부품 이야기

수소연료시스템이 깨끗한 공기 뿜어내
수소차 넥쏘 10만대 2시간 달리면
854만명 1시간 호흡할 청정 공기 생산
현대모비스가 최근 충북 충주공장에 설치해 일반 시민에게 연말까지 무상으로 개방한 수소 충전소.  현대모비스 제공

현대모비스가 최근 충북 충주공장에 설치해 일반 시민에게 연말까지 무상으로 개방한 수소 충전소. 현대모비스 제공

수소전기자동차는 최근 국민 건강을 심각하게 위협하는 초미세먼지를 완화하는 데 일조할 것으로 기대되고 있다. 수소전기차는 전기차와 구성은 비슷하지만 구동모터 등에 공급하는 전력에너지를 발전하는 ‘수소연료전지시스템’을 추가로 장착한 차량이다. 이 시스템은 연료전지스택, 수소공급장치, 공기공급장치와 열관리장치로 구성된다.

수소전기차는 공기 중의 산소와 연료인 수소를 전기화학 반응을 시켜 전기를 생산한다. 구체적인 과정은 이렇다. 수소가 전자를 내준다. 전자를 내준 수소는 산소와 결합해 물이 되는데, 분자구조를 안정화하기 위해 내어준 만큼의 전자를 다시 끌어들인다. 여기에서 전자의 흐름, 즉 전류가 발생하고 차량의 배터리시스템에 축전하는 등 차량 구동에 필요한 전력을 공급한다.

수소전기차는 이러한 ‘전기화학적 산화환원 반응’을 유도하기 위해 순도 높은 산소를 필요로 한다. 이 때문에 자체적으로 대기의 공기를 정화하는 시스템이 사용되고 있다. 공기정화 작용은 다음의 과정으로 진행된다. 차량에서 공기를 빨아들여 1차로 공기필터에서 초미세먼지를 97% 이상 제거한다. 초미세먼지는 다시 스택에 습도를 유지하는 막 가습기를 통과하며 정화된다.

막 가습기는 가습막을 통해 건조한 공기를 가습하는 장치다. 산화환원 반응 중 수소이온이 원활히 이동할 수 있도록 최적의 습도를 유지하는 역할을 맡는다. 막 가습기의 막 표면적은 25㎡, 길이는 4㎞에 달한다.

초미세먼지는 최종적으로 연료전지 스택 내부의 기체확산층을 통과한다. 연료전지는 내부로 공기를 넣어줄 때 탄소섬유 종이로 된 기체확산층을 통과시킨다. 기체확산층은 미세 기공 구조로 돼 있다. 이 과정에서 초미세먼지의 99.9% 이상이 제거된다.

현대자동차의 수소전기차 넥쏘 10만 대를 2시간만 운행해도 성인 854만 명이 한 시간 동안 흡입할 수 있는 청정공기를 생산할 수 있다. 이는 서울 인구의 86%에 달하는 규모다. 대당 수소연료전지 2기를 장착하는 수소전기버스는 수소전기승용차보다 공기청정 효과가 높다. 서울시는 2025년까지 수소전기버스 288대를 도입하기로 밝히는 등 수소연료전지를 활용한 대중교통시스템을 대폭 확대하고 있다.

현대모비스가 올해 초 충북 충주공장에 구축한 ‘수소연료전지를 활용한 비상발전시스템’은 이러한 연료전지시스템 5기를 연결한 것이다. 건물용 수소전력시스템에서도 공기청정 효과가 발생한다. 충주공장은 세계 최대 규모의 수소연료전지시스템 일관 생산체계를 갖추고 넥쏘에 수소연료전지시스템을 공급하고 있다.

한편 수소연료전지시스템은 공기정화 기능과 함께 수소와 산소 반응의 부산물로 물 밖에 배출하지 않는 등 궁극의 친환경 엔진으로 기대를 모으고 있다. 이를 장착한 수소전기차는 전기차와 비교해 충전시간이 최소 10분의 1 수준인 3분밖에 소요되지 않는다. 충전 비용은 전기차의 절반에 불과하는 등 경제적인 이점도 크다.

수소전기차의 생산 물량이 연간 10만 대 수준에 달하면 내연기관차 수준인 4000만 원대까지 가격이 하락할 것으로 예상된다.

정부는 이 시점을 2025년께로 내다보고 있다.

현대모비스 기술연구소

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