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.
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
