수소차 원리 / 수소자동차 뜻

​수소차의 탄생 배경

뉴스를 보다 보면 '탄소배출' 이란 단어를 적지 않게 듣는 요즘 시대가 됐어요. 지구의 온실가스로 인한 지구 온난화 주범이 탄소배출에 있고, 그중 자동차의 탄소 배출량이 가장 많습니다.

 

전기차는 유명해져 많이 아시겠지만, 전기차를 만들기 위해 탄소 배출을 해야 하는 이유 때문에 다른 친환경 자동차로 탄소를 전혀 배출하지 않고, 물만 배출하는 수소차가 있다는 사실, 알고 계시죠?

그래서 오늘은 수소자동차 원리에 대해 알아보겠습니다!

 

교통수단별 탄소배출량

 

수소 연료전지 자동차

흔히 수소차라고 불리는 진짜 이름은 수소연료전지 자동차입니다.

여기에서 연료전지란, 어떠한 연료를 통해 전기를 생성해 내는 전지를 일컫는 말입니다.

즉, 수소를 원료로 전기를 발생시켜 그 전기로 자동차를 구동시키는 전기 자동차의 일종인 셈입니다.

사실 여러분들이 알고 있는 전기차량은 화석 연료나 원자력 발전을 통해 생산된 전기를 원료로 사용하여 실상 친환경차라고 보기는 어렵습니다.

 

 

 

이에 비해 수소차량은 전기차와 동일하게 배터리에 의존하긴 하지만, 고갈 우려가 없는 수소를 태워 전기를 만들어 배출가스 대신 물(H2O)만 내놓기 때문에 운행할수록 공기가 깨끗해집니다. 미세먼지 99.9%를 제거하고 수소차가 1만 대가량 시내를 돌아다니게 되면 시내에 60만 그루의 나무를 심는 효과도 발생합니다.

즉, 수소차 뜻은 이 시대의 완전한 친환경 차량이라 볼 수 있겠습니다.

 

 

수소차 원리 어떤 구동원리일까요?

먼저 수소연료전지 차량의 구조도를 보면서 전체적으로 한번 알아보고 핵심이 되는 원리를 알아보겠습니다.

여기서 중요한 핵심 원리는 바로 연료전지 스택입니다. 그럼, 수소 전기차의 전체적인 구동원리에 대해 알아보도록 하겠습니다. 

 

수소연료전지 전기 발생원리

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1. 차 내부로 외부 공기가 내부로 들어온 뒤, 필터링을 거쳐 순도가 높은 산소를 포집합니다. 이때 수소 충전소에서 자동차 내부 수소탱크로 수소를 충전합니다.

2. 산소와 수소가 연료전지 스택으로 들어옵니다.

3. 연료전지 스택에서 전기를 만들어 내어 부산물로 물(H20)이 생성됩니다.

4. 연료전지 스택에서 생성된 전기를 모터로 보내줍니다.

5. 전기를 통해 모터를 돌려 자동차가 주행됩니다.

6. 물(H20)가 차 밖으로 배출됩니다.

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수소차량에 있는 탱크는 수소만 있다면 언제든지 연료전지를 작동할 수 있으며, 탱크에 수소를 충전하는 시간도 2, 3분밖에 걸리지 않습니다. 급속 충전을 해도 1시간가량 소요되는 전기차와는 다르죠.

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또한 한번 충전시 대략 500km ~ 700km까지 주행할 수 있습니다!

 

 

수소차 원리 연료전지 스택의 구조

연료전지 스택 내에서 전기가 발생되는 과정은 배터리의 방전과 동일합니다.

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배터리와 동일하게 이 연료전지 스택은 두 개의 전극과 그 사이에 수소이온을 전달하는 전해질 막으로 구성되어 있으며, 화학적으로는 산화와 환원 반응이 진행되기 때문입니다.

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배터리와 동일하게 두 개의 극과 극 사이에 전해질막으로 구성되어 있습니다.

두 개의 극 중 수소가 들어오는 극을 연료극이라고 하며, 산소가 들어오는 극을 공기극이라고 합니다.

여기에서 연료극은 음극 - 에 해당하며 공기극은 양극 + 에 해당합니다.

양쪽 극에는 촉매 역할을 하는 백금이 위치해 있죠.

 

 

수소연료전지 자동차 연료전지 스택 전기 발생 원리

1. 먼저 수소 H2가 연료극으로 들어와 백금의 촉매작용을 통해 수소이온과 전자로 분리됩니다.

▶2H2 -> 4H -> 4e-

▶연료극인 음극- 에 해당하는 반응이며, 수소가 전자를 잃었으므로 수소의 산화반응이 일어납니다.

수소는 그 자체로 반응성이 무지 커서 전자를 떼어 놓으려 하는 성향을 지녔는데 이 성질이 이용되는 것이죠.

▶백금은 말 그대로 촉매 반응을 하는 역할이라고 생각하시면 됩니다~

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2. 수소에서 분리된 전자는 외부로 연결된 도선을 따라 흐르면서 전기를 발생시킵니다.

▶ 음극- 에서 양극+으로 전자의 자발적 이동이 발생하는 것입니다.

▶ 전자의 이동 = 전율의 흐름 = 전기 발생

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3. 전자와 분리된 수소 양이온은 전해질을 통해 공기극(양극+)으로 이동합니다.

▶ 전자의 이동에 따른 전체 화학적 균형을 맞추기 위해 수소이온이 이동됩니다.

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4. 공기극에서 주입된 산소와 도선을 타고 온 전자 그리고 전해질을 통해 온 수소이온이 만나 물이 생성됩니다. (양극+)

▶ O2 + 4e- + 4H+ -> 2H2O

▶ 양극에서는 산소 분자가 전자를 얻었으므로 산소의 환원 반응이 발생합니다.

즉, 마이너스로 대전된 산소 분자와 수소이온의 결합으로 물이 생성되는 것이죠.

 

수소연료전지 화학반응

 

 

촉매의 역할 알아보기

먼저 촉매란 반응 과정에서 소모되거나 변하지 않으면서 반응속도를 빠르게 만드는 물질을 말합니다.

반응에 필요한 활성화 에너지를 낮추어 반응을 촉진시키는 역할을 하는 것입니다.

반응에 참여하긴 하지만 반응속도 촉진이라는 역할을 수행할 뿐, 변하지 않고 반응 전의 원래 자신 그대로 남는 물질이 되는 겁니다.

 

백금은 연료전지 스택 안에서 이러한 촉매 역할을 하면서 음극에서는 수소의 이온화를 촉진시키고, 양극에서는 물의 생성을 촉진시키고 있는 것입니다.

 

촉매 기술

 

 

마치며

수소자동차는 이제 필연적인 이동수단이 되어 가고 있습니다. 그 이유는 앞서 말씀드린 탄소배출 문제 때문에 그렇습니다. ​현대자동차 그룹은 2045년까지 탄소중립을 선언했습니다.

 

단순히 엔진이 달린 자동차를 없애겠다는 의미의 선언 이라기보다 그동안 자연이 주는 혜택을 등한시하며 산업혁명 시대를 살아온 대가를 우리는 1000년 만의 대홍수와 50도가 넘는 폭염, 꺼지지 않는 세계 도처의 산불 등 이상기후를 통해 벌을 받고 있다고 생각합니다. 친환경으로 가는 첫 단추인 탄소중립은 그룹 차원에서 먼저 실행을 해줘야 합니다. 우리나라는 현재까지 탄소 깡패라는 오명을 받고 있었습니다. 2020년 10월까지 탄소중립을 선언한 그룹은 LG화학 한 곳뿐이었으니까요. 그것도 메르세데스 벤츠에 배터리 셀을 공급하는 조건이 탄소중립이었기에 가능했던 일이었습니다.  

 

현대 수소 자동차 넥쏘

 

친환경 자동차는 이제는 기술력을 뽐내기 위한 용도로 만들어지는 것이 아닌 지구를 더 이상 아프게 하지 않기 위한 필수 기술이 되어 버렸습니다. 게다가 이상 기후변화의 돌발행동이 지속되면 될수록 기술의 발전 속도에 따라 탄소중립 선언 시기는 앞당겨질 수도 있습니다. 기업 간의 거래에 있어서 필요한 전제조건이 되어 버리고 있으니까요.