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이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑦
19C 태동된 연료전지, 미래 수소차와 결합
이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장  |  yjl@kier.re.kr
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승인 2017.10.23  07:40:36
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이영재 환경부 친환경자동차기술개발사업단장

[지앤이타임즈]이영재 박사의 ‘환경 그리고 자동차’⑦

미래 그린카 구동 방식으로 주목받고 있는 연료전지는 19세기 초반에 이미 발명됐다. 1839년 영국의 윌리엄 글로브 경이 세계 최초로 연료전지를 발명했고 이후 다양한 방식이 연구되고 있다. 연료전지가 자동차에 응용된 것은 1966년의 일로 미국 GM이 1회 충전 주행거리 120마일, 최고 속도 70 mph의 PEM 방식 수소연료전지차를 시제작한 것이 시초다. 미래 도로를 누빌 그린카는 이미 오래 전 역사 속에서 태동된 셈이다.

내연기관은 연료와 산화제(공기)를 엔진 연소실에서 태워서 동력을 발생시키는데 연료전지는 연료와 산화제를 전기화학적으로 반응시켜 전기를 발생한다는 점이 다르다. 연료전지는 여러 종류가 있는데 자동차용으로는 PEM (Polymer Electrolyte Membrane: 고체고분자막) FC (Fuel Cell)을 사용한다. PEM FC는 이온 교환막을 사이에 두고 양극에는 산화제(공기), 음극에는 환원제(연료)를 공급해 전기에너지를 발생시킨다. 이온 교환막으로 프로톤 교환막을 사용하는 경우는 프로톤 교환막(Proton Exchange Membrane) FC라고도 부른다.

대부분의 연료전지는 고온에서 작동하지만 PEM FC는 100℃ 이하의 저온에서 작동돼 기동이 빠르며 높은 열을 방출하지 않는다는 점에서 자동차용으로 적합하다. 전력 밀도가 높고 중량과 체적이 작은 것도 장점이다. 다만 수소를 연료로 사용하는 경우에 전극에 고가의 백금 촉매제를 사용해 가격이 비싸고, 연료 중 일산화탄소 등 불순물에 취약해 고순도의 수소가 요구된다는 점이 까다롭다. 연료전지의 셀 하나 하나는 전압과 출력이 낮아 다수의 셀을 적층해 사용하며 이것을 연료전지스택이라고 부른다.

다소 어려운 용어들을 나열했는데 ‘수소연료전지자동차’를 쉽게 설명하면 하이브리드자동차의 내연기관을 대신해 연료전지스택과 모터를, 연료탱크 대신에 수소탱크를 붙인 것으로 이해하면 된다. 즉 휘발유 같은 화석 연료 대신에 수소를 에너지로 사용해 전기를 발생시키고 모터를 작동시켜 구동하는 것이 수소연료전지자동차이다. 수소탱크에는 700기압으로 수소를 충전, 저장하는 방식이 일반적이다.

◇ 확대 보급 걸림돌 많지만 미래 그린카 중요 축 될 것

물로 가는 자동차를 개발했다며 투자자를 모집하는 사기가 극성을 부릴 때가 있었다. 그런데 알고 보면 수소연료전지차의 기본 원리가 바로 그렇다. 물의 화학식은 H2O인데, 전기분해하면 수소분자 두개와 산소분자 하나가 발생하여 수소차의 연료가 된다. 연료전지 내에서 반응하여 전기에너지를 생산하는 과정에서는 이산화탄소나 그 밖의 유해가스를 배출하지 않고 배기관에서 수증기 즉 물로 다시 배출되므로 무한 생산이 가능하다.

1회 충전 주행거리, 수소 충전시간 등 수소자동차의 기본 성능이 내연기관에 필적할 정도인 것도 눈여겨볼 대목이다.

다만 아직까지는 내연기관자동차는 물론 전기자동차에 비해서도 가격이 크게 높다는 점이 보급 확대의 장애가 되고 있다. 실제로 현대자동차가 2013년 2월, 첫 양산에 나선 연료전지차 투싼 ix는 당시 1억 5천만원의 판매 가격을 기록했고 이후 8500만원까지 떨어졌지만 동일한 내연기관차에 비해 여전히 크게 높은 것이 현실이다. 일본 토요타의 미라이(MIRAI)는 2014년 12월 723만엔(한화 환산 7304만원)에 일반 판매를 시작헸고, 혼다에서도 지난 해 3월에 클래리티(Clarity)를 766만엔(한화 환산 7732만원)에 리스 판매하고 있어 가격경쟁력이 크게 떨어진다.

수소차 보급의 또 다른 걸림돌은 수소 생산, 저장, 운송 및 수소충전소와 같은 인프라의 구축이다. 수소경제(hydrogen economy)가 추구하는 수소 사회는 물의 전기분해를 통한 수소 생산, 원자력을 이용한 수소 생산, 태양광과 바이오매스와 같은 신재생에너지원에 의한 수소 생산 등 환경친화적이고 지속가능한 수소 생산이 전제가 된다. 하지만 현재로서는 천연가스나 LPG, 나프타 같은 화석연료의 개질에 의해 수소가 생산되고 있어서 주행중 오염물질만 배출하지 않을 뿐 수소 생산과정에서는 무공해가 아니다.

수소충전소는 수소를 700기압 이상의 고압으로 압축하기 위한 컴프레서, 압축저장탱크, 차량에 수소를 충전하는 디스펜서가 필요하고 현지(온사이트: On-site) 즉 충전소 내에서 수소를 생산할 경우에는 천연가스-수소 개질 장치까지 필요해 엄청난 비용이 소요된다는 점도 아직까지는 한계요인이 되고 있다. 현재 3만대 정도 보급중인 CNG(압축천연가스) 차량이 200기압으로 압축된 천연가스를 차량에 충전한다는 점에서 수소연료차와 유사하지만 대중교통수단으로 정해진 노선을 오가는 버스에 집중되고 있다는 점이 다르다. 전국적으로 약 200 곳에 달하는 천연가스충전소는 대부분 도시 외곽에 위치하지만 대부분이 버스 차고지 안이나 인근에 위치해 안정적인 연료 공급에는 문제가 없다.

하지만 일반 대중 승용차 기반으로 보급이 추진되는 수소차는 주유소처럼 도심이나 외곽 지역 등을 아우르는 폭넓은 충전 인프라 구축이 불가피하다. 님비현상이 심각한 우리 나라에서 고압의 수소를 다루는 충전소의 도심 내 설치가 사회적 갈등 이슈가 된다면 수소차 보급의 발목을 잡을 수도 있다는 얘기다.

이 같은 걸림돌에도 불구하고 2020년 이후 수소차 대중화 시대가 도래할 것으로 예상하는 글로벌 시장 조사 업체들이 적지 않다. 프로스트 앤 설리반은 2022년 세계 수소차 시장이 10만 6천대, 디지털 리서치는 2025년에 25만대, 후지 경제는 2030년에 78만대 규모에 이를 것으로 예측하고 있다. 전기차 보급 전망과 비교하면 열세이지만 수소차의 한계를 감안하면 괄목할만한 성장으로 평가받을만 하다.

우리 정부 역시 수소차 확대 보급에 관심이 많다. 현재 국내에 보급된 수소연료전지차는 114대 수준에 불과하고 수소충전소도 10곳에 그치고 있다. 하지만 환경부가 지난 2015년 12월에 발표한 ‘제3차 환경친화적 자동차 개발 및 보급계획’에 따르면 2020년까지 수소연료전지차 9,000대가 보급되고 수소충전소는 80곳이 구축된다. 또한 2030년까지 각각 63만대의 수소연료전지차와 520곳의 수소충전소 확보를 목표로 제시하고 있으니 전기차에 비해 더디기는 할지언정 미래 그린카의 중요한 한 축으로 성장하는 것은 분명한 사실이다.

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