수소전기차(FCEV)는 수소로 전기를 발전시켜 모터에 공급하면서 차량을 구동한다. 무한한 자원인 수소와 공기를 반응시켜 전기를 만드는 과정에서 수증기만 배출하고 이산화탄소나 미세먼지 등을 전혀 배출하지 않는 궁극의 친환경차다.
FCEV 핵심은 △수소전지스택 △수소공급장치 △공기공급장치 △열관리장치로 구성된 '수소전지시스템 모듈'이다. 수소전지스택은 실질적인 전력 발전이 이뤄지는 장치로 FCEV 원가의 40%를 차지하는 고가의 핵심 부품이다. 기본 구성은 막전극접합체(MEA, Membrane Electrode Assembly)를 횡방향으로 수 백개 배열한 것이다. 각각의 막전극접합체는 이온을 이동시키는 전해질막을 가운데 두고 연료극(음극)과 공기극(양극)을 양 옆으로 포갠 형태의 부품이다.
수소를 활용한 전력발전은 '전기화학적 산화환원 반응'을 통해 이뤄진다. 산화환원은 물질이 전자를 내주는 산화(e-)와 다시 전자를 받아들이는 환원(e+) 반응이 동시에 이뤄지는 것을 말한다.
수소전지 발전 원리는 부메랑을 연상하면 이해하기 쉽다. 수소가 전자를 내준다. 전자를 내준 수소는 산소와 결합해 물이 되는데 분자구조를 안정화하기 위해 내어준 만큼 전자를 다시 끌어들인다. 여기에서 전류가 발생된다. 전기에너지가 발생되는 이치는 볼타(Volta) 전지와 동일하다. 볼타전지와 마찬가지로, 막전극접합체가 많이 적용될수록 전력 발전량도 늘어난다.
수소공급장치 제어기가 가속과 변속 등 운전자의 의지와 배터리 충전 상태 등 차량상태를 분석해 수소 공급량을 결정한다. 이런 정보를 바탕으로 수소제어밸브가 열리고 수소탱크에 저장된 고압의 수소(700bar)가 수소전지스택으로 공급된다. 공급된 수소는 막전극접합체의 카본망을 통과하면서 10억 분의 1미터(nm)단위로 적용된 백금입자 등의 촉매작용으로 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다.
분리된 수소이온과 전자는 각각 전해질막과 별도의 회로를 경유해 반대편의 공기극으로 이동한다. 공기극에서 수소이온은 산소를 만나 물(H2O)이 생성되고 그 과정에서 전자가 분자결합을 돕는다. 결합 과정에서 발열반응이 일어나는데 냉각수로 100도 이하의 운전조건을 유지한다. 산소와 결합하지 못한 수소는 재순환된다. 전해질막은 수소이온이 원활히 이동할 수 있도록 최적의 습도를 유지한다.
현대모비스 관계자는 “수소를 통한 전력발전은 연소반응과 달리 전기화학적 반응이기 때문에 매우 안전하다”면서 “최근 개발된 수소전지시스템 모듈의 경우 현대자동차와 협업으로 시스템 무게를 10% 가까이 줄였고 출력 성능도 15% 개선했다”고 설명했다.
현대모비스는 최근 700억원을 투입한 충주 신공장을 완공하면서 각종 핵심부품들이 결합된 '파워트레인 수소전지 통합모듈'을 연간 3천대 생산할 수 있는 첨단 생산설비를 갖췄다. '파워트레인 수소전지 통합모듈'은 '수소전지시스템 모듈'에 구동모터, 전력변환장치 등 FCEV에 핵심적인 전력계 및 구동계 부품을 한데 조립한 것이다.
FCEV는 여러 전기차 종류 중 하나다. 전기차는 지난해 누적 판매량이 100만대를 돌파하는 등 FCEV 대비 우위를 점하고 있지만 중국이 FCEV를 지원하기 시작하면서 이와 같은 판도가 바뀔 수 있다는 분석도 나오고 있다. 실제 중국 정부는 지난해 2030년까지 FCEV 백만대, 수소충전소 1천기 보급 계획을 밝힌 바 있다.
류종은 자동차/항공 전문기자 rje312@etnews.com