수소차에도 두 가지 종류가 있다. 수소연료전지차와 수소엔진차의 차이점




 수소자동차는 엄밀히 이야기하면 수소연료전지 자동차와 수소내연기관 자동차로 나뉩니다. 



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 전자는 수소를 전지의 연료로 사용하는 일종의 전기자동차이고, 후자는 가솔린 대신 수소가스를 사용하는 엔진자동차입니다. 


 따라서 수소자동차가 개발 중이라는 소리를 듣는다면, FCEV (Fuel Cell Electrical Vehicle) 인지 아니면  HICEV (hydrogen internal combustion engine vehicle) 인지를 봐야 합니다.





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 먼저 수소연료전지는 간단히 이야기 해서, 수소와 산소을 반응시켜 전기를 만드는 전지입니다. 

 아마 중고등학교 과학시간에 물에 전기를 가해 수소와 산소를 뽑아내는 실험을 하셨을 텐데요. 이 과정을 거꾸로 이용해서 전기차에 필요한 동력을 생산합니다. 



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 지금 막 보급되고 있는 전기차와는 오로지 탑재 전지만 다를 뿐 구동계는 같다고 보시면 됩니다.





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 배터리 방전시 수소만 주입하면 되니 리튬이온, 리튬폴리머 배터리에 비해 빠르게 충전할 수 있는 장점이 있습니다. 

 에너지 효율도 무척 높아 거의 80%에 육박하는 효율을 자랑합니다. 일반 가솔린 차량이 정말 잘해야 30% 안쪽이므로, 어마어마한 효율임을 알 수 있습니다. 

 배기가스에서도 자유로워 전기차와 마찬가지로 질소화합물, 탄소화합물 배출량이 0 입니다.




 어래 그런데 수소 그거 위험한거 아닌가요?



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 독일의 힌덴부르크 비행선 폭발사고 이야기를 들어 보셨지요? 안정적인 기체인 헬륨을 만들어 낼 수 없었던 독일이, 헬륨대신 수소를 사용했다가 시밤쾅. 


 36명 사망에 전장  250m에 다라는 비행선 한척을 불과 몇 분만에 해먹었습니다. 수소가스가 가연성, 폭발성을 띄고 있기 때문이었지요.






 때문에 연료전지이든 내연기관이든 상관없이 연료로 수소를 사용하는 경우, 안전하게 수소를 저장할 수 있는 기술이 무척 중요합니다. 



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 자료들을 찾아보니 대체적으로 튼튼한 불활성 내압용기와 함께 누출시 공중으로 안전하게 확산되어 폭발을 막는 기술이 확보되어 있다고 하는군요. 


 폭발의 위험이 있는 건 사실 리튬이온 전지도 마찬가지어서, 항덕들 사이에서 나이트메어라이너 (원래는 드림라이넙니다)라 불리는 보잉 787이 리튬이온 배터리 문제로 한동안 곤혹을 치뤘습니다. 



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 날려고 대기 중에 배터리에서 연기가 폴폴 나서 최소 다섯 대의 여객기가 점검 조치를 받았습니다. 유명한 테슬러의 전기차동차가 역시 교통사고와 같은 외부 충돌에 의해 화재가 난 적도 있었지요.



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교통사고가 나면 가솔린 차도 불이나고, 전기차도 불이나니, 가연성, 폭발성의 성질이 비단 수소만의 문제라고 볼 순 없습니다.


 이외에 수소연료전지는 전기를 만들면서 부산물로 물이 생성됩니다. 덕분에 겨울에는 동파 방지(!)를 위해 히티드 시스템이 적용되어야 하는 소소한 문제가 있습니다. 


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 그럼에도 워낙 뛰어난 효율 덕분에 항공우주분야에서 워낙 광범위하게 사용되고, 나사의 똑똑한 엔지니어들 덕분이라고 할까 왠만한 단점들은 기술로 다 커버되고 있습니다.



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의외로 현대가 수소연료전지 관련 원천기술을 많이 확보한 것으로 알려져 있습니다. 처음 양산형 차량이 공개된 시점도 2001년 산타페 FCEV 로 다른 메이커에 비해 뒤쳐지지 않는 수준이지요. 


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 투산을 베이스로한 ix35 FCEV가 양산 중이고, 136마력에 최대시속 150km/h, 600km의 주행거리를 가지고 있습니다. 

 수소스테이션의 문제에 8천5백만원의 비싼 가격이 아직 해결되지 않은 상황입니다.


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 FCEV가 비교적 최근 개발된 기술이라면 수소 내연기관의 경우는 좀 특이하게도 1806년 De Rivaz engine이 수소를 연료로 한 첫 엔진으로 기록되어 있습니다. 


 물론 시도만 되었고, 정상 작동된 엔진이라고는 보기 어려운 조잡한 수준이었지요. 이상연소로 인해 더 이상 개발은 없어었습니다. 그러다 1970년 오일쇼크를 전후해 수소 엔진의 연구가 다시 시작되었습니다.




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 원리는 가솔린 엔진과 동일합니다. 연료를 폭발시켜 얻은 에너지를 회전에너지로 전환시키는 구조를 가지고 있습니다. 연료가 가솔린을 쓰지 않고 수소를 쓸 뿐입니다. 

 가솔린은 액체고 이를 기체로 바꾸어주는 시스템을 사용하는데, 수소는 애초에 기체이기 때문에 기존과는 ‘약간’ 다른 개량된 시스템을 사용합니다. 


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 큰 그림에서 보면 연료 시스템만 차이가 있고 기존 연소관련 부품들은 차이가 없지요. 지금 사용하는 내연기관 기술을 조금 더 발전시키면 될 뿐입니다. 


 극한의 환경에서 작동하는 직분사와 터보차저도 상용화 대중화 되었으니, 저온의 액화수소 기술 혹은 고압의 수소 저장기술을  탑재하면 쉽게 엔진 개발을 이어갈 수 있습니다. 


 하지만 문제 없는 신기술은 없는 법.




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 가솔린에 비해 단위 체적당 에너지가 낮습니다. MPI 방식의 경우 가솔린에 비해 출력이 약 80% 정도 밖에 되지 않습니다. 출력을 올리기 위해 직분사와 터보차저가 반드시 필요합니다. 


 효율을 주행거리에도 영향을 미쳐 600km를 주행할 수 있는 가솔린 양으로 수소는 400km 정도만 주행할 수 있습니다. 


 위험한 수소를 잘 보관하기 위해 저장기술이 필요하다는 점은 연료전지와 동일하고. 대기중의 산소를 사용하기 때문에 미량의 질소산화물이 발생하는 부가적인 단점(?)도 있습니다. 



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 그럼에도 불구하고 일부 메이커에서는 지속적으로 수소엔진을 개발해 왔는데요. 특히 BMW는 수소엔진이 종래의 디젤엔진을 대체할 것이라고 예상하고는 차세대 친환경 엔진으로 꽤나 가시적인 성과를 내어 놓았습니다. 


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 2002년에 7시리즈를 베이스로 한 BMW 750hl를 선보였고, 불과 5년 뒤에 양산형인 Hydrogen 7을 출시하였습니다. V12 6.0L 듀얼 퓨얼 엔진을 장착하여 가솔린과 수소 두 가지 연료를 다 사용할 수 있는 인상적인 스팩을 가지고 있습니다. 




 문제는 가격과 연비였는데, 가솔린이 7.2Km/L 였던 반면, 수소는 2Km/L의 극악의 연비를 보여주었지요. 가격 역시 12만 달러, 우리 돈으로 1억 4천만원을 호가하여, 대량 생산으로 이어지지는 못했습니다.


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 일본 업계에서는 의외로 마쯔다가 수소엔진 개발에 열을 올렸습니다. 남들이 다 포기한 로터리엔진을 상용화할 정도로 기술력도 있고, 뭐랄까 고집이라고 할까요. 약간 기술덕후의 냄새가 풍겨서인지 BMW보다 훨씬 빠른 1991년 수소엔진을 개발해 선보이기 시작했습니다. 



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 하지만 역시 수소 충전소 인프라의 문제 때문에 BMW와 같이 가솔린과 수소를 같이 쓰는 방향으로 차량을 개발해 왔고, 2003년 등장한 RX-8 Hydrogen RE의 경우 가솔린이 메인에 수소는 보조해주는 정도의 성능을 가지고 있습니다.






이번 글에서는 수소 연료전지와 수소 엔진에 대해 간략하게 짚어 보았는데요. 


 수소 연료의 문제점에 대해 깊이 다루려다 보니 글이 길어지는군요. 다음 편으로 연결해야 할 것 같습니다. 


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 전기차 까지 도맷금으로 넘겨서 ‘친환경차는 과연 친환경이라고 할 수 있을까’ 라는 논쟁에 대해 짚어보겠습니다. 우선 간단한 글로 두 세 호흡 쉬어가고 다시 올리도록 하겠습니다.








Posted by 위저드아이언 wizard_IRON