수소차는 수소를 연료로 하여 구동하는 차량입니다. 수소차는 수소연료전지로 구동이 되거나 수소엔진을 이용하여 연소시켜 구동하는 두 가지 방식이 있으며, 둘 다 이산화탄소를 배출하지 않기 때문에 친환경 차량으로 인정받고 있습니다.
수소차 종류
수소차 작동원리
수소차 장단점
수소차 전기차 차이점
수소차 전망
수소차 종류
수소차는 크게 수소연료전지 자동차(FCEV)와 수소 내연기관 자동차(HICEV)로 나눌 수 있습니다. 다만, 현재는 수소연료전지가 경제적 확장성과 연료효율이 수소 내연기관 자동차보다 높기 때문에 대부분의 자동차 회사는 수소연료전지 자동차를 채택하고 있습니다.
경제적 확장성이란, 수소연료전지를 작게 만들면 자동차의 연료전지로 사용가능하지만, 모듈 형태의 연료전지 스택을 추가로 붙이기만 하면 수소발전을 할 수 있을 만큼 확장성이 뛰어난 특징이 있죠.
또한 수소연료전지 자동차의 배출가스는 수증기만 나와 완벽한 친환경 차량이지만 수소연소 자동차는 질소산화물(NOx)이 배출되기 때문에 완벽한 친환경차량이라고는 할 수 없습니다.
1. 수소연료전지 자동차(FCEV)
앞서 언급한 것처럼 수소연료전지 자동차는 수소와 산소의 화학반응을 통해 전기를 생산하고 그 전기로 전기모터를 구동함으로써 결국 타이어를 구동시켜 자동차의 출력을 얻어 주행을 할 수 있는 수소차입니다.
장점
- 친환경적입니다. 배기가스는 오직 수증기만 배출되기 때문이죠. 수소(H)를 연료로 공급하게 되면 산소(O2)와 화학반응을 일으키면서 전기가 발생되며 이때 최종 화합물은 물(H2O)이 되기 때문입니다.
- 수소연료 충전속도가 내연기관 자동차와 유사하기 때문에 전기차보다 빠른 속도를 자랑합니다.
- 또한 2차 전지를 탑재한 전기차보다 장거리 운행이 가능합니다. 즉, 수소 연료 탱크 용량을 조절할 수 있기 때문에 한 번의 연료충전으로 긴 거리를 주행할 수 있습니다.
단점
- 반면에 아직은 수소 충전소와 같은 인프라 구축이 미비하기 때문에 사용자들은 불편함을 느낄 수 있으며, 수소의 안전성 관련 기술이 중요하죠.
2. 수소 내연기관 자동차(HICEV)
수소 내연기관 자동차는 기존 내연기관과 동일한 매커니즘을 가지고 있습니다. 다만 연료가 수소인 점만 다를 뿐이죠. 즉, 수소를 연료로 수소엔진을 장착하여 출력을 얻어 주행을 할 수 있는 수소차입니다.
장점
- 기존 내연기관 자동차와 호환성이 높습니다. 따라서 기술 개발 생산 비용 등이 수소연료전지보다 저렴하죠.
단점
- 다만, 같은 수소연료를 사용한다는 가정하에 수소연료전지보다 수소연소기관이 에너지 효율이 낮습니다. 또한 연소과정에서 배출가스는 질소산화물(NOx)이 배출되기 때문에 완벽한 무탄소 수소차는 아니죠. 질소산화물은 대기 중에서 물과 반응되어 산성비를 만드는 주된 원인이며, 오존층도 파괴하는 화합물이기 때문입니다.
| 구분 | 수소연료전지 자동차 | 수소연소 자동차 |
| 작동방식 | 수소를 전기로 변환하여 모터 구동 | 수소를 연소시켜 엔진 구동 |
| 핵심기술 | 연료전지 스택 | 내연기관 |
| 장점 | 높은 연료 효율, 낮은 소움, 빠른 연료 충전 시간, 배기가스로 물 배출 | 낮은 가격, 빠른 연료 충전, 기존 자동차와 호환성 |
| 단점 | 높은 가격, 수소 충전소 부족, 연료 안전성 | 낮은 연료 효율, 높은 가격, 수소 충전소 부족, 낮은 출력, 질소산화물(NOx) 배출 |
| 수소차 모델 | 현대자동차 – 넥쏘 토요타 – 미라이 혼다 – 클래리티 | 토요타 개발 단계 보쉬 개발 단계 |
| 전망 | 정부 지원, 수소 인프라 구축 등에 따라 시장 점유율 확대 가능성 높음 | 정부 지원, 기술 발전 중이며 경쟁력 강화 가능성 있음(해상 운송 동력) |
수소차의 작동원리
수소차는 전기차와 마찬가지로 전기를 이용해서 구동되는 차량으로 수소를 연소시킬 수 있는 수소엔진을 탑재하여 수소를 연소시켜 구동하는 원리와 수소연료전지를 탑재하여 전기를 생산하여 구동시키는 타입이 있지만, 현재는 수소를 연료로 사용하여 전기를 발생시키는 수소연료전지(3차 전지)를 탑재한 방식의 수소차만 상용화되어 판매되고 있습니다.
따라서, 일반적으로 수소차하면 수소연료전지 차량을 말하고 있는 것이죠.
대표적인 수소차 회사는 현대자동차와 니콜라, 도요타 등만 생산, 판매하고 있죠. 다만, 보쉬나 커민스와 같은 부품회사에서 수소연소엔진 개발을 진행하고 있으며, 빠르면 2025년부터 본격적인 상용화가 될 것으로 알려져 있습니다.
수소차의 작동원리는 크게 수소 공급 – 수소연료전지 전기생산 – 모터 구동 – 배기가스 배출 순서로 작동됩니다.
1단계 – 수소 주유와 저장
수소차의 연료 탱크에 압축수소가 저장되고 이 압축수소는 연료공급장치를 통해 압력이 조절되고 순도를 높여 연료전지 스택으로 공급됩니다.
2단계 – 수소연료 전지에서 전기 생산
일명 3차 전지라 불리는 수소연료전지 스택 안에서 공급된 수소와 산소가 화학반응을 통해 전기가 생산되는 방식입니다.
여기에서 연료전지 스택은 수소와 산소가 만나는 수소극과 산소극으로 이루어진 셀들이 모여 모듈형태로 구성되어 있으며 이 구조가 각 연료전지 회사들의 핵심 기술입니다.
자동차의 수소연료전지는 대표적으로 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 사용이 일반화되어 있으며, 자세한 작동원리를 쉽게 설명하면 아래와 같습니다.
위 그림과 같이 수소가 공급되면 양극(연료 수소극)에서는 백금 촉매가 수소이온(H+)과 전자(e-)를 분리시킵니다. 이때 수소가 전자(e-)를 방출시키면서 전해질이 수소이온(H+)만 통과시키죠. 이 과정이 전해질의 역할입니다.
결국 음극(공기극)에서는 산소가 공급되면서 물이 배출되는 동시에 전자(e-) 흐름으로 결국 직류 전기가 생산되는 원리를 가지고 있습니다.
3단계 – 모터 구동
발생된 전기를 사용하여 모터를 작동시키면 타이어가 회전을 하고 결국 차량을 구동시키죠. 남는 전력은 보조 배터리에 저장되어 에어컨, 헤드라이트 등 전기 시스템 전력에 공급됩니다.
4단계 – 배기가스 배출
배기가스는 수소와 산소의 화학반응의 결과물이기 때문에 깨끗한 물, 수증기만 배출이 됩니다. 따라서 친환경 자동차라고 불립니다.
수소차 장단점
수소차 장점
- 친환경 : 이산화탄소를 배출하기 않기 때문에 환경오염을 줄일 수 있습니다.
- 정숙한 운행 : 전기차와 마찬가지로 전기 모터로 차량이 구동되기 때문에 기존 내연기관보다 훨씬 조용합니다.
- 빠른 연료 충전 : 전기자동차에 비해 충전속도가 빠르며, 이는 내연기관차량의 충전속도와 유사합니다.
- 장거리 운행 가능 : 내연기관 자동차와 유사한 주행거리를 가지고 있으며, 전기차보다 주행거리가 길다는 장점이 있습니다. 특히 주행거리 측면에서 트럭의 경우 2차 전지 자동차보다 주행거리가 훨씬 길기 때문에 상용차인 경우 수소연료전지 구동 방식이 채택되고 있습니다.
수소차 단점
- 높은 가격 : 수소차는 수소 경제 관련한 인프라 구축이 필요합니다. 따라서 국가 단위의 지원책이 필요하며 여전히 수소생산 단가가 휘발유나 경유에 비해 훨씬 높습니다. 결국 수소 생산, 운송, 저장, 충전소 등의 인프라 구축이 필요합니다. 미국 정부의 경우 최근 수소차 관련 운송 인프라를 구체화한 정책을 발표하였죠. 그만큼 정부차원의 정책이 필요할 만큼 막대한 투자비용이 들어갑니다.
- 수소 충전소 부족 : 기존 내연기관 연료인 휘발유나 디젤 주유소에 비해 수소 충전소는 턱없이 부족한 상황입니다.
- 수소 안전성 : 수소는 가연성이 높기 때문에 수준 높은 운송, 저장 기술 개발이 필요합니다.
수소차와 전기차 차이점
수소차는 항상 전기차와 비교되고 있습니다. 다만 현재 기술력과 인프라를 고려하면 전기차가 유리하지만, 전 세계가 마주하고 있는 기후변화 대응을 위해서는 미국 등 전 세계가 추진하고 있는 2050 탄소중립 목표 달성이 중요합니다. 따라서 목표 달성을 위한 경제 정책을 쏟아 내고 있습니다. 그중 수소경제에 포함되어 있는 수소차가 앞으로는 경쟁력이 강화될 수 있죠.
실제로 미국 수소 정책은 2023년부터 각종 수소 관련 정책을 구체화하면서 수소생산 허브 지역 선정 완료, 수소샷 정책, 화물 운송 수소 인프라 구축 로드맵, 보조금 지원 정책 등을 강력하게 드라이브하고 있습니다.
결국, 정부 입장에서는 전기차는 산업분야의 일부 영역이지만 수소차는 거대 수소 경제에 속해 있기 때문에 정부입장에서는 경제발전을 촉진할 수 있다는 판단이 있었겠죠.
| 구분 | 수소차(3차전지) | 전기차(2차전지) |
| 방식 | 수소 연료 공급 방식 | 전기 충전 방식 |
| 대표기술 | 연료전지(수소) | 배터리(리튬 이온) |
| 연료 | 수소 | 전기 |
| 장점 | 빠른 연료 충전, 긴 주행 거리, 친환경 | 저렴한 전기료, 정비 비용 저렴 |
| 단점 | 높은 차량 가격 상대적 수소 충전소 부족 수소 안전성 우려 | 짧은 주행 거리 느린 충전 속도 충전소 부족 |
| 작동 방식 | 1. 수소를 연료전지에 공급 2. 연료전지에서 전기 생산 3. 전기로 모터 구동 | 1. 전기 배터리에 충전 2. 전기로 모터 구동 |
| 주행거리 | 최대 600km 이상 가능 연료 탱크 확장성 높음 | 최대 500km 미만 배터리용량 확장성 낮음 |
| 충전시간 | 약 5분 | 30분 이상 |
| 가격 | 지원금에 따라 다름 | 지원금에 따라 다름 |
수소차 vs 전기차 특징 비교
수소차 전망
2024년 기준 미국, 유럽, 일본, 한국, 중국 등은 수소 경제를 활성화하기 위한 정책들을 조용히 실천해나가고 있습니다. 결국 궁극적인 목적은 기후변화 대응이며, 그 솔루션으로 각 정부가 발표한 2050 탄소중립 목표 달성이죠.
SNE 리서치에 따르면 수소차는 2022년 기준 약 6만 대 규모의 판매 실적을 거두었지만, 2030년에는 500만 대 이상 달성할 것으로 전망하고 있죠. 이렇듯 수소차 관련 수소 정책의 핵심적인 나라들은 미국, 유럽, 한국, 일본, 중국입니다.
| 국가 | 주요정책 | 주요 목표 |
| 미국 | 수소 에너지 연구개발 투자 수소 생산 및 활용 시설 지원 수소 운송 인프라 구축 수소 규제 완화 | 2030년 수소 생산량 100만톤 2045년 수소 활용 비중 20% |
| 유럽 | 유럽 수소 연합 설립 수소 생산 및 활용 투자 확대 수소 인프라 구축 수소 규제 조화 | 2030년 수소 생산량 800만톤 2050 수소 활용 비중 14% |
| 한국 | 수소 기본 계획 수소 생산 및 활용 투자 확대 수소 차량 보급 확대 수소 관련 규제 마련 | 2040년 수소 생산 52만톤 2040 수소 활용 비중 30% |
| 일본 | 수소 기본 전략 발표 수소 생산 및 활용 투자 확대 수소 인프라 구축 수소 차량 보급 확대 수소 관련 규제 완화 | 2030년 수소 생산량 30만톤 2050년 수소 활용 비중 3% |
| 중국 | 수소 에너지 산업 발전 3년 계획 수소 생산 및 활용 투자 확대 수소 인프라 구축 수소 차량 보급 확대 | 2025년 수소 생산량 100만톤 2050년 수소 활용 비중 10% |
한국은 2040년까지 120만 대의 수소차 보급을 목표하고 있으며, 각종 정부 정책을 추진하고 있죠. 그만큼 탄소 중립 정책이 강화된다는 뜻이기도 합니다.
다만, 수소차 이전에 수소경제를 달성하기 위해서는 수소 kg당 생산단가를 낮추어야 하며, 수소 충전소도 불편함 없이 사용할 수 있도록 인프라 구축이 국가단위로 펼쳐져야 합니다.
정부의 역할은 이러한 정책으로 수소경제 환경을 조성하고, 이후 시민들은 에너지 패러다임 변화를 인지하고 실천하는 것이 무엇보다 중요할 것으로 알려져 있죠. 따라서 친환경 수소차 시장은 정부지원 아래 빠르게 성장할 것으로 전망하고 있습니다.
결국 탄소중립 목표 달성을 위한 각국의 노력으로 수소 에너지 사용 증가, 수소차 시장 확대가 탄소 배출을 줄이는데 역할을 할 것으로 기대하고 있습니다.