1810년 2월 24일은 헨리 캐번디시가 생을 마감한 날입니다. 헨리 캐번...누구라고요? 헨리 캐번디시는 영국 화학자이자 물리학자인데요. 수소 발견이라는 큰 업적을 남겼습니다.
수소는 16세기에 연금술사 팔라켈수스가 금속과 강산을 섞어 처음 만들었지만 새로운 화학원소임을 알지 못했습니다. 수소 기체를 개별적인 물질로 처음 인식한 사람이 헨리 캐번디시입니다.
그는 수소와 산소 혼합물에 전기를 흘리면 물과 질산이 발생한다는 것도 발견했는데요. 수소, 산소, 전기. 뭔가 떠오르지 않나요? 수소와 산소를 반응시켜 만든 전기를 활용하는 '수소연료전지차'가 떠오르는군요.
연료전지차, 수소자동차 등 여러가지 용어로 부르는데요. 우리는 줄여서 '연료전지차'라고 쓰겠습니다.
# 작은 거인 수소
수소는 원자번호 1번으로 무게가 가장 가볍습니다. 가볍다고 해서 결코 무시해서는 안 됩니다. 수소 1kg을 산소와 결합하면 무려 3만 5,000kcal의 에너지가 나온다고 합니다.
이는 수소와 같은 무게에 해당하는 부탄, 휘발유, 프로판가스, 등유, 경유가 내는 에너지의 약 3배에 해당합니다. '작은 거인'이라고 불러도 될 만큼 어마어마한 에너지를 가지고 있군요.
수소는 무엇보다 무제한 사용가능한 무한에너지라는 점이 가장 매력적입니다. 수소는 물을 전기분해해 얻는데요. 수소가 산소를 다시 만나면 전기를 발생시키고 물로 되돌아가기 때문에 무한정 사용 가능합니다.
# 연료전지차 구조
연료전지차는 어떤 구조일까요? 당연히 '엔진'은 없습니다. 기본적으로 수소탱크, 연료전지, 보조배터리, 직류를 교류로 바꿔주는 인버터, 공기공급기로 구성됩니다. 자 그럼 단계별로 구동 원리를 살펴보겠습니다.
# 연료전지차 구동 과정
1단계 : 수소저장장치 저장된 수소가 연료 전지로 공급됩니다.
2단계 : 밖에서 공기공급기로 들어온 산소도 연료전지로 들어옵니다.
3단계 : 연료 전지 안에서 산소와 수소가 반응을 일으켜 전기를 생산합니다.
4단계 : 발생된 전기가 모터와 배터리로 공급됩니다.
5단계 : 차가 움직이기 시작하고 물이 배출됩니다.
# 전기자동차와 어떤 점이 다를까?
자, 구동원리를 살펴보니 연료전지차도 결국 전기에너지로 모터를 구동하는군요.
전기자동차는 스스로 전기를 생산하지 못해 전기를 미리 충전해야만 합니다. 반면, 연료전지차는 스스로 전기에너지를 생산하기 때문에 수소만 충전돼 있다면 전기를 만들면서 이동합니다.
수소 충전은 휘발유 주입 시간과 별 차이가 없습니다. 3~5분 정도면 '만땅'으로 채울 수 있죠. 전기 배터리는 충전하는데 30분 정도 걸리는 반면, 수소는 3~5분이면 수소탱크를 가득 채울 수 있다고 합니다.
또한, 충전소가 일반적인 주유소와 비슷하게 생겼기 때문에 처음 이용하는 사람도 쉽게 이용할 수 있습니다.
# 수소탱크 폭발에 대한 우려
수소는 가볍고 연소하기 쉬운 기체로서 정전기, 불꽃 등에 쉽게 점화되는 특징이 있습니다. 1930년대 독일이 운용했던 거대 비행선힌덴부르크호의 경우 수소를 채우고 다녔는데요. 정전기 때문에 폭발하고 말았죠.
수소는 매우 가볍기 때문에 엄청나게 빠른 속도로 확산됩니다. 누군가 몰래 뀐 방귀 확산 속도보다 훨씬 빠릅니다. 불이 잘 붙는데다 확산까지 빠르므로, '폭발'이 일어나죠. 그래서 많은 이들이 연료전지차의 폭발 위험성을 우려합니다.
# 수소용기 안전성
하지만, 각 자동차 회사들과 관련 업계에서는 수소탱크 안전을 확보하기 위해 많은 노력을 기울이고 있습니다. 수소를 가득 채운 탱크를 높은 곳에서 떨어뜨리는가 하면, 묵직한 대형 연장으로 엄청난 충격을 가하기도 합니다. 총을 쏘기도 하죠.
앞서 밝혔듯, 수소는 무게가 가볍고, 기체 상태로 존재하기 때문에 어딘가에 넣어두려면 큰 부피를 차지할 수 밖에 없습니다. 엄청난 압력으로 압축하거나 액화시켜 저장해야 하는데요. 현재 통용되는 수소탱크는 약 700기압으로 저장합니다.
지구에 발을 딛고 있는 우리가 느끼는 기압이 1기압이므로, 공기가 우리를 700배로 누르는 힘이라고 생각하면 됩니다. 엄청나죠.
그렇기 때문에 수소탱크에 구멍하나라도 날 경우, 그 순간 모든 수소가 탱크를 빠져나가게 됩니다. 4인승 차에 20명을 태우면 문 열자마자 사람이 쏟아져 나오는 것과 같은 원리죠.
자동차용 수소탱크는 1400기압 파열 시험, 극한 온도 반복 시험, 화염 노출 시험, 낙하 시험 등 20여가지 테스트를 통과한 용기만 사용된다고 합니다.
수소차를 개발하는 자동차 회사들은 수소차에 불이 붙고 폭발하고 그럴 여유가 없기 때문에 안심해도 된다는 입장입니다.
# 연료전지차 활용 범위
연료전지차가 각광 받는 이유는 또 있습니다. 연료전지차의 공기공급기는 연료전지에 깨끗한 산소를 공급하는데요. 불순물이 들어가면 안 되기 때문에 일반 차량에 장착되는 필터 보다 훨씬 성능이 우수한 공기 필터를 씁니다.
공기 필터가 일부 미세먼지를 걸러내지 못하더라도 '가습 과정'에서 추가로 미세먼지가 줄어든다고 하는군요. 황산화물을 포함한 화학물질도 상당부분 정화가 가능하다고 합니다.
그렇다면 여기서 누릴 수 있는 효과는? 바로 '대기정화'입니다. 매연만 뿜던 자동차가 이제는 달릴 때 마다 공기를 정화하는 거죠.
연료전지차는 미니 발전소 역할도 합니다. 다른 차에 전력 공급이 가능한 것은 물론, 정전 시, 가정에 전력을 공급해주는 역할도 할 수 있습니다. 수소요금보다 전기요금이 비싸다면 전기를 내다 팔 수도 있겠군요.
온실가스 감축 효과도 커 수소자동차를 100만 대 운행할 경우 이산화탄소 배출량이 연간 210만 톤가량 줄어든다고 합니다.
전문가들은 2030년경이면 친환경 자동차가 기존 내연기관 자동차 판매를 앞지를 것으로 예측하고 있는데요. 수소 인프라를 구축하고, 안전성을 입증한다면 수소자동차가 전기자동차를 넘어서서 내연기관을 대체할 수 있지 않을까요?
수소자동차를 타고 깨끗한 공기와 공존할 수 있는 날도 머지않은 것 같습니다. 이웃나라 중국에서 얼른 상용화 되길!
박소민 ssom@carlab.co.kr
신동빈 everybody-comeon@carlab.co.kr