수소연료전지를 사용하는 수소차의 원리
우리 사회는 멀지 않은 미래에 화석연료를 사용하는 자동차의 시대가 끝이 나고, 친환경 전기차의 시대가 올 것이라는 것에 대부분 동의를 하고 있어요. 그래서 요즘 테슬라의 주식이 하늘 높은 줄 모르고 고공행진을 하고 있는 것이겠죠. 그리고 한 발 더 나아가 전기차를 넘어서 수소차에 대한 기대가 높은 것도 사실이에요. 그래서 미국의 수소차 대장주인 니콜라의 주식도 테슬라처럼 하늘 높은줄 모르고 고공행진을 하고 있는 것이고요.
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물론 수소차의 기술력은 전기차에 비해서 아직은 완성도가 많이 떨어지는 것도 사실이고, 부피가 큰 수소탱크를 실어야 해서 자동차 디자인에 제약이 많은 것도 사실이에요. 그래서 혁신가인 일론 머스크조차도 수소차의 미래는 없다라고 단언을 했으니깐요.
하지만 그런 일론 머스크도 최근에 "어쩌면 부피의 제약이 없는 트럭에는 수소연료전지를 사용하는 수소차를 적용시키는 것도 괜찮을 수 있겠다"라는 말을 한적이 있어요. 그래서 저는 도대체 수소차의 원리가 무엇이길래 많은 사람들이 수소차의 미래에 대해서 설왕설래하는지 알아볼려고 해요.
물론 저는 화학을 전공하거나, 자동차 엔지니어쪽을 전공한 사람은 아니에요. 그저 이런 것에 관심이 조금 많고, 이를 통해 어떻게 투자에 활용할 수 있을지를 고민하는 사람일 뿐이에요.
그래서 저는 수소차 관련주에 투자하는 투자자의 입장에서 수소연료전지를 활용한 수소차의 원리를 알아볼려고 해요. 그리고 이를 통해서 수소연료전지를 활용한 수소차의 미래를 예측해 볼려고 하고요.
그러니 전문적인 원리나 지식을 기대하신 분들은 이 글을 읽으신다면 실망하실꺼에요. 전문적인 원리나 지식을 원하시는 분들은 뒤로가기를 눌러주세요. 죄송합니다.
오늘 글의 목차
1. 수소차의 종류
2. 수소연료전지의 원리
3. 수소차의 미래
1. 수소차의 종류
수소차의 종류는 크게 두가지로 나뉘어요. 직접적인 수소의 폭발력을 활용한 수소내연기관자동차와 수소의 화학 반응으로 생성된 전기를 통해 모터를 구동시키는 수소연료전지 자동차로요.
①수소내연기관 자동차
위 사진은 수소내연기관 자동차로 유명한 BMW의 Hydrogen7 모델인데요. 수소내연기관 자동차는 우리들이 사용하는 보통의 화석연료 자동차처럼 실린더 내부에서 수소를 폭발시켜 나오는 힘으로 자동차를 움직이는 원리를 가지고 있어요.
수소분자 두 개와 산소분자 한 개가 만나 물분자 2개가 생성되고(2H2+02=2H2O) 그렇게 두 분자가 결합하는 과정에서 열과 압력이 발생하는데, 그 열과 압력을 자동차의 추진력으로 이용하는 것이에요.
그리고 당연히 부산물로는 매연 대신에 아주 깨끗한 물이 나오게 되는 것이고요. 심지어 공기 중 미세먼지를 걸러내는 공기정화 역할까지 해주기도 해요.
다만 소수내연기관 방식은 에너지 효율이 떨어져 경제성이 없기때문에 요즘은 이런 방식으로 차를 만들지 않고 있어요.
②소수연료전지 자동차
요즘에는 수소차라고 하면 대부분 수소연료전지 자동차를 말하는데요. 수소연료전지 방식이 수소내연기관 방식보다 효율이 좋아 경제성이 있기 때문이에요. 요즘 핫한 미국의 수소차 대장주 니콜라도 이런 방식의 수소차를 만들고 있죠.
수소연료전지 자동차는 내연기관 자동차와 같은 엔진이 존재하지 않아요. 오히려 전기차와 비슷하죠. 수소의 화학적 반응을 이용해 전기를 발생시키고, 그 전기를 이용해서 모터를 작동시키는 방식으로 움직이기 때문이죠.
그러면 이제부터 이 수소연료전지 자동차의 작동 원리를 자세하게 알아보도록 할께요!
2. 수소연료전지 자동차의 원리
①차량 내부의 수소탱크에 저장해 놓은 수소를 전기발생장치로 보내요.
②전기발생 장치에서는 백금 촉매를 이용해서 수소와 산소를 화학적으로 결합시켜 전기를 발생시켜요.
학창시절에 물 전기분해 실험을 해보신적이 있으신가요? 물에 수산화나트륨 용액을 넣고, 전기를 흘려주면 물은 수소와 산소로 분해가 되는데요. 수소를 이용한 전기발생은 물 전기분해 실험의 반대방향의 화학적 반응이라고 생각하시면 돼요. 수소와 산소를 화학적으로 결합시켜 전기를 발생시키는 것이니깐요.
③이 단계는 전기차와 동일한데요. 발생된 전기를 이용해서 모터를 구동시키고 모터의 힘을 이용해서 자동차를 움직이게 하는 것이에요.
④마지막으로는 연료전지에서 생산된 전기를 배터리에 충전시켜 보관을 해놓아요. 전기차에서는 이 배터리가 아주 중요하지만, 수소연료전지 자동차에서는 배터리는 그리 중요한 요소는 아니에요. 전기차처럼 전기가 필요할 때 배터리에서 전기를 꺼내 쓰는 것이 아니라, 수소를 이용해서 바로 생산을 하면 되기 때문이에요. 그래서 수소연료전지 자동차에서는 배터리의 용량이 클 필요는 없고, 자동차의 전자 장비를 작동시키기 위한 최소한의 전기를 저장할 용량 정도만 되면 돼요. 내연기관 자동차의 배터리처럼 말이죠!
3. 수소차의 미래(개인적인 생각)
일반인들이 생각하는 수소차의 편견은 '수소탱크가 터지면 큰일 나는 것 아니야?'라는 것인데요. 이런 편견은 수소폭탄 때문에 생긴것 같아요. 그런데 수소폭탄에 사용되는 수소는 삼중수소라는 것으로 수소차에 사용되는 수소와는 다른 종류의 수소에요. 그리고 수소차의 수소 탱크는 탄소섬유로 만들어져서 충격을 받은다 해도 터지는 것이 아니라 찢길 뿐이고, 찢겨진 사이로 수소가 세어나갈 뿐이라고 해요. 세어나가는 수소에 불이 붙는다 해도 일반 내연기관 자동차에 불이 붙는 것과 크게 다르지 않을 정도의 안정성을 가지고 있다고도 하고요.
그래서 우리가 생각하는 폭발은 일어나지 않는다고 해요. 심지어 유럽에서는 LPG차량은 폭발의 위험때문에 지하주차장 진입을 막고 있지만 소수차의 진입은 허용하고 있을 정도라고 하니깐요.
그래서 수소차의 단점은 명확해요. 폭발의 위험이 아니라, 바로 수소탱크의 부피에요. 수소는 우주에서 가장 가벼운 원소로서 부피가 엄청나게 커요. 그래서 아무리 고압으로 압축을 한다고 해도 수소탱크의 크기는 커질 수 밖에 없어요. 그러니 승용차에 적용하기에는 제약이 있을 수 밖에 없고요.
그래서 부피로만 놓고 보면 트럭 등에 적용하기에는 큰 무리가 없지만, 여기에서는 또 다른 문제가 발생해요. 바로 수소연료전지의 수명이 현재의 기술력으로는 거리는 15~20만km, 기간은 10년 정도가 한계라고 해요. 현재 테슬라 전기차의 배터리 수명은 90만KM이고, 심지어 180만KM 수명의 배터리 개발 성공도 임박했다고 하는 것과는 대비되는 점이죠.
트럭은 보통 상용차로서 긴 거리를 주행하는 것이 기본인데, 수소연료전지의 짧은 수명때문에 트럭도 적용하기에가 애매한 상황인 것이죠.
수소연료전지를 교체해주면 되지 않느냐 라고 반문할 수 있는데요. 수소연료전지 자동차에서 수소연료전지의 가격이 차 값의 50%이상을 차지해요. 왜냐면 수소가 산소와 화학적으로 결합하며 전기를 생성하게 해주는 촉매제가 바로 백금인데, 이 백금의 가격이 엄청 비싸기 때문이에요.
다만 현재 기술 개발에 박차를 가하고 있어, 촉매제인 백금의 양을 줄이는 방법이 개발되고 있는 중이고 수소연료전지의 수명도 점점 늘어가고 있는 중이기도 해요. 승용차 정도 크기의 자동차를 만드는데 사용되는 백금의 양이 200g이었는데, 지금은 11g정도로 줄이는 기술도 나왔다고 하니깐요.
그래서 제가 내린 결론은 아직은 기술력의 부족으로 수소차의 상용화는 시기상조이지만, 기술력이 차차 쌓인다면 상용 트럭에서부터 수소차의 사용이 시작되지 않을까라고 생각을 해보았어요.
그래서 수소트럭을 공략하며, 미국의 수소차 대장주를 맡고있는 니콜라의 주식이 고공행진을 하고 있지 않나 싶어요.
오늘은 이렇게 수소차의 원리를 통해 수소차의 미래를 예상해 보았는데요.
다음에는 더욱 유용한 글로 찾아뵙도록 할께요.
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