▲ 그림 1. 무공해 친환경차 및 구조

전기차,수소전기차란

친환경 자동차는 전기 자동차(이하 전기차), 태양광 자동차, 하이브리드 자동차, 수소전기 자동차(이하 수소전기차)다. 이 중에서도 탄소 중립을 위해서는 전기차, 수소전기차의 보급이 필수적이다. 이들 차량에서는 이산화탄소가 전혀 배출되지 않기 때문이다.
위 <그림1>처럼 전기차와 수소전기차는 화석 연료를 태우는 내연 기관이 없고 모터만을 이용하여 바퀴를 움직인다. 하지만 전기차와 수소전기차는 전기 공급 방식에 차이가 있다. 먼저 전기차는 간단한 구조로 외부에서 전기를 충전할 수 있는 배터리를 이용하여 모터를 구동한다. 반대로 수소전기차는 수소 연료 탱크를 장착하고 수소와 공기 중의 산소를 결합하는 연료전지 시스템을 통해 전기를 만들어 모터를 움직인다. 수소전기차는 10분 이내의 빠른 연료(수소) 충전 시간, 무공해 배출, 500km 이상의 운행 거리 확보 등이 장점이다. 수소충전소가 주유소처럼 충분히 확보된다면 내연 기관차와 같은 운행 방식으로 이용할 수 있다.
수소전기차에서 전기를 발생시키는 연료전지 시스템은 크게 세 부분으로 이루어져 있다. ①수소 연료 공급, 공기 정화 및 물 관리를 진행하는 기계적 연료 공급 장치 ②생성된 전기를 모터로 공급될 수 있도록 하는 전기적 장치, 그리고 ③실제로 전기를 발생시키는 스택 장치다. 스택은수백 장의 단위전지(막전극접합체)와 전류를 집전하고 가스 연료를 공급하는 분리판으로 구성돼 있다.
단위 전지 안에는 <그림2>처럼 수소를 산화하여 전자를 떼어내고 산소를 환원시켜서 물로 만드는 촉매로 이루어진 양극과 음극이 있다. 그리고 두 전극 사이에는 양성자를 전도해주는 전해질 막으로 구성되어 있다. 촉매는 전기화학 반응의 활성 에너지를 낮게 만들어서 반응이 잘 일어나게 하는 물질이다. 높은 산길을 넘어갈 때 산 정상을 넘어가지 않고 산 중턱에 터널을 뚫어서 빨리 지나가는 것과 같은 원리다. 양성자를 통과시키는 전해질 막은 고분자 소재가 사용된다. 그렇지만 연료전지의 용도나 작동 온도에 따라서 이용되는 물질(전해질)들이 달라진다.

▲ 그림 2. 연료전지 개요도

연료전지에 대한 관심 높아져

우리나라의 수소경제 활성화 로드맵에 따라 정치용(발전용) 연료전지와 수송용 연료전지에 대한 관심이 높아지고 있다. 연료전지는 고분자를 전해질로 이용하는 고분자 전해질막 연료전지, 액체인 인산과 알칼리 용액을 전해질로 이용하는 인산형 연료전지, 알칼리 연료전지, 고 체인 용융탄산염과 고체산화물을 전해질로 이용하는 용융탄산염 연료전지, 고체산화물 연료전지 등으로 구분할 수 있다. 이런 다양한 연료전지들은 크게 3가지의 응용 분야(휴대용, 정치용, 수송용)로 구별될 수 있다. 또한 작동 온도와 출력에 따라서 <그림 3>과 같이 분류할 수 있다.
<그림3>에서 보는 것처럼 발전용 연료전지는 인산형, 용융탄산염, 고체산화물 연료전지로 구성돼 있다. 이들은 각각의 특색을 발휘한다. 이는 발전 사업자의 신재생 에너지 발전 의무(RPS: RenewableEnergy Portfolio Standard)에 의해서 설치된다. 또한 수소 연료전지 발전 의무화 제도 (HPS: Hydrogen Portfolio Standard)가 독립적으로 시행되면 발전용 연료전지 시장이 지속적으로 확대될 것으로 예상된다. 도시가스를 태워서 가스터빈을 돌리는 가스 발전에 비해 이산화탄소 발생량도 40% 적다. 질소산화물(NOx)나 황산화물(SOx) 같은 대기 오염 물질도 전혀 배출하지 않는다. 또한 태양광이나 풍력에 비해서 설치 면적이나 운전 시간 면에서 높은 효율성을 가지고 있다. 발전용 연료전지는 도심이나 도심 근교의 분산 발전소로는 최적의 수단이 된다.
우리나라는 전 세계에세 가장 큰 분산형 연료전지 발전 시장을 가지고 있고 앞으로도 지속적인 설치가 이루어질 것으로 보인다. 현재 열병합이 좋은 곳은 인산형 연료전지 전기 발전 효율을 강조하는 곳에서는 고체산화물 연료전지가 선호되고 있다. 규제 시장을 넘어 발전용 연료전지 시장을 확대하기 위해서는 수명을 크게 늘리고 규모의 경제를 이루어서 설치 가격과 발전 단가를 낮추는 노력이 필요하다.

▲ 그림 3. 연료전지의 응용 분야

수소전기차의 비전

수소경제 활성화 로드맵에 따라 현대자동차의 2세대 수소전기차인 ‘넥쏘’가 활발하게 보급이 되고 있다. 이 차는 2019년에만 4,803대가 팔렸다. 넥쏘는 현재 수소전기차 시장의 63%를 점유하고 있다. 일본 도요타의 수소전기차를 앞선 것이다. 현대자동차는 수소전기차에 만족하지 않을 기세다. 실제 물류센터에서 사용되는 지게차, 수소 트램, 드론, 심지어 선박까지 시장을 확장하기 위한 비전을 제시하고 있다.
하지만 수소전기차 보급은 1년에 수천 대 수준으로 아직 시장이 활발한 것은 아니다. 주원인은 비싼 차량 가격과 수소 충전소 인프라 부족에 있다. 현대자동차에서는 지속적인 연구 개발과 대량 생산을 통해서 가격을 낮출 예정이다. 2030년 수소전기차 차량 가격을 하이브리드 차량과 비슷하게 형성하는 게 목표다. 이를 위해 코하이젠(Kohygen) 설립을 통해서 적극적으로 수소 충전소를 확보할 계획이다. 코하이젠은 상용차 수소충전소를 설치하기 위한 정유 가스 회사들이 참여한 단체다. 2020년 말 기준으로 고속도로 휴게소 8곳을 포함하여 50여 개의 수소충전소가 운영 중이다.
향후엔 수소가 재생 에너지인 태양광, 풍력발전의 출력 제한에 의해서 버려지는 초저가격 전기를 활용한 물 전기분해를 통해 생산될 것으로 기대된다. 현재 천연가스에서 얻는 그레이(Grey) 수소에서 녹색(Green) 수소로 바뀌어서 진정한 친환경 연료전지가 보급되는 것이다. 우리 일상으로 다가올 2050년 탄소중립 사회를 기대한다.