수소 자동차

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현대 넥쏘는 2018년 출시된 현대자동차의 수소전기차 SUV이다.
2015 도요타 미라이는 상업적으로 판매된 최초의 수소 자동차들 가운데 하나이다. 미라이는 도요타 FCV 콘셉트 카에 기반을 두고 있다.[1]

수소 자동차(水素自動車, 영어: hydrogen vehicle, hydrogen fueled car)는 동력의 연료로써 수소를 사용하는 차량이다. 수소 자동차는 수소 차량에 속하며, 수소 차량의 경우 자동차 및 기타 운송차량 외에도 수소 연료 우주발사체를 포함한다.[2]

이러한 차량의 발전 장치는 전동기 구동을 위해 내연기관의 수소를 태우거나(수소내연기관자동차) 연료전지 내에서 수소를 산소와 반응시켜 수소의 화학 에너지역학적 에너지로 변환한다.[3] 운송 연료 공급을 위해 수소를 널리 사용하는 것은 제안된 수소 경제의 필수 요소이다.[4]


구동원리[편집]

수소전기차의 구동원리[편집]

수소전기차는 수소저장 탱크 내 수소를 직접 태워서 에너지를 발생시키는 것이 아니라 수소와 공기 중 산소의 전기화학반응을 통해 전기를 생성하고 생성된 전기로 모터를 돌려 동력을 발생시키는 원리다. 부산물로 물을 배출하며 전기모터 구동으로 소음이 적다.


기타 친환경차와의 차이점[편집]

수소전기차는 저장탱크의 수소와 공기 중 산소를 전기화학반응 통해 생성된 전기를 동력으로 활용하며, 전기차는 전력망의 전기를 배터리에 저장하고 저장된 전기를 동력으로 활용한다. 하이브리드차는 엔진과 배터리를 동력으로 활용하는 차량.

하이브리드차에서 전기차 쪽으로 갈수록 내연기관 대신 모터 사용율이 증가하여 유해배출가스가 없어 더 친환경에 가까워진다. 특히, 수소전기차의 경우 유해배출가스가 없을 뿐 아니라 공기 정화 효과까지 있어 친환경에 가장 부합하는 차량이다.


안전성[편집]

수소전기차의 안전성[편집]

현대차 넥쏘의 경우 ’18년 유로 NCAP ‘가장 안전한 SUV’ 선정 되었으며,[5] 미국의 비영리 자동차 안전연구기관인 고속도로안전보험협회(IIHS)가 실시한 측면 대차 충돌 테스트에서 모두 ‘GOOD’ 등급을 받았다.[6]

수소전기차는 충돌, 화재, 충격시에도 안전하게 설계 되었으며, 긴급한 상황에서는 스택에 수소 공급을 차단하고, 화재나 위험인지 시 탱크에 있는 수소를 대기로 방출하는 안전장치를 갖추고 있다.

또한, 국내외 인증기관[7]으로 부터 으로부터 안정성 평가(14개 항목) 및 수소탱크 인증시험(15개 항목)을 통과하여 출시된다.

● 차량 안정성 평가 (14개 항목) : 후방·전방충돌·화재·고온·저온·고지 등 차량 단위 시험 인증

● 수소탱크 인증 시험 (15개 항목) : 총기·기밀·낙하·가압·화재·고온 시험 등 인증시험 인증

KNCAP US NCAP IIHS Euro NCAP
종합 1등급 5★ TSP+ 5★


넥쏘의 경우 내압용기(수소 저장 탱크)를 포함한 수소연료전지차의 최적 설계를 통해 한국가스안전공사와 영국 교통부 지정 기관, 독일 기술 검사 협회 등 인증 기관으로부터 파열시험, 낙하충격시험, 화염시험, 내화학시험, 총격시험 등 14개 항목에 걸쳐 안전 인증을 받았다.


수소탱크의 안전성[편집]

수소탱크는 고압에서도 잘 견딜 수 있도록 철보다 10배 높은 강도를 가진 탄소섬유 강화 플라스틱으로 제작 되었고, 충격을 완화시켜 주는 장치와 화염에 오래 견디도록 특수 코팅을 적용하여 안전성을 확보했다. (내부압력 최소 1,575기압 이상 버티도록 설계)

기본적으로 차량에 수소탱크가 설치된 상태에서 내연기관 차량과 동일한 조건으로 충돌시험을 진행하여 안전성을 검증했고, 추가적으로 총격시험, 화염시험, 극한온도 반복시험, 투과시험, 낙하시험 등 수소탱크에 대한 인증시험을 두루 실시 했다.

이를 통해 극한의 더위와 추위, 날카로운 물체에 의한 표면 손상, 높은 곳에서 낙하 충격 등 외부 이상 환경에서도 수소탱크의 안전함을 검증했다. (외부 이상 환경에서 875 가압 충전 실험 12,000회 진행)


수소가스와 수소폭탄[편집]

수소전기차의 연료로 사용되는 수소가스는 수소폭탄에 사용되는 중수소·삼중수소와는 반응 원리나 개념이 전혀 다르다. 수소전기차의 연료로 사용되는 수소는 우리가 흔히 말하는 ‘수소(1H)’ 로, 산소와 수소의 단순 화학 반응으로 작동하게 된다. 반면 수소폭탄에 사용되는 중수소(2H)·삼중수소(3H)는 자연상태에서 극소량(0.015% 이하)[8] 존재하며 1억 ℃ 이상의 온도조건에서 핵융합 반응을 일으켜야 폭발할 수 있다.


수소탱크의 수소가스 누출 위험성[편집]

수소탱크는 투과시험, 극한온도 반복시험 등을 통해서 가스 누출 평가 기준에 만족함을 인증 받았으며 평상시 수소가스 누출 위험성은 없다.

다만, 강한 충돌로 수소가 유출될 경우, 안전모드가 작동하여 탱크 내에 있는 고압수소를 대기로 배출하고 스택공급라인은 차단된다. 배출된 수소는 급속히 공기 중으로 확산되는데 수소는 공기보다 14.5배 가벼워 순식간에 대기 중으로 비산, 화재나 폭발위험을 피할 수 있다. (LPG보다 폭발 위험성 낮음)

평가 요소 가솔린 LPG 도시가스 수소
자연발화온도 4 3 2 1
연료특성 4 3 2 1
불꽃 온도 4 2 1 3
연소 속도 1 2 3 4
상대적 위험
(수소=1)
1.44 1.22 1.03 1

※ 출처 : 연료별 상대적 위험도 (한국산업안전공단 MSDS, 미국화학공학회 DIPPR)

공기정화기능[편집]

수소전기차의 공기정화 원리[편집]

수소전기차는 수소와 산소를 전기화학 반응시켜 전기를 얻어 움직이는 차량이며, 연료 전지의 내구 성능 확보를 위해 공기중 먼지와 CO 등 화학물질을 제거한 후에 연료 전지에 공급하게 된다. 이를 통해 공기중 먼지나 화학물질은 3단계 공기정화 시스템을 통해 정화된다.

(초미세먼지의 99.9% 이상이 제거)

①  먼지 및 화학물질을 포집 하는 공기필터에서 초미세먼지 97% 이상이 제거

②  막 가습기(가습막을 통한 건조공기 가습)의 표면에서 초미세먼지가 추가로 제거

③  연료전지 스택 내부 미세기공 구조의 탄소섬유 종이로 된 기체 확산층에서 제거


수소전기차의 공기정화 효과 (현대차 넥쏘 예시)[편집]

- 넥쏘 1만대 운행 시 나무 60만그루와 같은 수준의 탄소저감효과[9]

- 넥쏘 1만대 운행 시, 디젤차 2만대분의 미세먼지 정화[10]

- 넥쏘 1만대 운행 시, 성인 약 4만 9천명에 필요한 공기 정화[11]


미래전망[편집]

수소전기차와 전기차의 미래 전망[편집]

파리기후변화 협정(2015) 이후 환경 규제 및 정책이 강화되고 있어 무공해자동차인 수소전기차와 전기차 시장은 지속적 성장할 것으로 전망된다. 수소전기차와 전기차는 미래 자동차 시장에서 현재 내연기관의 가솔린-디젤 기술과 유사하게 공존할 것으로 예상된다. 배터리 전기차는 단거리 운행과 승용차 개발에 유리하며, 수소전기차는 장거리 운행과 상용차 개발에 유리하다고 볼 수 있다. 수소전기차 기술과 전기차 기술은 서로 단점 보완이 가능하기 때문에 하나의 기술만 존재할 것이라는 단편적인 접근은 무의미하다고 판단된다. 국제에너지기구, 맥킨지, 블룸버그, 마켓앤마켓 등은 2030년 이후에도 수소전기차와 전기차는 공존하는 것으로 전망하고 있다.

수소전기차의 가격 전망[편집]

수소전기차의 가격이 동급 내연기관 및 전기차에 비해 고가인 이유는 연료전지스택 등 핵심부품의 가격이 비싸기 때문. 수소전기차 가격 하락을 유도하기 위해 정부는 기술개발 지원 확대를 통해 핵심부품 국산화율 100% 달성을 추진하고 있다. 아울러 연간 생산능력 확충을 통해 규모의 경제에 따른 생산 원가 하락이 이루어진다면 가격경쟁력 확보가 가능하다고 판단된다.

※ ’19년 현재 정부보조금 + 지자체보조금 + 세제혜택 반영 時 3천만원 중반에 구매 가능


차량[편집]

연료 전지[편집]

같이 보기[편집]

각주[편집]

  1. “Toyota Unveils 2015 Fuel Cell Sedan, Will Retail in Japan For Around ¥7 Million”. transportevolved.com. 2014년 6월 25일. 2014년 6월 26일에 확인함. 
  2. 문 대통령 "내가 수소차 모델"...규제 풀어 수소경제 키운다. YTN. 2019년 1월 18일.
  3. 윤보람. 자원고갈 없고 공기정화 기능까지…수소차의 구동원리는. 연합뉴스. 2019년 1월 17일.
  4. A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis
  5. 유로 NCAP이 선정한 가장 안전한 SUV는? [1]
  6. 넥쏘 안전성 'GOOD' [2]
  7. 국토교통안전공단, 영국 교통부 차량인증국(VCA), 독일 기술검사 협회(TUV) 등
  8. 자연에 존재하는 수소 중 보통의 수소(1H)가 99.983% 를 차지하고 중·삼중수소(2H·3H)는 0.015%를 차지
  9. 중형 SUV 1대 연간 CO2배출량 2.2톤, 나무 1그루 연간 이산화탄소 흡수량 약 35kg
  10. 넥쏘 1km 주행 시 20mg 미세먼지 저감, 디젤 중형 승용차 1km 주행 시 10mg 미세먼지 발생
  11. 성인 1명의 1시간 필요 공기량 : 0.55kg, 넥쏘 1대 1시간 운행시 공기 정화량: 26.9kg (성인 48.9명 소비량)

외부 링크[편집]