현대차, 수소차 핵심부품 연료전지!!

내연기관 자동차로 인한 환경 공해가 심해진 현재 친환경 자동차들이 많은 분들의 선택지가 되고 있습니다. 오늘은 친환경 자동차인 수소차와 수소차의 핵심부품, 특히 연료전지에 관해 상세히 안내 드리겠습니다.

 

수소차(수소전기차)란?

정확히 말하면 수소전기차(FCEV: Fuel Cell Electric Vehicle)로 표현한다. 수소차는 차량에 충전된 고압 수소와 대기 중 공기가 만나 생성된 전기에너지로 움직이는 무공해 자동차 입니다.

 

즉, 충전된 고압 수소를 에너지원으로 활용해 연료전지시스템으로 전기를 생산해 움직이는 것이죠. 전기를 만드는 과정에서 순수한 물(H2O)만 배출할 뿐 아니라, 운행 중 대기에 있는 초미세먼지를 제거하는 기능이 있어 미래 친환경 자동차로 더욱 주목받고 있는 요즘입니다.

 

수소차의 미래 비젼?

 

연료인 수소도 지구상에 무한하다는 점과 에너지를 생산하는 과정이 친환경적이라는 점에서 인프라에 필요한 에너지.철강.화학.신소재 등 연관 산업의 동반성장을 촉진하는 중요한 역할도 하고 있습니다.

2013년 세계 최초로 현대차에서 수소차(수소전기차)를 양산하고, 이후 수소전기버스를 개발해 지자체에 공급하고 현재는 수소전기 대형트럭까지 양산해 유럽에 수출하는 성과를 이루어 냈습니다. 앞으로 현대자동차그룹은 모빌리티(UAM: Urban Air Mobility)와 대형 선박, 철도 분야에도 수소연료전지를 활용할 계획이며 현재 부족한 수소차 충전 인프라도 적극적으로 구축해 나가고 있습니다.

 

현대차, 수소차 구동 원리

 

수소차는 수소연료탱크에 안전하게 충전 보관된 고압 수소와 공기공급시스템을 통해 들어온 산소를 연료전지스택에 전달, 전기화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산합니다. 생산된 전기에너지는 구동모터를 통해 운동에너지로 전환되고 수소차를 움직이게 합니다. 주행 중의 수소차에서는 배기구를 통해 순수한 물(H2O)만 배출하게 됩니다.

 

현대차, 수소차 핵심부품 연료전지 시스템!!

 

수소차 핵심부품인 연료전지 시스템은 내연기관 자동차의 엔진과 같은 기능을 합니다. 구동에 필요한 전기를 만들어 내는 장치로, '3차 전지'라고 부르기도 합니다. 연료전지는 산소와 수소의 전화학 반응을 이용해 열에너지를 전기에너지로 변환시킵니다. 

 

이때 발생한 전기에너지는 순수한 화학 반응의 결과물로 화석 연료와 달리 이산화탄소 같은 배출가스를 전혀 발생시키지 않습니다. 수소차 핵심부품 연료전지 시스템은 연료 재질에 따라 PEMFC, SOFC, MCFC 등의 다양한 형태가 존재하며, 기본적인 구성은 연료전지스택/ 수소공급시스템/ 공기공급시스템 그리고 열관리시스템 등으로 이루어 집니다.

 

①연료전지 스택
연료전지시스템의 가장 핵심부분으로 수소차 생산원가에서 가장 높은 비중을 차지하는 고가의 부품입니다. 연료전지는 수소차에 요구되는 출력을 충족시키기 위해 단위 셀을 층층이 쌓아 조립한 스택 형태로 되어 있습니다.

 

하나의 셀은 화학 반응을 일으켜 전기에너지를 생산하는 전극막, 수소와 산소를 전극막 표면으로 전달하는 기체 확산층, 수소와 산소가 섞이지 않고 각 전극으로 균일하게 공급되도록 길을 만드는 금속 분리판 등으로 구성됩니다.

②수소공급시스템
연료전지스택이 효율적인 전기에너지 생성하기 위해서는 여러 운전장치의 도움이 필요합니다. 이중 수소공급시스템은 수소탱크에 안전하게 보관된 수소를 고압 상태에서 저압 상태로 변환해 연료전지스택으로 이동시켜 주는 역할을 합니다. 또한 재순환 라인을 통해 수소 공급 효율성도 높여줍니다. 

③공기공급시스템
공기공급시스템은 외부 공기를 여러 단계를 거쳐 정화하고, 압력과 양을 조절해 수소와 반응시킬 산소를 연료전지스택에 공급하는 장치입니다. 외부의 공기를 그대로 사용할 경우 대기 중 이물질로 인한 연료전지 손상이 발생할 수 있어 여러 단계로 공기를 정화 후 산소를 전달하게 됩니다.

④열관리시스템
열관리시스템은 연료전지스택이 전기화학 반응을 일으킬 때 발생하는 열을 외부로 방출시키고, 냉각수를 순환시켜 연료전지스택의 온도를 일정하게 유지하는 장치입니다. 열관리 시스템은 연료전지스택의 출력과 수명에 영향을 주기 때문에 수소차의 성능을 좌우하는 핵심 기술입니다.

 

현대차, 수소차의 안전성!!

수소차의 안전성을 확보하기 위해 국제기준(GTR: Global Technical Regulation)이 제정되어 있고 꾸준히 개정되고 있습니다. 또한 해당 국제기준을 기반으로 나라마다 안전 법규가 마련되고 있으며, 여기에는 전기 안전성, 수소 안전성 측면에서 충족해야 하는 여러 항목이 규정되어 있습니다. 

 

현대차 그룹에서도 해당 기준과 법규를 충족시키는 많은 평가 및 검증을 진행하고 있습니다. 현대차의 수소차인 넥쏘에 적용된 연료전지시스템은 10년, 16만km 내구성을 보증하는데, 현재 현대차 그룹은 보증 기간을 훨씬 웃도는 내구성의 연료전지시스템을 개발하고 있다고 합니다.