수소자동차의 구조와 작동원리 및 장점, 단점을 알아보자

수소 자동차에 대해 설명하기 전에, 우선 수소에너지에 대해 이해하면 좋을 것 같습니다. 수소는 우리 주변에서 가장 흔하게 발견되는 원소로, 수소와 산소가 반응하여 물을 만들면서 에너지를 발생시키는 원리를 이용하는 것이 수소에너지입니다. 이 수소를 에너지로 자동차를 움직이는 것이 바로 수소자동차입니다. 

오늘은 이 수소자동차의 작동원리와 구조 그리고 장점 및 단점을 자세히 알아보겠습니다. 

 

목차

 

수소자동차란?

수소 자동차는 수소를 연료로 사용하여 전기를 생성하고, 이 전기를 통해 자동차를 움직이게 하는 차량입니다. 이를 위해 자동차 내부에는 '연료전지'라는 장치가 설치되어 있습니다. 이 연료전지에서는 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하고, 이 전기로 모터를 구동시킵니다.

전기자동차와의 차이점은 단 하나 배터리에 전기를 직접 충전하느냐 수소를 통해 전기를 만들어 충전하느냐 하는 차이 하나 이며 그 이후 수소차의 작동원리는 전기자동차와 거의 흡사하다 할 수 있습니다.

수소자동차 구조 및 작동원리

수소 자동차의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

연료전지

이것은 수소 자동차의 핵심 부품으로, 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생성합니다. 여기서 생성된 전기는 자동차를 구동하는 데 사용됩니다. 여기서 연료전지에 대해 좀 더 자세히 알아보면 다음과 같습니다.

연료전지란?

연료전지는 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생성하는 장치입니다. 이는 배터리와 비슷하지만, 배터리가 충전을 통해 저장된 전기를 사용하는 반면, 연료전지는 연료를 지속적으로 공급받아 전기를 생성하기 때문에 연료가 공급되는 한 계속해서 전기를 생산할 수 있습니다.

연료전지의 작동 원리를 단계별로 설명하면 다음과 같습니다.
수소 공급: 먼저, 수소가 연료전지에 공급됩니다. 이 수소는 연료전지의 '음극' 쪽으로 흘러가게 됩니다.

수소의 이온화: 수소가 연료전지의 음극에 도달하면, 촉매에 의해 긍정 전하를 가진 수소 이온(프로톤)과 음전자로 분리됩니다.

프로톤의 이동: 이렇게 생성된 수소 이온(프로톤)은 연료전지의 '전해질'을 통해 양극으로 이동합니다.

전기 회로의 생성: 한편, 수소 이온과 분리된 음전자는 외부 전기 회로를 통해 양극으로 이동하게 됩니다. 이 과정에서 전기 에너지가 생성됩니다.

산소와의 결합: 양극에 도달한 수소 이온과 음전자는 산소와 결합하여 물을 생성하게 됩니다.

수소 탱크

수소를 저장하는 공간입니다. 수소는 고압 상태로 압축되어 이 탱크에 저장됩니다.

배터리 팩

연료 전지에서 생성된 전기는 먼저 배터리 팩에 저장됩니다. 이 배터리에서는 필요에 따라 전기를 제공하며, 브레이크 시에는 에너지를 재생산하는 역할도 합니다.

전기 모터

배터리 팩에서 제공받은 전기를 이용해 자동차를 구동하는 엔진입니다. 이는 전기자동차에서 쓰이는 전기모터와 같은 역할을 하며, 내연기관에 비해 효율적이고, 빠른 가속과 높은 토크를 제공합니다.

전력 제어 장치

이는 수소자동차에서 연료전지 다음으로 핵심장치로서 연료전지와 배터리 팩, 그리고 전기 모터 사이의 전기 흐름을 제어하는 역할 및 수소자동차를 움직이는데 필요한 모든 데이터를 수집하여 최적의 운행을 할 수 있도록 하는 두뇌 역할이라 할 수 있습니다.

촉매 컨버터

수소와 산소가 연료전지에서 반응할 수 있도록 촉매를 제공하는 장치입니다. 

수소자동차와 전기자동차의 차이는 앞서 말한 전기 유입의 방법의 차이일 뿐 그 이후 작동원리는 거의 같다고 볼 수 있습니다. 더 자세한 작동원리는 아래 전기자동차 관련 포스팅을 참조하시면 좋을 듯합니다.

 

전기자동차의 구조와 장점 및 단점을 알아보자

 

수소자동차 장점 및 단점

장점

• 환경 친화적: 수소 자동차는 운행 중에 물만 배출합니다. 이는 대기 오염을 일으키는 이산화탄소나 미세먼지 등을 배출하지 않기 때문에 환경에 매우 친화적입니다.
• 빠른 충전 시간: 전기 자동차와 비교했을 때, 수소 자동차는 충전 시간이 훨씬 빠릅니다. 대략 10분 정도면 충전이 가능하며, 이는 기존의 가솔린이나 디젤 자동차와 비슷한 충전 시간입니다.
• 긴 주행 거리: 수소 자동차는 한 번 충전으로 500km 이상을 주행할 수 있습니다. 이는 전기 자동차의 주행 거리보다 훨씬 길기 때문에, 장거리 주행에 더 적합합니다.

단점

• 충전소 부족: 현재 수소 충전소는 아직까지 많지 않습니다. 이로 인해 수소 자동차 사용자들은 충전에 어려움을 겪을 수 있습니다.
• 수소 저장과 운송: 수소를 안전하게 저장하고 운송하는 것은 기술적인 도전과제입니다. 수소는 가볍고 반응성이 높아, 압축하거나 액화하는 과정이 필요하며, 이는 비용이 많이 들고 복잡합니다.
• 연료 전지의 비용: 수소 자동차의 핵심 부품인 연료 전지는 비용이 많이 드는 편입니다. 특히, 연료 전지에서 사용하는 플래티넘 같은 고가의 금속 덕분에 가격이 높아집니다.
• 수소의 생산과정: 현재 대부분의 수소는 천연가스에서 추출되며, 이 과정에서 이산화탄소가 발생합니다. 이로 인해, 수소의 생산 과정이 탄소 중립에 도달하려면 더 많은 연구와 개발이 필요합니다. (수소자동차의 발전에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 단점이라 생각합니다.)

이상이 수소 자동차의 주요한 장점과 단점입니다. 이러한 요소들을 고려하여 수소 자동차의 선택을 결정하시는 것이 중요합니다. 

 

수소자동차의 모든것

 

수소를 만드는 방법

청정에너지 수소는 우리 주변에 흔히 발견되는 원소라 하지만 사실 자연상태에서 순수한 형태로 존재하지 않기 때문에, 다른 물질로부터 추출해야 합니다. 수소를 추출하는 주요한 방법은 다음과 같습니다.

• 천연가스 개질: 천연가스의 주요 구성 요소인 메탄(CH4)을 높은 온도와 압력 하에 증기와 반응시켜 수소를 추출하는 방법입니다. 이 과정에서는 이산화탄소(CO2)가 부산물로 발생하며, 이를 '회색 수소'라고 합니다.
• 전기분해: 물을 전기로 분해해 수소와 산소를 생성하는 방법입니다. 이 과정에서 발생하는 전기가 재생 가능 에너지로부터 나온다면, 이를 '녹색 수소'라고 부릅니다.
• 바이오매스 가스화: 나무, 농산물, 동물 분뇨 등의 바이오매스를 가열하여 가스화시킨 후 이로부터 수소를 추출하는 방법입니다.
• 태양열화학반응: 태양열을 이용해 화학반응을 일으켜 수소를 생성하는 방법입니다. 이는 아직 초기 연구 단계에 있지만, 잠재력이 큰 기술로 여겨지고 있습니다.

각 방법은 그 효율성, 비용, 환경 영향 등에서 장단점이 있으며, 적절한 방법은 사용 목적, 사용량, 사용 환경 등에 따라 달라집니다. 현재로서는 천연가스 개질이 가장 대중적인 방법이지만, 이 방법으로 수소를 만들 때 필연적으로 이산화탄소가 발생하게 됩니다. 이는 '청정에너지 수소'란 말이 무색하게 됩니다.

이에 따라 전 세계 많은 연구원들에 의해 탄소 중립을 목표로 하는 녹색 수소 생산 방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다.

 

 

마무리

처음 수소자동차의 개념이 나왔을 때는 수소를 충전하는 것이 아닌 진짜로 차에 물을 넣으면 내부에서 촉매를 이용하여 수소와 산소로 분리를 시켜 수소를 얻은 후 이 수소를 가지고 다시 물로 합성하는 과정에서 전기를 만들어 내 꿈에 그리던 물로 가는 자동차를 만들겠다 했던 기억이 납니다.

 

정말로 물을 전기분해 없이 촉매만으로 분해하는 연구가 활발했으며 가장 큰 문제는 수명을 다한 촉매를 어떻게 다시 환원과정을 거쳐 되돌리는가에 초점이 맞춰 있었습니다.

결국 현재는 자동차에 기름을 넣듯 수소를 충전해서 움직이는 지금의 수소자동차로 어떻게 보면 기술의 양보를 통해 만들어 낸 것 같다는 생각이 듭니다.

 

미래에는 처음 우리가 상상했던 물로 발전할 수 있는 장치가 만들어질 것이란 기대를 해보며 이 포스팅을 마칩니다. 감사합니다.