#수소를 연료로 사용 하는 수소 전기차는 어떻게 움직일까?:3탄
#<수소> <수소폭탄> <수소애너지> <수소전기차>:1탄
#수소를 생산하는 방법에 대해서 포스팅:2탄
에 이어 수소 전기차의 작동원리에 대해서 포스팅 하겠습니다.
수소 전기차는 내연기관 엔진 대신 ▲연료전지 스택과 ▲구동모터,▲수소 저장 장치 등을 갖추고 있습니다.수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기에너지를 생산하고, 구동모터로 동력을 만드는 것입니다.간단한 과정처럼 보이지만 이를 제대로 구현하는 것은 결코 쉬운 일이 아니며, 각 부품의 역할을 통해 수소전기차가 수소를 동력으로 만드는 과정을 현대차가 공개한 내용을 바탕으로 알아보겠습니다.
1.수소전기차는 순수한 수소를 연료로 사용합니다.
수소는 끓는점이 -252.87℃로 상온에서는 기체 상태로 존재합니다.
기체는 부피 당 밀도가 낮아 보관에 매우 큰 공간이 필요하기에 연료로서 효용성이 떨어지는 것입니다.
따라서 같은 공간에 더 많은 수소를 보관하기 위해선 고압으로 압축해야 하고,수소전기차는 700bar(약 690기압) 수준으로 압축한 고압 수소를 연료로 사용하는 것입니다.
2.수소전기차에서 이 고압 수소를 안전하게 보관하는 부품이 바로 수소 연료 탱크입니다.
수소전기차 연료 탱크의 외피는 700bar의 높은 압력을 견딜 수 있는 탄소섬유 강화 복합재로 제작하며,내부에는 내구 복원력이 뛰어난 폴리이미드(나일론 소재) 라이너를 삽입합니다.
연료 탱크에서 고압으로 보관된 수소는 2단계 감압 장치를 거쳐 연료전지 스택에 전달되며, 저장부터 공급까지,수소를 연료로 사용하기 위한 다양한 기술들이 시스템에 반영돼 있는 것입니다.
3.외부 공기에서 산소를 수집하는 수소 전기차
수소전기차는 수소와 산소를 화학 반응 시켜 전기를 생산합니다.
산소는 공기 공급 시스템을 통해 외부 공기에서 수급합니다.
공기 공급 장치는 여러 단계에 걸쳐 공기를 정화합니다.
공기필터에서 먼지 및 화학물질을 걸러내고, 건조한 공기를 막 가습기로 가습한 후, 기체 확산층을 통해 연료전지 전극막에 산소를 공급합니다.
수소전기차의 공기 공급 시스템이 이런 과정을 통해 연료전지 스택에 산소를 공급하는 이유는 연료전지의 내구성 때문입니다. 외부 공기를 그대로 사용할 경우 공기에 포함된 이물질로 인해 연료전지가 손상될 수 있기 때문입니다.이렇게 이물질이 제거된 공기는 다시 대기로 방출되기에 수소전기차가 움직이는 공기청정기라고 불리는 이유입니다.
4.수소와 산소에서 전기에너지를 얻는 연료전지 스택
연료전지 스택은 수소전기차의 핵심 부품이라고 할 수 있습니다. 연료 탱크와 공기 공급 시스템을 통해 얻은 수소와 산소를 화학 반응시켜 전기를 생산하는 장치이기 때문입니다. 현대자동차 넥쏘의 연료전지 스택은 총 440개의 셀로 되어 있습니다.
하나의 셀은 수소와 산소가 만나 화학 반응을 일으키며 전기에너지를 생산하는 전극막,수소 및 산소를 전극막 표면으로 전달하는 기체 확산층, 전극막과 수소, 산소가 통과할 수 있는 길을 만들어주는 금속분리판 등으로 구성돼 있습니다.
연료전지의 성능은 수소 분자를 이온 상태로 분해하고, 분해된 수소이온을 산소와 결합하는 과정을 얼마나 효율적으로 진행하느냐에 달려 있습니다.
<이온>전하를 띠는 원자 또는 원자단. 전기적으로 중성인 원자가 전자를 잃으면 양전하를, 전자를 얻게 되면 음전하를 가진 이온이 된다.
현재까지는 이 반응을 촉진하는 촉매제로 백금(1대당 약70g 필요)이 가장 합리적인 물질로 꼽힙니다.
업체들이 고가의 백금을 대체할 효율적이고 저렴한 촉매 물질을 개발하려고 치열한 경쟁을 벌이는 것도 이 때문입니다.
5.전기에너지를 동력으로 만드는 구동 모터
연료전지 스택에서 생산한 전기에너지는 구동모터로 전달돼 동력으로 변환됩니다. 수소전기차의 구동모터와 전장부품은 일반적인 전기차와 구조가 유사합니다. 전기에너지로 동력을 생산해 주행을 돕는 구동모터를 중심으로, 전기에너지 공급과 관리를 담당하는 통합전력제어장치, 구동모터의 회전수를 조절하는 감속기로 구성되어 있습니다.
6.회생제동 시스템
수소전기차는 전기차처럼 감속 시 운동에너지를 다시 전기에너지로 환원하는 회생제동 시스템도 갖추고 있습니다. 회생제동 시스템은 속도를 줄일 때 회수한 전기에너지를 고전압 배터리에 저장하며 이는 모터 작동에 다시 활용돼 연비 개선에 도움을 줍니다.
7.주행 중 순수한 물을 배출하는 수소전기차
수소 전기차와 전기차는 전기에너지를 활용해 구동모터로 주행하고, 배기가스가 없는 친환경차라는 점에서 매우 비슷합니다.
가장 큰 차이점은 전기에너지를 수소 전기차는 직접 생산해 활용하고, 전기차는 외부로부터 수급한다는 점입니다.
넥쏘는 완전 충전 시간이 2~3분에 불과하며 1회 충전으로 500~700㎞를 주행할 수 있습니다.
수소차는 탱크에 수소만 있으면 언제든 연료전지를 작동할 수 있습니다.
탱크에 수소를 충전하는 시간도 2, 3분에 불과합니다.
급속 충전을 해도 1시간가량 소요되는 전기차는 경쟁이 되지 않습니다.
또 한 번 충전으로 주행거리가 500~700㎞로 전기차의 2배 가량 깁니다.
아직 남은 과제들이 있지만 수소차가 뛰어난 공기 정화 능력을 지닌 것은 분명합니다
현대자동차가 올해 초 출시한 수소차 넥쏘의 경우 탁월한 공기 정화 능력까지 자랑합니다.
가동 시 시커멓게 오염된 공기를 흡수하더라도, 3단계 공기 정화 장치를 거치면서 투명하게 정화하는 효과까지 낼 정도로 기술적 발전이 이뤄졌습니다.
현대자동차에 따르면 넥쏘를 1시간 운행하는 동안 공기가 총 26.9㎏ 정화됩니다.
성인(체중 64㎏ 기준) 42.6명이 1시간 동안 호흡하는 양입니다.
넥쏘 10만 대가 승용차의 하루 평균 운행 시간인 2시간을 주행한다고 가정하면, 성인 35만 5,000여 명이 24시간 동안 마실 공기, 845만 명이 1시간 동안 호흡할 수 있는 공기를 정화하는 셈입니다.
그렇다고 수소차가 대기오염을 전혀 일으키지 않는다고 볼 수는 없습니다.
연료인 수소를 제조하는 과정에서 이산화탄소 등의 온실가스 발생을 피하기 힘듭니다.
전기차나 내연기관차보다는 탁월한 친환경차인 것은 분명하지만, 공해 제로 수준에 도달하기 위해서는 아직 가야 할 길이 남아 있습니다.
한편,하이브리드, 플러그인 하이브리드 차량은 내연기관과 모터를 동시에 사용함으로써 기존 내연기관 차량에 비해 배기가스를 적게 배출합니다
이에 따라 나타나는 결과가 바로 배출물입니다.
전기차는 운행과정에서 별도로 부산물을 생산하지 않지만, 수소전기차는 배기구를 통해 순수한 물을 배출합니다.
현대자동차가 2013년 세계 최초로 양산한 수소전기차는 ‘궁극의 친환경차’입니다.
전기차는 결국 화석연료나 원자력 발전을 통해 생산된 전기를 원료로 사용해 엄격한 기준에선 친환경차로 보기 힘듭니다.
연료전지에서 수소와 산소가 화학 반응을 거치며 전기에너지와 함께 생산된 물을 방출하는 것입니다.
중형 SUV 1대의 연간 CO₂ 배출량은 2.2톤 입니다. 중형 SUV 1만 대를 수소전기차로 대체하면 나무 62만 그루(나무 1그루 연간 이산화탄소 흡수량 35kg)를 심는 효과를 얻을 수 있습니다.
수소전기차 1시간 운행 시 성인 약 42.6명에게 필요한 공기를 정화 할 수 있습니다. (현대자동차 넥쏘 기준)
수소 연료전지 시스템은 산업 전반에 활용할 수 있는 잠재력을 갖고 있는 기술이기도 합니다. 연료인 수소가 무한하다는 점과 에너지를 생산하는 과정이 친환경적이라는 점 때문입니다.
자동차뿐만 아니라 비행기나 선박, 드론과 같은 모빌리티는 물론 가정용 냉난방 시스템 등 전기에너지를 사용하는 분야라면 어디에도 사용할 수 있기 때문입니다.
궁극적으로 미래 사회의 수소는 신재생에너지 발전을 통해 얻은 전기에너지에서 물을 분해해 생산할 것으로 예상됩니다.
즉,물에서 얻은 수소로 자동차를 움직이고, 다시 자연에 순수한 물을 환원하는 일이 가능해지는 것입니다.
다음은 #수소 전기차의 경제성 4탄을 포스팅 합니다.