수소연료전지 전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle 이하 수소전기차)는 아시다시피 수소연료와 산소의 전기화학반응을 이용해 화학적 에너지를 전기와 열에너지로 변환시켜 주는 연료전지(Fuel Cell Battery)로 구동되는 전기구동차입니다. 고전압배터리의 전원을 이용해 전기모터를 구동시키는 전기차와 달리 연료전지 스택에서 공기와 수소의 화학작용으로 인해 발생되는 전원을 이용해 전기모터를 구동하기 때문에 전기차와는 비슷하면서도 조금 개념이 다른 전기구동차라 할 수 있지요. 

수소전기차의 작동원리는 우선 수소저장탱크의 수소가스가 연료공급시스템을 통해 연료전지스택으로 공급되고 공기공급시스템을 통해 연료전지스택으로 들어온 산소와 화학반응 통해 전기에너지를 발생시킵니다. 이렇게 연료전지스택에서 발생된 전기에너지는 인버터를 통해 구동모터에 전원을 공급하고, 전기모터가 구동 휠을 돌려 차량을 움직여 줍니다. 

고전압배터리는 주행상황에 따라 가속 등 큰 힘이 필요할 때 구동모터에 추가적인 전원을 공급하는 등 연료전지스택의 전원을 보조해 주는 역할을 합니다. 또한 차량이 감속 또는 제동할 때 회생제동을 이용해 고전압배터리를 충전해 주지요. 수소전기차의 구조는 다음과 같이 구동모터와 연료전지스택, 수소저장시스템, 고전압배터리, 제어시스템 등으로 구성되어 있는데요. 요즘 다시 주목을 받고 있는 수소전기차의 작동원리를 알아 볼까 합니다.  

수소전기차의 핵심이라 할 수 있는 연료전지시스템

연료전지시스템=연료전지시스템은 연료전지스택(Fuel Cell Stack)과 연료공급시스템, 공기공급시스템, 열관리시스템으로 구성되어 있습니다. 연료공급시스템은 연료전지스택에 수소를 공급하는 장치이며, 공기공급시스템은 공기압력과 공기량을 조절해 연료전지스택에 공급해 주는 역할을 합니다. 열관리시스템은 연료전지스택에서 산소와 수소가 반응할 때 생성되는 열을 냉각시켜 주는 역할을 하지요.

연료전지스택은 수소와 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 만드는 핵심장치라 할 수 있습니다. 연료전지스택은 전기생산을 위해 수소와 산소의 화학에너지를 각각 수소극과 공기극에 공급해 연속적으로 변환시키는 전기화학장치로, 각각 분리판(bipolar), 기체확산층(GDL) 및 막-전극 접합체(MEA)로 구성된 여러 개의 단위 셀을 조합한 것을 스택어셈블리라고 부릅니다. 

이러한 스택어셈블리는 공기압축기에 의해 공급되는 공기와 수송탱크에 의해 공급되는 수소연료를 이용해 250~450V의 전기를 생성합니다. 이때 전기에너지를 생성하면서 발생되는 수분은 공기배출구를 통해 외부로 배출되며, 연료전지스택의 모든 셀을 통과한 후 사용되지 않은 수소는 재순환됩니다.

연료전지스택은 수소와 산소의 화학반응 과정에서 열이 발생하므로 연료전지스택 전용 냉각수를 순환시켜 시스템을 식혀줍니다. 연료전지스택에서 산소와 수소가 전기화학반응을 할 때 발생되는 열을 낮춰주는 역할을 하는 열관리시스템은 연료전지스택 냉각펌프, 라디에이터 미츠 쿨링 팬, 이온탈거장치, 실내 히터코어, 온도센서 등으로 구성됩니다. 

연료전지스택 냉각펌프는 240V 이상의 고전압을 사용하며 인버터에 의해 구동되며, 연료전지 차량 컨트롤유니트(FCU)는 연료전지스택 입구와 출구에서 측정된 온도를 기초로 연료전지스택 냉각펌프를 제어합니다. 이외에도 연료전지 차량 컨트롤유니트(FCU)는 내연기관의 ECM처럼 수소전기차의 주요시스템을 전반적으로 제어하고 있기도 합니다.  

연료전지스택 냉각수 필터는 연료전지스택 냉각수로부터 이온을 포집하는데, 연료전지스택 냉각수가 너무 많은 이온을 가지고 있는 경우 절연저항이 저하될 수 있기 때문이지요. 

17가지의 안전테스트를 거쳐야 하는 수소저장탱크

수소저장탱크=수소저장탱크는 일반적인 LPG 차량용 용기와 달리 합금실린더에 탄소섬유를 감아 제조한 뒤 탄소섬유 외부를 다시 고강도 유리섬유로 감싼 구조로 용기두께가 약 10cm에 달합니다. 또한 파열시험을 비롯해 극한반복 가압테스트, 화염테스트, 총격테스트, 낙하테스트 등 17개 항목의 안전인증을 통과해야 사용할 수 있을 만큼 높은 안전성이 요구되지요.

현재 국내에 판매중인 수소전기차 넥쏘의 경우 156.6ℓ 용량으로 6.33kg의 수소를 저장할 수 있으며, 투싼ix FCEV의 경우 140ℓ 용량으로 수소 5.64kg을 저장할 수 있습니다. 

수소전기차의 발전기 역할을 하는 구동모터 시스템

구동모터 시스템=수소전기차의 구동모터는 연료스택으로부터 공급된 전기에너지를 기계에너지로 변환해 차량주행에 필요한 출력과 토크를 제공하며 차량이 감속하거나 제동 때에는 고전압배터리를 충전하기 위해 회생제동을 통해 전기에너지를 생성하는 발전기 역할을 합니다. 

넥쏘에 적용된 구동모터는 120kW급 수냉식 영구자석형 구동모터로 최대출력 120kW, 최대토크 395Nm의 성능을 갖추고 있지요. 이밖에 모터컨트롤유니트(MCU)는 구동모터의 토크를 제어하는 역할을 하며 인버터 내부에 위치하고 있습니다. 구동모터 상부에 위치한 인버터는 고전압배터리의 고전압 직류전압을 3상 교유전압으로 변환해 구동모터의 토크 및 속도를 제어해 줍니다.

수소전기차는 구동하는 동안 구동모터와 MCU, 고전압정션박스, DC-DC컨버터(LDC 및 BHDC) 등에서 고온이 발생하는데 전자식 워터펌프(EWP)가 전장냉각수를 순환시켜 시스템을 냉각시켜 줍니다. 이처럼 수소전기차는 연료전지를 냉각시켜주는 연료전지 전용냉각수와 고전압시스템 및 공조시스템을 위한 전장냉각수 등 두 가지 냉각수를 별도로 적용하고 있는 것이 특징입니다. 넥쏘의 경우 연료전지스택 전용 냉각수 주입구는 프런트 그릴 왼쪽에 자리잡고 있으며, 전장냉각수 라디에이터는 프런트 그릴 오른쪽에 위치하고 있습니다.

연료전지의 구동력을 보조해 주는 고전압 배터리 시스템

고전압 배터리 시스템=리튬이온폴리머 고전압배터리는 급가속 또는 오르막주행과 같이 차량부하가 많이 걸리는 구간에서 구동모터에 연료전지스택에서 공급되는 전원을 보조해 구동모터에 전원을 추가적으로 공급해 주는 역할을 합니다. 또한 감속이나 제동, 내리막주행 등에서는 회생제동을 통해 고전압배터리의 전기에너지를 충전해 줍니다. 

넥쏘의 경우 고전압배터리는 트렁크 오른쪽 하단에 위치한 쿨링팬이 운전석 2열시트 오른쪽 리어 휠하우스쪽에 위치한 덕트를 통해 차량 실내공기를 빨아들여 고전압배터리를 냉각시킨 다음 트렁크 바닥 아래쪽으로 내보내는 공랭식 냉각시스템을 적용하고 있습니다.

이밖에 고전압 정션박스는 연료전지스택 상부에 위치하며 모든 고전압 커넥터와 연결되어 연료전지스택이 작동하면 고전압을 분배하는 역할을 합니다. DC-DC컨버터인 고전압 직류변환장치(BHDC)는 고전압배터리의 전압을 승압시켜 인버터의 입력전압으로 전달해 주는 역할을 하며, 저전압 직류변환장치(LDC)는 고전압배터리(330V)를 저전압(12V)으로 변환해 12V 배터리 충전 및 인포테인먼트 시스템 등 차량 전장에 사용되는 전원을 공급해 줍니다.

김아롱 칼럼니스트/webmaster@autoherald.co.kr

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