연료 전지 자동차에 대한 4가지 상식

연료 전지 자동차는 연료 전지를 사용하여 전기를 생산하고, 그 전력으로 운행하는 자동차입니다. "궁극적인 친환경 자동차"로 불리는 연료 전지 자동차에 대한 상식 5가지를 알아보겠습니다.

 

< 목차 > 1. 연료 전지 자동차에서 사용되는 연료는 무엇일까요? 2. 수소는 가연성 가스라 위험하진 않을까요? 3. 발전을 할 수 있는 연료 전지 자동차가 왜 배터리를 탑재할까요? 4. 수소 충전소가 정확히 무엇인가요?

 

1. 연료 전지 자동차에서 사용되는 연료는 무엇일까요?

연료 전지 자동차의 대부분은 수소(H)를 연료로 사용합니다. 수소와 공기 속의 산소(O)가 만나 화학반응이 일어나면 전기가 발생하는데, 연료 전지 자동차는 이 같은 화학반응을 차 안에서 일으킵니다. 이때 만든 전기로 모터를 돌립니다. 수소와 산소가 만나면 물(H2O)이 생깁니다. 중학교에서 실험하는 물의 전기 분해와 정반대의 원리입니다. 이 때문에 연료 전지는 전지라기보다 발전 장치라고 할 수 있습니다.

자동차라는 크고 무거운 탈것을 움직이려면 많은 전력이 필요하므로 효율적인 발전이 가능한 연료를 사용해야 합니다. 그래서 수소를 연료로 사용합니다. 수소는 물을 전기 분해하면 추출할 수 있으므로 거의 무한히 만들어낼 수 있습니다.

일반적인 전기 자동차는 배터리의 충전량이 제로가 되면 충전하거나 배터리를 통째로 교체해야 계속 달릴 수 있습니다. 그러나 연료 전지 자동차는 연료인 수소가 다 떨어지면 거리에 있는 수소 충전소에서 휘발유처럼 탱크에 충전하면 됩니다. 또한 물만 배출되므로 이산화탄소 배출량은 제로입니다. '궁극의 친환경 자동차'라고 불리는 데에는 이 같은 이유가 있습니다.

현재는 화석 연료를 이용해서 발전한 전력으로 연료인 수소를 만들어내고 있기 때문에 이 과정에서 이산화탄소가 발생합니다. 그러므로 '진정한 청정 에너지'라고는 단언할 수 없습니다.

바다로 둘러싸인 한국과 일본은 해양 자원이 풍부하므로 앞으로 해상 풍력 발전이나 조력발전 등 재생 가능 에너지를 이용해 대량으로 수소를 만들어낼 수 있다면, 수소를 지속 가능한 에너지로 이용하는 사회가 될지도 모릅니다.

현재 연료전지 자동차에서는 수소가 연료로 사용됩니다. 수소는 분자가 작기 때문에 저장이 어렵습니다. 또한 에너지 밀도가 낮아서 긴 주행을 하기 위해서는 높은 압력으로 압축하여 저장해야 합니다. 연료전지의 수소 탱크는 수소가 통과하지 못하도록 코팅된 알루미늄 볼륨법을 사용합니다. 이는 75 MPa (750 기압)로 매우 높은 압력을 견뎌내기 위해 바깥쪽에 탄소 섬유로 보강됩니다.

 

2. 수소는 가연성 가스라 위험하진 않을까요?

수소를 연료로 사용한 연료전지 자동차는 물만 배출하므로 이 점에서는 매우 청정한 엔진입니다. 그러나 과학 실험 시간에 경험해봤겠지만 수소는 쉽게 불타는 물질입니다. '쉽게 불탄다'라는 이 성질을 이용해서 휘발유 대신 수소를 태워 달리는 수소엔진 자동차도 개발한 적이 있을 정도입니다. 요컨대 취급에 주의해야 한다는 뜻입니다.

또한 수소는 상온에서 기체이므로 수소 충전소나 연료전지 자동차에서는 고압으로 압축해서 많은 양을 탑재할 수 있게 합니다. 물론 수소 충전소는 연료전지 자동차보다 더 고압으로 수소를 저장해야 합니다.

그 밖에 수소를 이용할 때의 어려움으로 수소 분자가 매우 작다는 점을 들 수 있습니다. 수소 분자는 매우 작아서 금속을 통과해버릴 때가 있습니다. 이 때문에 장기 보관이 어렵습니다. 또한 수소가 들어가면 물러지는 금속(스테인리스강)도 있습니다. 이것을 수소취성이라고 합니다. 참고로 이렇게 조금씩 누출된 수소는 공기 속으로 흩어지기 때문에 독 발 같은 위험성은 거의 없습니다.

이와 같은 수소 특유의 문제점이 있지만 자동차 제조 회사와 수소 충전소 개발 회사들은 수소를 연료로 이용할 수 있도록 다양한 대책을 마련하고 있습니다. 연료전지 자동차와 충전소가 보편화되기까지는 아직 시간이 걸리겠지만 앞으로 연구가 진행됨에 따라 더욱 안전하고 다루기 쉽게 개선될 것입니다.

 

3. 발전을 할 수 있는 연료 전지 자동차가 왜 배터리를 탑재할까요?

연료 전지 자동차는 저장해 놓은 수소를 산소와 반응시켜 발전하고 전기 모터를 구동합니다. 그렇다면 배터리는 필요 없을 것 같지만, 실제로는 발전한 전기를 잠시 배터리에 저장합니다. 그 이유는 자동차의 주행 상황에 따라 전력 소비량이 매 순간 변동하기 때문입니다. 따라서 순간적으로 전기를 생산하여 공급하기 어렵기 때문에, 가속 페달을 밟은 순간 즉시 반응하기 위해서 전기를 저장해 두어야 합니다.

또한 안정된 전압을 공급하기 위해서도 배터리가 필요합니다. 연료 전지로 발전한 전압과 전류를 일정하게 설정하더라도 주행 중 전력 소비량이 변화하면서 전압이 불안정해질 수 있습니다. 그렇기 때문에 시스템의 전압을 안정시키기 위해서는 배터리가 필요합니다.

또한 회생 제동으로 발전한 전기를 모아두는 장소로 배터리가 필요합니다. 차륜의 회전으로 발전기를 돌려 전기를 생산하는 회생 제동 시스템은 수소를 절약하고 연속 주행 거리를 늘리기 위해서 필요합니다. 또한 발전기를 돌릴 때의 저항은 엔진 브레이크 대용으로 사용됩니다.

연료 전지 자동차의 배터리는 하이브리드 자동차와 마찬가지로 '보조 에너지원'입니다. 하이브리드 자동차나 전기 자동차와는 다르게 연료 전지 자동차는 스스로 전기를 생산할 수 있기 때문에 고성능 배터리가 필요하지 않습니다. 따라서 도요타 '미라이'는 안정성과 신뢰성이 더 높은 니켈 수소 배터리를 탑재하였습니다. 이렇게 함으로써 만일의 사태가 발생해도 화재가 발생하지 않습니다.

 

4. 수소 충전소가 정확히 무엇인가요?

수소 충전소는 연료 전지 자동차의 연료가 되는 수소를 충전하는 장소입니다. 수소를 저장하는 고압 탱크나 전용 충전 기기 등이 갖추어져 있습니다. 수소 충전소에는 온사이트형과 오프사이트형의 두 종류가 있습니다. 온사이트(On-site)형은 수소를 만드는 설비를 갖춘 곳이며, 오프사이트(Off-site) 형은 수소를 외부에서 운송해 탱크에 충전하는 수소 충전소입니다.

수소는 매우 잘 새어나가며 쉽게 불타는 물질이기 때문에 저장이나 충전을 할 때 휘발유나 경유 이상으로 신경을 써야 합니다. 그래서 수소 충전소는 설치 규정이 매우 까다롭습니다. 충전 기기에는 특수한 소재와 구조가 이용되며, 이런 기기를 만들 수 있는 기업은 세계에서도 손에 꼽을 정도입니다.

설치 규정은 엄격한 심사를 거듭해 안정성을 확인하면서 단계적으로 재검토되고 있지만 아직 주유소보다 까다롭고, 주변의 설비나 도로와 충분히 간격을 두도록 규정되어 있습니다. 용지 확보도 여의치 않다는 문제점 또한 있습니다. 그래서 일본에서는 아직 상설형(온사이트형, 오프사이트형) 수소 충전소가 없고, 이동형 수소 충전소가 연료 전지 자동차의 이동을 지원하는 역전 현상이 발생했습니다. 그래도 일부 기업이나 지방 자치 단체 등이 시험적으로 연료 전지 자동차를 이용하는 수준이었을 때는 수소 충전소의 거점 수가 적은 것이 큰 문제는 아니었습니다.

현재 주유소에는 운전자가 직접 주유 작업을 하는 셀프 주유도 있지만 수소는 휘발유나 경유 이상으로 취급에 주의가 필요한 물질이기 때문에 전문 작업원이 꼭 필요합니다. 또한 수소 사회가 본격적으로 도래하기 위해서는 수소를 만들어내는 공정도 좀 더 환경 부담이 적은 방법을 이용해야 할 것입니다.