2024. 6. 18. 16:56ㆍ자동차
이번 블로그는 수소차 기술의 원리 이해하기에 대한 내용입니다.
친환경 미래 자동차 기술 중 하나인 수소차에 대한 관심이 높아지고 있습니다. 수소차는 배터리 대신 수소 연료전지를 동력원으로 사용하며, 배출가스가 물(H2O)뿐이라는 점에서 친환경적입니다. 하지만 구체적인 작동 원리에 대해서는 잘 모르는 분들이 많습니다. 이번 블로그에서는 수소차 기술의 핵심 원리와 작동 과정을 자세히 알아보겠습니다.
수소 연료전지의 구조와 원리
수소차의 심장이라 할 수 있는 수소 연료전지는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산합니다. 연료전지는 크게 양극(air electrode), 음극(fuel electrode), 전해질막(electrolyte membrane)으로 구성됩니다.
- 양극(Air Electrode): 외부 공기 중의 산소가 양극으로 유입됩니다. 양극에서는 산소가 환원 반응을 통해 전자를 받아들이게 됩니다.
- 음극(Fuel Electrode): 수소 탱크로부터 공급된 수소 기체가 음극으로 유입됩니다. 음극에서는 수소가 산화 반응을 통해 전자를 내보내게 됩니다.
- 전해질막(Electrolyte Membrane): 전해질막은 양극과 음극 사이에 위치하며, 수소 이온(H+)만 통과할 수 있게 합니다. 전자는 이 막을 통과할 수 없습니다.
전해질막을 사이에 둔 양극과 음극에서 발생한 전자의 이동을 통해 전기가 생산됩니다. 구체적인 화학반응 과정은 다음과 같습니다.
- 양극 반응: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O
- 음극 반응: 2H2 → 4H+ + 4e-
- 총 반응: 2H2 + O2 → 2H2O
이렇듯 연료전지 내에서 수소와 산소의 화학반응이 일어나면서 전기가 발생하고, 그 부산물로 물(H2O)만 배출됩니다. 연료전지 스택은 이러한 개별 연료전지를 여러 개 적층 한 구조입니다.
수소차 시스템의 구성 요소
수소차는 연료전지 외에도 수소 탱크, 배터리, 전력 제어 시스템 등 여러 부품으로 구성되어 있습니다.
- 수소 탱크: 고압가스 형태로 수소를 저장하고 있습니다. 수소는 높은 에너지 밀도를 가지므로 효율적인 에너지 저장이 가능합니다.
- 배터리: 연료전지에서 생산된 전기를 저장하고, 모터에 공급합니다. 또한 부족한 전력을 보조해 줍니다.
- 전력 제어 시스템: 연료전지와 배터리에서 생산 및 공급되는 전력을 제어하고 관리합니다.
- 공기 공급 시스템: 연료전지에 산소를 공급하는 역할을 합니다. 일반적으로 공기 압축기가 사용됩니다.
- 열 관리 시스템: 연료전지 반응에서 발생하는 열을 효과적으로 냉각하고 조절합니다.
- 전기 모터: 배터리와 연료전지에서 공급된 전력으로 구동되어 차량을 움직이게 합니다.
수소차 작동 과정
이제 수소차의 구체적인 작동 과정을 단계적으로 살펴보겠습니다.
- 수소 주입: 외부에서 고압의 수소 기체를 수소 탱크에 주입합니다. 이때 수소는 700 기압 이상의 고압 상태로 저장됩니다.
- 수소 공급: 운전 시 수소 탱크의 수소 기체가 연료전지 스택 내 음극으로 공급됩니다. 이때 압력 조절 장치가 적정한 압력을 유지시킵니다.
- 공기 공급: 공기 압축기가 작동하여 외부 공기 중 산소를 연료전지 스택 내 양극으로 공급합니다.
- 화학반응 및 전기 생산: 연료전지 스택에서 수소와 산소 간의 화학반응이 일어나면서 전기가 생산됩니다. 양극과 음극에서 발생한 전자의 이동을 통해 전기 에너지가 만들어집니다.
- 전력 제어: 생산된 전기는 전력 제어 시스템을 거쳐 배터리와 모터로 공급됩니다. 이때 부족한 전력은 배터리에서 보충됩니다.
- 열 관리: 화학반응 과정에서 발생한 열은 열 관리 시스템에 의해 냉각 및 조절됩니다.
- 구동력 생산: 배터리와 연료전지에서 공급된 전력으로 전기 모터가 작동하여 구동력을 생산합니다. 이 구동력이 바퀴를 움직여 차량을 주행시킵니다.
- 배출가스 배출: 연료전지 반응의 부산물인 물(H2O)은 대기 중으로 배출되어 배기가스로 나옵니다.
이처럼 수소차는 연료전지를 통해 전기를 생산하고, 이 전기로 모터를 구동시켜 움직입니다. 일반 내연기관 차량과 달리 배출가스가 물 뿐이라는 점에서 친환경적입니다.
수소차 장단점
수소차는 기존 내연기관 차량 및 전기차와 비교했을 때 다음과 같은 장단점이 있습니다.
장점
- 무공해 배출: 수소차의 배출가스는 물(H2O)뿐입니다. 온실가스나 대기오염 물질을 전혀 배출하지 않아 친환경적입니다.
- 긴 주행거리: 수소의 높은 에너지 밀도 덕분에 한 번 충전으로 장거리 주행이 가능합니다. 일반적으로 600km 이상 주행 가능합니다.
- 짧은 충전시간: 기존 전기차 대비 수소 충전 시간이 훨씬 짧아 편리합니다. 3-5분 내외의 시간에 충전이 가능합니다.
- 높은 에너지 효율: 수소 연료전지의 에너지 변환 효율이 높아 에너지 손실이 적습니다.
- 다양한 차종 생산: 소형 승용차부터 버스, 트럭까지 다양한 차종의 수소차를 생산할 수 있습니다.
단점
- 충전소 인프라 부족: 아직까지 수소차 충전소 인프라가 부족하여 불편함이 있습니다. 충전소가 지속 확충되어야 합니다.
- 수소 생산 비용: 현재 수소 생산 비용이 높아 경제성이 낮습니다. 보다 저렴한 수소 생산기술이 필요합니다.
- 수소 저장 및 운송 어려움: 수소는 가연성 기체라 저장과 운송이 까다롭습니다. 이에 대한 기술 개선이 요구됩니다.
- 안전성 논란: 수소가 가연성 기체라는 점에서 폭발 위험 등의 안전성 문제가 제기되고 있습니다.
- 차량 가격 고가: 연료전지와 수소 탱크 등 핵심 부품 가격이 비싸 차량 제작 비용이 높은 편입니다.
이처럼 수소차는 무공해, 주행거리, 충전 편의성 등의 장점이 있지만, 아직 인프라 구축, 경제성, 안전성 측면에서 개선이 필요한 상황입니다. 감사합니다.