[FCEV 원리] 수소연료전지 자동차의 원리 쉽게 설명 !

FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle)는 수소 연료 전지 자동차의 줄임말로 수소연료로 전기를 생산하고, 이를 통해 작동하는 자동차입니다. 이러한 수소연료전지 자동차의 구동 원리와 전기에너지 생성 원리에 대해 쉽게 알아보겠습니다.

 

 

수소연료전지 자동차 구동 원리

수소연료전지 자동차는 다음과 같은 과정으로 구동합니다. 포스팅을 끝가지 참고하시면 자세한 원리를 알 수 있습니다.

 

1. 수소연료탱크에서 수소를 수소연료전지 '스택'에 공급 
2. 수소연료전지 스택에서 수소와 산소의 화학반응으로 물과 전기에너지 생성
3. 물은 배출되고 전기에너지는 배터리와 모터에 공급
4. 모터가 작동하며 자동차 구동 

 

※ 수소연료전지 스택 : 수소연료전지 스택은 수소와 산소의 분해 및 결합으로 전기에너지를 생성하는 일련의 과정들이 이루어지는 수소연료전지의 핵심 부품입니다.

 

※  FCEV의 FC는 'Fuel cell'의 줄임말입니다. Fuel cell은 수소연료전지를 의미합니다. 

 

 

 

수소 연료 전지의 전기에너지 생성 원리

수소연료전지에서 전기에너지를 생성하는 원리를 전기에너지가 생성되는 과정을 기준으로 좀 더 자세히 설명하겠습니다. 그에 앞서 수소연료전지의 핵심부품 스택과 수소연료전지의 구조를 가볍게 이해하고 가시면 좋을 듯합니다.

 

수소연료전지의 핵심 스택 (stack) 

 

수소탱크에서 H2 (수소 분자)가 수소 연료 전지 '스택'에 공급됩니다. 앞서 간단히 언급했지만, 수소연료전지에서 핵심 부품은 바로 스택이라고 할 수 있습니다. 수소연료전지의 기본 단위인 '셀' 들이 수백 개가 직렬로 쌓여 하나의 스택을 이룹니다.

 

※ 셀에 대한 구조는 포스팅 하단의 그림을 참고하세요.

 

결국 수소에너지를 만드는 핵심 공장이 스택이라고 할 수 있겠습니다.

 

수소연료전지의 구조

 

하단의 그림은 수소연료전지의 기본 단위라고 할 수 있는 수소연료전지 '셀'의 구조도 입니다. 

 

셀은 음극, 전해질, 양극으로 이루어져 있으며, 이는 전기자동차 배터리의 기본 구조와 매우 유사합니다. 

 

출처 : 게티코리아  (수정)

 

• 음극 :  수소분자가 음극에서 수소 양이온과 전자로 분해되는 곳
• 전해질 : 수소 양이온이 양극으로 이동하게 해주는 물질들이 있는 곳 (양이온의 운송 수단으로 생각하시면 돼요)
• 양극 (공기극) : 공기 중의 산소가 수소 양이온 및, 전자와 만나 물과 전기 에너지를 형성하는 곳

 

※ 관련 글

 

▷ 전기자동차 배터리 구성단위 셀/모듈/팩에 대해 알아보자 

 

 

스택 내부에서 전기에너지 생성 과정

 

1. 수소원자가 스택의 내부의 음극에서 산화 : H2 (수소 분자) → 2H+ (수소 양이온) + 2e- (전자)  
2. 전해질을 통해 양이온들이 양극(공기극)으로 이동 
3. 전선을 통해 전자가 양극(공기극)으로 이동
4. 공기 중의 산소와 수소 양이온, 전자가 결합하여 물과 전기에너지 생성 :  2H2 + O2 → 2 H2 O + 전기에너지

 

양극과 음극에서 자세한 화학반응식은 다음과 같습니다.

 

▷ 음극 : H2 = 2H+(수소 양이온) + 2e-

▶ 양극 : O2 + 2H+(수소양이온) + 2e- = H20

◈ 전체 반응식  : 2H2 + O2 → 2 H2 O + 전기에너지

 

산소 공급과정에서 주의사항

 

특히 양극에서 대기 중의 산소를 공급할 때, 미세먼지 등이 없는 순도 높은 산소를 공급해야 하므로, 수소연료전지 자동차에는 필수적으로 공기정화 필터가 사용되야합니다.

 

이 때문에 현대자동차의 넥쏘같은 수소연료전지 자동차가 달리는 공기청정기라는 별명이 붙은 것입니다.

 

※ 관련 글

 

▷ 현대의 수소자동차 종류와 전망 그리고 장단점

 

 

반응식에서 촉매의 역할

 

앞서 설명에서는 언급하지 않았지만 H2 (수소분자)가 스택의 음극으로 들어와서 H+ (수소 양이온)으로 분해될 때, 백금과 같은 촉매가 사용됩니다. 

 

촉매는 화학반응식을 촉진하는 재료로 촉매가 있을 때, 비교적 적은 화학 에너지로 화학반응이 일어날 수 있습니다.