[분석] 수소차, 수소연료전지 전기차..뭐가 다를까

'수소차' 2000년대 초만 해도 수소를 연료로 이용하는 자동차는 거리가 먼 기술이자 현실성 없는 단어였다. 하지만 지금은 종종 들려오는 용어가 ‘수소차’이다.

2005년 BMW가 수소를 연료로 쓰는 내연기관 차량을 공개했지만 무거운 수소탱크와 충전소 부족으로 양산에 들어가지 못했다. 국내에서는 2018년 현대차에서 FCEV(수소 연료전지차)인 넥쏘를 양산하면서 ‘수소차’가 일반 소비자의 생활권으로 진입했다.

이전에도 FCEV 테스트 카는 종종 돌아다녔고 해외에서 FCEV 모델 토요타 미라이 출시 뉴스도 들려왔지만 국내에서 수소차 단어가 익숙해지게 된 계기는 넥쏘였다.

현재 출시되는 대부분 수소차로 불리우는 넥쏘, 미라이 등의 차량은 엄밀히 말하면 수소 연료전지차를 의미한다. BMW가 과거 개발했던 내연기관처럼 수소 연료를 폭발시켜 동력을 얻는 방식과 완전히 다른 개념이다.

수소차는 크게 두 가지 방식으로 구분한다. 수소 내연기관 차와 수소 연료전지 차로 나뉜다.

수소 내연기관 자동차는 1990년대부터 본격 연구가 시작됐다. 스위스 발명가 프랑수아 이삭드 리바즈(Francois Issac de Rivaz)는 1806년 산소와 수소를 혼합해 연료로 사용하는 내연기관을 발명했다. 하지만 수소는 보관이 까다롭고 가벼우며, 폭발성이 강해 연소 특성을 제어하기가 어려워 연구에 진전이 없었다.

세월이 지나 90년대 초 미국 친환경차 의무 판매 규제가 예고되면서 수소 내연기관 연구에 힘을 쏟아왔던 BMW는 수소 내연기관 자동차에 개발에 몰두하게 된다.

2005년 세계 최초의 양산형 수소 내연기관 자동차인 하이드로젠 7을 공개했다. 하이드로젠 7은 휘발유와 수소를 번갈아 가며 사용할 수 있는 바이퓨얼 V12 엔진을 탑재했다. 수소 내연기관의 시대가 열리는 듯 했으나 개당 수천만원이 들어가는 액화수소 탱크의 상용화 문제와 나쁜 연비, 여기에 수소 충전소 확충이 어려워지면서 역사 속으로 사라졌다.

이후 이상적인 대안으로 떠오른 것이 전기차 개념이다. 수소를 발전용으로 전환하는 수소 연료전지 차량이다.

수소 연료전지차의 기본 원리는 연료 전지(Stack)에 수소와 산소의 화학 반응을 통해 전기를 생산해 구동모터의 전력으로 사용하는 것. 물을 전기분해 하면 수소와 산소가 발생하는데, 연료전지는 전기분해의 역 반응을 이용한 형태로 이를 이용해 전기를 생산한다.

수소를 직접적으로 폭발시켜 구동하는 내연기관과 달리 안전성이 높고 연료전지를 이용한 발전도 뛰어나 에너지 효율이 높다. 또 연료전지에 사용되는 수소는 전체 수소 중 약 99%를 차지하는 경수소라 사람들이 우려하는 폭발 위험성도 현저히 낮은 편이다.

경수소가 폭발하려면 누출된 수소가 공기 중으로 비산되지 못하고 밀폐된 공간 안에 갇혀 급격하게 가스가 누출되어야 하지만 이럴 가능성은 거의 없다.

또 수소 연료전지에 사용하는 수소 탱크는 100년 이상 된 신뢰도가 높은 기술이다. DIPPR(미국화학공학회)의 ‘연료별 상대적 위험도’ 논문에 따르면 휘발유나 천연가스 대비 20% 이상 안전한 것으로 밝혀졌다.

수소 연료전지차의 주행 상황에 따른 구동 원리는 하이브리드 차량과 매우 유사하다. 평지에서는 차량에 부하가 적을 경우, 연료전지에서 생산된 전기로 모터를 구동한다. 오르막 주행 같은 차량에 부하가 클 경우, 연료전지의 전기 생산량을 높여 모터에 공급되는 전압을 높인다.

또한, 연료전지에 생산된 전기가 부족할 경우 고전압 배터리에 저장된 전기를 추가로 사용하여 모터를 구동한다.

내리막 같은 차량에 부하가 없을 경우, 연료전지로 공급되는 연료를 차단하고 연료전지 발전을 정지시켜 수소의 불필요한 소모를 방지한다. 이 때 회생제동으로 전기를 생산해 고전압 배터리를 충전, 대기 전력으로 활용된다.

일반 전기차에 비해 수소 전기차는 발전기 역할을 하는 연료전지가 있어 수소만 있다면 곧바로 구동에 필요한 발전이 가능하다. 수소 또한 기존 가솔린 연료처럼 충전하는데 5분 정도로 전기차와 달리 충전 스트레스가 적다.

하지만 단점도 명확히 존재한다. 수소 연료전지차 가격이 배터리 전기차보다 20~30% 비싼데다 아직까지 기술적 한계로 일반 전기차 대비 출력이 낮다. 여기에 아직까지도 수소 충전 인프라 네트워크가 촘촘한 편이 아니라 거주지에서 벗어나 장거리를 주행할 경우 불불편함이 발생된다.

수소 충전소 설치에는 20억~30억원 비용이 발생 돼 인프라 확충에 여전히 어려움이 있다. 평균 수소 가격도 8000~9000원인 것도 문제다. 넥쏘 기준으로 내연기관 대비 20% 정도 연료비 절약에 그친다는 것도 아쉬운 점이다. 이 역시 정부 지원으로 현재의 수소 값이 유지가 되고 있는데 향후 지원이 축소된다면 기존 휘발유보다 더 연료비가 비싸질 것으로 보인다.

이러한 단점에도 불구하고 현대차를 비롯해 토요타가 수소 연료전지 차를 포기하지 않는 것은 현행 일반 전기차 배터리 발전의 한계와 배터리 공급망에 대한 리스크로 전기차 시장이 축소될 경우를 대비하기 위해서다. 이떄 수소 연료전지 차로 발을 돌리기 위한 차선책으로 보여진다.

앞으로 수소 충전 인프라와 연료전지 생산단가 절감이 이루어진다면 수소 연료전지 차는 향후 좋은 대안이 될 수 있을 것으로 보인다.

이재웅 에디터 jw.lee@carguy.kr