가 워낙 적다 보니 야간에 운영하면 손해가 발생하여 밤에는 충전소를 운영하지 않고 있습니다. 그리고 수소 충전 시 위험성이 너무 높아 셀프 충전소를 운영할 수도 없습니다.

6. 수소 충전소가 전국에 약 170개 밖에 없습니다.

그것도 서울 근교에 거의 몰려있고 지방에 가면 거의 전멸 상태입니다. 정부에서도 수소 충전소를 늘린다는 계획이 있기는 하지만 충전소 건설 비용이 30억으로 워낙 높다 보니 수소 충전소가 빠르게 늘어날 수 있을지는 미지수 상태입니다.

7. 핵심 부품인 수소 연료통과 전기를 생산하는 수소 연료 전지 스택이 가격이 너무 높습니다.

차를 구매할 때 정부 지원금이 많아서 체감이 안 되지만 고장 시 수리 가격을 보자면 다음과 같습니다. 현대자동차 넥쏘를 기준으로 본다면 수소 연료통은 개당 가격이 300만 원이 넘는데 3개가 들어갑니다. 그리고 전기를 생산해 주는 수소 연료 전지 스택은 개당 가격이 4000만 원이 넘습니다. 그래서 고장이 나면 수리비로 인하여 차를 폐차하는 경우도 있네요.

8. 수소 연료 전지 자동차 생산 방식이 친환경이 아닙니다.

전기 자동차처럼 배터리도 들어가고 수소 연료 전지 스택에 백금과 각종 희토류가 들어가는데 이걸 생산할 때 친환경이 아닙니다.

9. 수소 연료 전지 자동차 판매 방식이 정부 보조금에 의존적입니다.

수소 연료 전지 자동차인 현대자동차 넥쏘를 정부에서 지원되는 지원금이 3500만 원 정도라고 합니다. 한 대당 팔 때마다 국민 세금이 현대자동차에게 3500만 원씩 지급이 되는 것이지요. 심지어 현대자동차 엑시언트 수소 트럭은 정부 지원금이 4.5억 원이라고 하네요...

10. 수소 연료통의 위험도가 높습니다.

자동차 타이어 터지면 엄청 소리가 크고 위험하죠? 타이어의 기압은 2bar에 불과한데도 그런 폭발력이 발생합니다. 그런데 수소통의 기압은 700bar가 넘습니다. 폭발한다면 파괴력이 어마어마할 듯하네요. 물론 절대 파괴되지 않도록 엄청 단단하게 돌덩이처럼 만들지만 100% 안전이란 것은 없기 때문에 염려가 됩니다.

맺음말

막연하게 "친환경 전기 자동차의 최종 형태는 수소 연료 전지 자동차가 될 거야"라고 생각했는데 정보를 취합하고 보니 아니라는 생각이 듭니다. 단점들을 보시면 왜? 외국에서는 수소 연료 전지 자동차에 반응이 미지근할까도 따로 설명이 필요 없어 보이네요.

물론 기술 개발은 계속되기 때문에 미래에는 어떻게 바뀔지는 모르겠습니다. 위의 내용은 23년 현재까지의 수소 연료 전지 자동차 현황에 불과합니다.

이만 포스팅을 마치며 항상 안전 운전되시길 바랍니다.