수소전기차는 궁극의 친환경차라는 평가를 받습니다
수소전기차를 설명하는 가장 대표적인 수식어는 ‘궁극의 친환경차’일 것입니다. 배기가스 대신 순수한 물을 배출하고, 공기 속 미세먼지를 99.9%까지 제거하는 자동차. 수소전기차는 어떻게 이런 일을 가능케 하는 걸까요? 공기를 정화하는 수소전기차의 작동원리와 그 효과에 대해 알아봅니다.
수소전기차를 설명하는 가장 대표적인 수식어는 ‘궁극의 친환경차’일 것입니다. 배기가스 대신 순수한 물을 배출하고, 공기 속 미세먼지를 99.9%까지 제거하는 자동차. 수소전기차는 어떻게 이런 일을 가능케 하는 걸까요? 공기를 정화하는 수소전기차의 작동원리와 그 효과에 대해 알아봅니다.
수소전기차의 핵심, 연료전지
수소 연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 에너지와 물을 생성해내는 구조를 가지고 있습니다
수소전기차는 내부에 탑재된 ‘연료전지’에서 수소와 산소를 활용해 전기에너지를 생산합니다. 연료전지는 우리가 일반적으로 사용하는 화학 전지(건전지, 니켈-카드뮴 전지)와 마찬가지로 반응 물질과 전해질을 사용해 산화 환원 반응을 일으키고, 이 과정에서 발생한 에너지를 전기에너지로 변환시킵니다. 다른 점이 있다면 화학 전지가 용기 속에 든 반응 물질을 한정적으로 활용하는 것에 비해 연료전지는 외부에서 끊임없이 반응 물질을 공급해 에너지를 발생시킨다는 것입니다. 연료전지에 사용되는 물질은 기체, 액체, 고체 어느 것이 사용되느냐에 따라 다양한 방식을 갖고 있는데, 대표적인 것이 바로 수소를 연료로 사용하는 연료전지입니다. 수소전기차에 사용되는 것이 이 방식입니다.
수소를 사용하는 연료전지는 수소 탱크에서 공급된 수소와 외부에서 수집한 산소를 이용해 물과 에너지를 만들어 냅니다. 수용액에서 수소와 산소의 전자를 교환하는 방식으로 화학 반응을 일으키는 것이죠. 이 과정에서 생성된 물은 외부로 배출되고 에너지는 전기에너지로 변환돼 모터를 움직이는 데 사용합니다. 이런 매커니즘을 가진 연료전지는 1839년 영국의 물리학자인 그로브가 발견했습니다. 오래 전 발견됐지만, 효율성 측면에서 자동차에 적용되기에는 한계가 분명했습니다. 즉, 수소전기차가 연료전지를 탑재하고 도로를 달릴 수 있게 되기까지는 고효율의 연료전지를 개발하는 것이 큰 숙제 중 하나였던 것입니다. 높은 연비와 긴 항속거리를 갖추기 위해선 연료전지의 성능이 매우 중요한 것이죠.
현대자동차에서 양산화한 수소전기차 넥쏘가 현존하는 수소전기차 중 최장인 609km의 항속거리를 갖출 수 있었던 이유는 바로 자체 개발한 고성능 연료전지 시스템을 탑재했기 때문입니다. 넥쏘에 적용된 4세대 연료전지는 에너지를 효율적으로 사용하는 상압 시스템과 고온에서도 안정적으로 연료전지를 운영할 수 있는 가압 시스템의 장점만 담은 가변압 시스템을 적용해 기존의 수소전기차와 차별화된 성능을 선보일 수 있었습니다. 수소전기차가 상용화될 수 있었던 데는 고성능 연료전지의 개발이 큰 역할을 했습니다.
수소전기차는 내부에 탑재된 ‘연료전지’에서 수소와 산소를 활용해 전기에너지를 생산합니다. 연료전지는 우리가 일반적으로 사용하는 화학 전지(건전지, 니켈-카드뮴 전지)와 마찬가지로 반응 물질과 전해질을 사용해 산화 환원 반응을 일으키고, 이 과정에서 발생한 에너지를 전기에너지로 변환시킵니다. 다른 점이 있다면 화학 전지가 용기 속에 든 반응 물질을 한정적으로 활용하는 것에 비해 연료전지는 외부에서 끊임없이 반응 물질을 공급해 에너지를 발생시킨다는 것입니다. 연료전지에 사용되는 물질은 기체, 액체, 고체 어느 것이 사용되느냐에 따라 다양한 방식을 갖고 있는데, 대표적인 것이 바로 수소를 연료로 사용하는 연료전지입니다. 수소전기차에 사용되는 것이 이 방식입니다.
수소를 사용하는 연료전지는 수소 탱크에서 공급된 수소와 외부에서 수집한 산소를 이용해 물과 에너지를 만들어 냅니다. 수용액에서 수소와 산소의 전자를 교환하는 방식으로 화학 반응을 일으키는 것이죠. 이 과정에서 생성된 물은 외부로 배출되고 에너지는 전기에너지로 변환돼 모터를 움직이는 데 사용합니다. 이런 매커니즘을 가진 연료전지는 1839년 영국의 물리학자인 그로브가 발견했습니다. 오래 전 발견됐지만, 효율성 측면에서 자동차에 적용되기에는 한계가 분명했습니다. 즉, 수소전기차가 연료전지를 탑재하고 도로를 달릴 수 있게 되기까지는 고효율의 연료전지를 개발하는 것이 큰 숙제 중 하나였던 것입니다. 높은 연비와 긴 항속거리를 갖추기 위해선 연료전지의 성능이 매우 중요한 것이죠.
현대자동차에서 양산화한 수소전기차 넥쏘가 현존하는 수소전기차 중 최장인 609km의 항속거리를 갖출 수 있었던 이유는 바로 자체 개발한 고성능 연료전지 시스템을 탑재했기 때문입니다. 넥쏘에 적용된 4세대 연료전지는 에너지를 효율적으로 사용하는 상압 시스템과 고온에서도 안정적으로 연료전지를 운영할 수 있는 가압 시스템의 장점만 담은 가변압 시스템을 적용해 기존의 수소전기차와 차별화된 성능을 선보일 수 있었습니다. 수소전기차가 상용화될 수 있었던 데는 고성능 연료전지의 개발이 큰 역할을 했습니다.
공기를 정화하는 원리
수소전기차 넥쏘는 3단계에 걸쳐 공기를 정화하는 시스템을 갖추고 있습니다
수소전기차가 친환경차로 불릴 수 있는 또 하나의 이유는 자동차가 움직일 때 발생하는 부산물이 순수한 물뿐이기 때문입니다. 배기가스를 배출하지 않는 것만으로도 친환경적 자동차라는 것이죠. 물론 전기차도 배기가스를 배출하지 않습니다. 하지만 수소전기차가 전기차보다 더 높은 평가를 받는 건 공기를 정화하는 역할까지 하기 때문입니다.
수소전기차는 연료전지에서 수소와 반응시킬 산소를 외부 공기로부터 얻는데, 연료전지의 내구성 확보를 위해서는 순수한 산소가 필요합니다. 수소전기차 넥쏘에는 이를 실현하기 위한 3단계 공기정화 시스템이 적용되어 있습니다. 최초로 유입된 공기는 먼지 및 화학물질을 포집하는 공기필터를 거치게 되는데, 이 과정에서 초미세먼지 97% 이상이 제거됩니다. 두 번째로는 막 가습기(가습막을 통한 건조공기 가습)의 표면에서 초미세먼지가 추가로 제거됩니다. 마지막으로 연료전지 스택 내부 미세기공 구조의 탄소섬유 종이로 된 기체확산층(공기를 연료전지 셀에 골고루 확산시키는 장치)을 통과하면 초미세먼지의 99.9% 이상이 제거됩니다. 연료전지에 사용할 청정한 산소를 수집하기 위해 외부의 공기를 정화해서 사용하고 정화된 공기를 다시 배출하는 것입니다.
수소전기차가 친환경차로 불릴 수 있는 또 하나의 이유는 자동차가 움직일 때 발생하는 부산물이 순수한 물뿐이기 때문입니다. 배기가스를 배출하지 않는 것만으로도 친환경적 자동차라는 것이죠. 물론 전기차도 배기가스를 배출하지 않습니다. 하지만 수소전기차가 전기차보다 더 높은 평가를 받는 건 공기를 정화하는 역할까지 하기 때문입니다.
수소전기차는 연료전지에서 수소와 반응시킬 산소를 외부 공기로부터 얻는데, 연료전지의 내구성 확보를 위해서는 순수한 산소가 필요합니다. 수소전기차 넥쏘에는 이를 실현하기 위한 3단계 공기정화 시스템이 적용되어 있습니다. 최초로 유입된 공기는 먼지 및 화학물질을 포집하는 공기필터를 거치게 되는데, 이 과정에서 초미세먼지 97% 이상이 제거됩니다. 두 번째로는 막 가습기(가습막을 통한 건조공기 가습)의 표면에서 초미세먼지가 추가로 제거됩니다. 마지막으로 연료전지 스택 내부 미세기공 구조의 탄소섬유 종이로 된 기체확산층(공기를 연료전지 셀에 골고루 확산시키는 장치)을 통과하면 초미세먼지의 99.9% 이상이 제거됩니다. 연료전지에 사용할 청정한 산소를 수집하기 위해 외부의 공기를 정화해서 사용하고 정화된 공기를 다시 배출하는 것입니다.
수소전기차의 공기정화 능력은?
수소전기차 넥쏘 1대가 1시간 운행할 경우 성인 42.6명이 1시간 동안 소비할 수 있는 청정 공기가 생산됩니다
그렇다면 수소전기차가 실제 운행하며 정화하는 공기의 양은 얼마나 될까요?
수소전기차 넥쏘가 1시간 운행 시 정화하는 공기의 양은 26.9kg입니다. 몸무게 64kg인 성인 1명이 1시간 동안 호흡하는 데 필요한 공기량은 0.63kg(세계보건기구 발표)이므로 넥쏘가 1시간 동안 운행하며 만들어낸 청정 공기량은 성인 42.6명이 1시간 동안 소비할 수 있는 양입니다. 서울시에 등록된 약 311만 대의 차량(2017년 12월 기준, 국토교통부 자동차등록 대수 현황) 중 10만 대가 넥쏘라면 어떤 결과가 나올까요? 10만 대의 넥쏘가 승용차 기준 하루 평균 운행시간인 2시간을 주행하면 성인 35만 5천여 명이 24시간 동안 마실 수 있는 공기를 정화하게 됩니다. 이는 854만 명이 한 시간 동안 호흡할 수 있는 공기의 양이기도 합니다. 현재 서울시 전체 인구의 86%에 해당하는 규모입니다.
버스나 택시처럼 일반 승용차보다 주행거리가 긴 대중교통 수단이 수소전기차로 바뀐다면 그 규모는 더 커질 것입니다. 현대자동차의 실주행 측정치에 따르면 수소전기버스가 1km 주행 시 공기를 정화하는 양은 4.863kg입니다. 수소전기버스가 연간 86,000km를 달린다고 가정한다면 총 418,218kg의 공기를 정화하게 됩니다. 이는 몸무게 64kg 성인 약 76명이 1년 동안 마실 수 있는 양입니다. 서울시에서 운행하는 시내버스 6,951대가 모두 수소전기버스로 대체된다면 약 53만 명이 1년 동안 깨끗한 공기를 마실 수 있게 되는 것입니다. 이렇듯 수소전기차가 가진 공기 정화 능력은 우리가 생각했던 것보다 매우 우수합니다. 수소전기차가 상용화되고 등록 대수가 늘어나게 되면 미세먼지 농도가 높은 날 자동차 운행을 자제하는 현재와 대조적으로 수소전기차 운행을 적극적으로 독려하는 진풍경이 벌어질 수도 있을 것입니다.
‘수소전기차의 시대’ 3편에서는 수소 사회로 가기 위한 인프라 구축 현황과 계획에 대한 이야기가 이어집니다.
그렇다면 수소전기차가 실제 운행하며 정화하는 공기의 양은 얼마나 될까요?
수소전기차 넥쏘가 1시간 운행 시 정화하는 공기의 양은 26.9kg입니다. 몸무게 64kg인 성인 1명이 1시간 동안 호흡하는 데 필요한 공기량은 0.63kg(세계보건기구 발표)이므로 넥쏘가 1시간 동안 운행하며 만들어낸 청정 공기량은 성인 42.6명이 1시간 동안 소비할 수 있는 양입니다. 서울시에 등록된 약 311만 대의 차량(2017년 12월 기준, 국토교통부 자동차등록 대수 현황) 중 10만 대가 넥쏘라면 어떤 결과가 나올까요? 10만 대의 넥쏘가 승용차 기준 하루 평균 운행시간인 2시간을 주행하면 성인 35만 5천여 명이 24시간 동안 마실 수 있는 공기를 정화하게 됩니다. 이는 854만 명이 한 시간 동안 호흡할 수 있는 공기의 양이기도 합니다. 현재 서울시 전체 인구의 86%에 해당하는 규모입니다.
버스나 택시처럼 일반 승용차보다 주행거리가 긴 대중교통 수단이 수소전기차로 바뀐다면 그 규모는 더 커질 것입니다. 현대자동차의 실주행 측정치에 따르면 수소전기버스가 1km 주행 시 공기를 정화하는 양은 4.863kg입니다. 수소전기버스가 연간 86,000km를 달린다고 가정한다면 총 418,218kg의 공기를 정화하게 됩니다. 이는 몸무게 64kg 성인 약 76명이 1년 동안 마실 수 있는 양입니다. 서울시에서 운행하는 시내버스 6,951대가 모두 수소전기버스로 대체된다면 약 53만 명이 1년 동안 깨끗한 공기를 마실 수 있게 되는 것입니다. 이렇듯 수소전기차가 가진 공기 정화 능력은 우리가 생각했던 것보다 매우 우수합니다. 수소전기차가 상용화되고 등록 대수가 늘어나게 되면 미세먼지 농도가 높은 날 자동차 운행을 자제하는 현재와 대조적으로 수소전기차 운행을 적극적으로 독려하는 진풍경이 벌어질 수도 있을 것입니다.
‘수소전기차의 시대’ 3편에서는 수소 사회로 가기 위한 인프라 구축 현황과 계획에 대한 이야기가 이어집니다.