현대 투싼ix 수소연료전지차(FCEV) 시승기

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수소연료전지차(Fuel Cell Electronic Vehicle)란?
전기로 모터를 돌려 움직이는 차를 전기차(EV)라고 한다. 통상 EV는 모터를 구동하기 위해 필요로 하는 전기는 전력을 저장하는 “배터리”에 저장하여 움직인다.
FCEV는 배터리 대신에 연료전지(Fuel Cell)을 사용하여 전기를 공급 받는다.

연료전지(Fuel Cell)이란?
수소(H2)나 천연가스(CH4), 메탄올(CH3OH)등을 “연료전지”라고 불리우는 일종의 촉매를 통과시키면, 화학반응을 일으켜 전기와 부산물이 생성되는 장치이다. 이 중 수소연료전지는 연료전지기기에 수소와 산소(산소는 공기중에 이미 있음)를 통과시키면 전력과 물(H2O), 그리고 열(Heat)이 발생한다. 연료전지는 전기를 저장하는 배터리와 달리, 전기가 필요할 때, 전기가 아닌 다른 원료(수소가스 등)을 공급해 주어야만 전력이 생산된다. 수소연료전지의 경우, 수소가스를 필요로 하지만, 전력 생산시의 부산물은 순수한 물만 배출되기 때문에 완전 무공해 전력 생산이 가능하다.

수소연료전지차는 연료로서 수소를 싣고, 수소와 대기중의 산소를 연료전지에 보내 생산된 전력으로 전기모터를 돌려 움직이는 차량으로서, 수소가스라는 “연료”를 사용하지만, 개솔린이나 디젤엔진처럼 연료를 연소시키는 내연기관으로 동력을 얻지 않고, 연료를 연료전지와 반응시켜 발생한 전기로 전기모터를 구동시켜 움직이는 차량이기 때문에 수소연료전지차도 “전기차”이며, 운행시 공해물질을 전혀 배출하지 않는 차량이다.

수소연료전지차와 전기차(EV)의 차이점은 현재로서는 1회 충전시 공급 가능한 에너지량의 차이가 있다. 현재 시점에서 상용화된 전기차는 1회 충전시 100~200km 정도 주행이 가능하나, FCEV는 400~600km 주행이 가능하여, 화석연료 내연기관에 거의 근접하는 주행거리를 제공할 수 있다.

현대자동차의 투싼ix 는 지난 10여년간의 여러 시험모델 개발을 거쳐 2013년 3월 세계최초로 유럽 덴마크 네델란드 등에 양산모델로서 판매공급된 차량이다. “세계최초 양산 수소연료전지차” 라는 타이틀은 현대차가 스스로 만들어낸 감이 없지는 않지만, 아무튼, 1000대 이상의 동일 모델 FCEV 차량이 판매된 세계최초의 사례이므로 이런 자랑이 큰 무리는 없어 보인다.

투싼ix FCEV Spec.
. 연료전지 스택: 100Kw급 => 100Kwatts의 전력을 지속 생산할 수 있는 능력. 배터리로 치면, Discharge rate 라고 할 수 있다.
. 구동 모터: 100Kw급 => 100kw의 전력을 소모하면서 구동력으로 전환할 수 있는 능력. 엔진 마력과 동일하다. 100kw는 136마력이다. 출력은 136마력으로 2000cc 개솔린 엔진 수준이고, 토크는 약 30kg.m로 2000cc 디젤엔진 수준인데, 0rpm부터 최대토크가 나오기에 종합적으로 2000cc 내연기관과 비슷하며, 실용rpm 영역에서의 힘이 더 좋다고 볼 수 있다. 영구자석모터가 아닌 전자석모터가 채용되었으며, 그 이유는 생산 단가문제.
. 수소저장 탱크: 700기압, 5.64kg => 수소는 액화온도는 영하 259도로서 액화가 불가능하기에 고압탱크에 압축하여 저장한다. 대기압의 . 700배로 압축하여 5.64kg의 수소가스를 저장할 수 있다.
. 배터리: 24kw급 => 24kw급의 저장용량과 24kw급의 Discharge Rate를 갖는 리튬이온 배터리팩도 장착되어 있다. 소나타 하이브리드에 장착된 배터리와 동일모델로서, 연료전지스택의 전력공급능력을 버퍼링하고 보충하며, 브레이크 회생충전시 전력을 저장하는 역할도 한다. 같은 역할의 수퍼캐퍼시터를 채용하지 않은 이유는 양산 하이브리드 차량에 사용되는 동일모듈로서 가격 경쟁력이 있기 때문이라함.
. 가속성능(0-100km/h): 12.5초
. 최고속도: 160km/h
. 연비 (유럽NEDC모드): 27.8km/L
. 1회 충전 주행거리: 594km

스팩을 보면, 대체로, 조금 고사양의 상용화된 EV 차량의 스팩과 비슷한데(테슬라S 같은 특출난 EV 제외), 딱하나! “1회 충전 주행거리”가 594km로 일반적인 EV차량 대비 3배 가량 월등하며, 개솔린 차량과 비슷한 수준임을 알 수 있다.

외관.
투싼ix FCEV의 외관은 전면 그릴 모양의 변경을 제외하고는 투싼ix와 동일하다. 뒷면엔 FuelCell 엠블럼이 붙어 있다.

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내장.
인테리어 역시 투싼ix와 거의 동일하다. 운전석에서의 차이점은 시동버튼 옆에 비상시 모든 연료전지 시스템을 셧다운 시키는 빨간 버튼이 추가되어 있는 점 정도.
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실내 공간에서 내연기관 투싼ix에 비해 트렁크 공간에서만 약간의 희생이 되었다. 2개의 수소탱크 중 메인탱크가 트렁크 바닥에 위치하는데, 이 부피가 조금 커서 바닥이 4cm 정도 올라온 것을 볼 수 있다. 물론 이때문에 스페어타이어 장착 공간도 희생되었다.
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주행 성능.
주행성능은 딱 “EV 주행성능” 이라고 표현할 수 있다. 엔진스타트 버튼을 누르고, 기어를 D에 놓고 출발할 때까지 아무런 소리도 없이 스르륵~ 움직이기 시작하며, 미션도, 토크컨버터도 없이 모터와 바로 연결된 구동계 덕분에 아무 소음도 없고, 변속 충격이나 미션소음도 없이 오로지 타이어소음만이 들리며 리니어하게 가속되는 “신비한 체험”을 할 수 있다.

전체적인 구동시스템은 현대 소나타 하이브리드의 시스템에서 개솔린 엔진 대신 100kw 모터가 달렸다고 보면 가장 이해하기 쉽다.

30kg.m의 토크는 답답함 없는 가속성을 제공해 주지만, 엔진소음이 없어 실제 성능보다 차가 안나간다는 느낌을 준다. 내연기관 차량의 풀 악셀시 부아앙~ rpm이 올라가는 세레모니가 없기 때문에~

FCEV가 EV와 동일한 필링을 제공한다는 것은 기술적으로 매우 진보되었음을 의미한다. 그 이유는, 우선, 연료전지에 수소가스가 공급되어 화학반응이 일어나야만 비로소 전기가 공급되어지는 특성상 액셀반응의 딜레이가 있을 수 있는데, 투싼ix FCEV는 그러한 딜레이가 느껴지지 않는다. 또한, 연료전지스택에 고속으로 수소가스를 불어넣는 블로어팬이 있고, 이 블로워팬 소음이 들릴 것으로 예상했는데, 이 소음 역시 타이어 노면소음에 마스킹되어서 인지 전혀 인지할 수 없었다. 이런 두가지 이유로 Pure EV보다 소음과 응답성의 핸디캡이 있어야 하는데, 투싼ix는 그런 단점을 느낄 수 없는 수준으로 훌륭하게 억제했다. 차라리 개솔린엔진 차량의 Turbo charger와 비슷한 필링을 연료전지 스택의 에어블로워가 제공해 줄 수도 있고 이것이 운전감성 측면에선 오히려 더 나을 수도 있겠다는 생각도 들었는데, 현대차의 엔지니어분들은 FCEV에서만 발생하는 소음은 없애야 할 대상으로 보고 철저히 억제했다.

연료전지스택의 성능이 100kw이고, 전기모터출력도 100kw이니 딱 들어맞는 스팩일까? 아니다. 연료전지스택의 용량이 100kw급 일 뿐이기에 모터로 전달되는 과정에서 여러 로스가 생겨 실제 모터로 공급되는 출력은 78kw 정도이다. 이런 모자라는 전력은 병렬연결된 24kw급 리튬이온배터리를 통해 얻는 구조이다. 그러므로, 투싼ix의 100kw의 출력은 항상 낼 수 있는 것이 아니라, 24kw급 배터리가 자기용량 범위 내에서 전력을 추가 공급해 줄 때에만 달성 가능하다.

다른 대부분의 EV와 같이 투싼ix도 미션이나 토크컨버터 없이 전기모터가 감속기어만 거치고 바로 구동축과 연결되어 있는 “1단” 구동이다. 때문에 출발부터 100km/h 까지 매끄럽고 리니어하게 가속이 되지만, 120km/h 이상, 최고속인 160km/h에서는 가속감이 더디게 느껴진다. 또한 투싼ix 보다 200kg 정도 무거운 차량 총 무게로 인해 종합적인 주행성능은 투싼ix 2000cc 개솔린NA 사양 정도라고 보면 되겠다. 브레이킹은 좀 더 무거워진 차체에 대비한 보강이 이루어지진 않았고, 회생충전시스템의 연동이 되어 있다는 핸디캡에도 불구하고, 거의 다르지 않은 느낌을 준다. 이 역시 양산차로서 훌륭한 수준의 완성도를 제공했다고 볼 수 있다고 생각된다.

이렇게 FCEV는 기존 개솔린이나 디젤엔진 차량에 비해서 주행성능의 장점과 단점이 있다. 종합적으로 다른 고려사항 없이 투싼ix 디젤과 투싼ix FCEV 둘 중 주행성능만 놓고 선호모델을 선택하라고 요구받는다면, 나라면, “무소음의 리니어한 가속감”에 좀 더 선호점수를 주어 투싼ix FCEV를 선택하겠다.

엔진룸.
엔진룸엔 연료전지스택과 그 아래 모터가 있다. 모터 부피는 디젤엔진보다 1/3 정도로 작지만, 연료전지스택을 합한 시스템 부피는 아직 내연기관 엔진보다는 크다.

어? 전기차인데도 개솔린 엔진처럼 냉각시스템도 있고, 에어필터도 있네? 냉각시스템은 연료전지의 냉각을 위한 것이며, 전용의 절연성을 높인 프로필렌글리콜 냉각수를 사용한다. 에어필터 역시, 연료전지로 공급하는 산소(대기중의 공기)와 섞여 먼지가 연료전지스택으로 들어가 연료전지스택 내부에 쌓여 성능이 저하되는 것을 막기 위한 에어필터이다.

FCEV라는 완전히 새로운 동력시스템을 사용화 함에 있어 상당수의 부속을 기존 양산차량의 것을 그대로 사용했음을 알 수 있다. 사진엔 보이지 않지만, 100kw급의 엄청난? 배터리 시스템이 장착되어 있음에도 불구하고, 12V SLA배터리도 여전히 트렁크쪽에 탑재되어 있다.

투싼ix FCEV가 이제 겨우? 100년동안 최적화된 내연기관 차량의 성능과 비슷한 수준까지 왔으나, FCEV의 모든 시스템과 부속부품을 FCEV에 최적화된 시스템으로 제작되어 진다면, 지금의 기술수준으로도 두배 정도는 더 높은 성능효율의 FCEV차량이 나올 수 있겠다는 생각이 들었다.
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에어컨/공조시스템/전장시스템.
FCEV도 전기차이므로 개솔린엔진처럼 항상 아이들링을 하는 엔진힘으로 컴프레셔를 돌려 에어컨을 구동할 수 없기에, 연료전지로 부터 전기를 공급받는 전용 고압전기모터컴프레셔를 이용한 에어컨이 탑재되어 있다. 그래서, 시승 중 느낀 에어컨 성능은 통상적인 내연기관 차량의 에어컨보다 30% 정도 약한 성능의 에어컨 시스템인 것으로 보여졌다.

난방 시스템은 직접 테스트하여 보지는 못했지만, PTC 전기 히터가 탑재되어 있는데, 연료전지의 폐열을 난방용으로 사용할 수 있는 열교환기도 장착되어 있는지는 확인을 못했다. 출력에 비례해서 반드시? 발생하는 연료전지의 열을 재활용하는 방안을 FCEV에서는 앞으로 여러가지로 새로이 만들어 낼 수 있다고 보여진다. 예를들어~ 연료전지에서 나오는 순수한 H2O(물)을 그 열로 가열해서 탑승자에게 컵라면을 제공할 수 있는 옵션 같은것?
투싼ix FCEV의 연료전지와 배터리 시스템은 270V(확실치 않음)이다. 에어컨,히터를 제외한 대부분의 전장 시스템은 12V이기에 기존 차량용의 무거운 납산배터리가 장착되어 있고, 납산배터리를 충전하고, 12V전장시스템에 12V 전력을 공급하기 위한 DC 컨버터모듈도 추가로 장착되어 있다. 이렇게, 차량 내에서 사용되는 전장 시스템이 기존 내연기관 차량과 같은 12V시스템을 그대로 쓰기 때문에 발생하는 전력 사용의 비효율과 차량 무게 증가분이 아직은 꽤 많다고 보여진다. 뒤집어 생각해 보면, 조금만 더 최적화 해도 시스템 무게 100kg 이상 절감은 어렵지 않게 달성이 가능할 듯~

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연비,주행거리.
유럽 NEDC 모드 기준 27.8km/L 로 현대차에서 제시하고 있다. 사실, FCEV의 수소는 액화되어 있지 않기에 부피가 일정하지 않아, 개솔린이나 디젤 또는 (액화)LPG처럼 km/L 단위로 연비를 표시할 수 없다. 연비를 km/kg 으로 표기한다면, 투싼ix 디젤은 대략 15km/kg 정도가 나올 것이고 투싼ix FCEV는 100km/km 정도가 나올 것이다. 허걱.. 실제로 투싼ix FCEV는 5.64kg의 수소연료로 594km를 주행할 수 있다. 왜이렇게 우수할까? 근본적으로 FCEV가 연료를 폭발시켜 동력을 얻는 내연기관에 비해 에너지 변환 효율이 월등히 높고, 수소 자체의 에너지 무게밀도 또한 화석연료에 비해 월등히 높기 때문이다.

주행거리당 CO2 발생량 또한, FCEV는 Zero Emission 이기에 주행 중 발생시키는 CO2는 없지만, 전기 또는 수소를 생산하는 과정을 화력발전소를 통해 100% 충당하는 것으로 가정해도 내연기관보다 월등히 낮은 CO2 방출량을 보인다.

현재 수소가스의 가격은 kg당 1만원 가량. 5만원으로 500km를 주행할 수 있다는 계산.
FCEV는 지난 20년간의 초고압력 수소저장탱크 제조기술의 발전으로 화석연료차량과 거의 비슷한 1회 충전 주행거리를 확보하고 있으며, 이점이 전기차에 대비한 가장 큰 장점이다.

 

가스충전.
수소가스 충진은, 당연한 얘기지만, 전용 충진스테이션에서 할 수 있다. 충진 노즐은 표준화 되어 있으며, 만충까지 5분 이내로 된다는 점이 EV가 극복할 수 없는 큰 장점이다.

고압 수소충진 노즐은 노즐 끝에 IR Emitter와 Receiver가 달려 있어 무선으로 차량 시스템 네트웍과 연결되어 충전정보와 차량정보를 양방향 통신할 수 있다

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안전성.
수소가스는 매우 쉽게 폭발할 수 있고, LPG차량의 가스통 압력이 50기압 정도, 천연가스버스의 가스통 압력이 200기압 정도인데, FCEV의 수소가스통 압력은 700bar 이니, CNG 가스통의 3배 이상의 엄청난 고압의 가스통이다. 그러니 FCEV는 매우 위험할까? 결론적으로 그렇지 않다.

화재 위험성: 수소는 매우 쉽게 연소될 수 있지만, 매우 가벼운 기체여서 배출 즉시 하늘로 올라가 버리기에 가스가 모여 폭발하기가 쉽지 않다.

가스통의 외부 충격이나 고온에서의 폭발 가능성: 수소저장탱크는 여러겹의 카본파이버를 적층시키고, 이상 고압에서 가스를 자동 배출하는 안전밸브를 장착하며, 차량 이용시 여러 충돌테스트를 통해 안전성을 확보하였다. 사실 가스통은 위험하다는 상식과 달리, 우리나라에서 수십만대가 택시로 운행중인 LPG차량의 가스통의 교통사고 충격에 의한 폭발사고 사례가 없다는 것을 봐도 가스통이라는게 생각만큼 위험하지는 않다고 볼 수 있다. 가스통의 강도는 차체 프레임을 포함한 차량에 탑재된 모든 기구보다 강하기에 고속 충돌시 가스통은 개솔린엔진차량과 같이 충돌압력을 받아 폭발하거나 깨지지 않고 다른 구조물을 찌그러트리게 된다.

결론적으로 FCEV의 안전성은 종합적으로 기존 내연기관 차량과 비교해 볼 때 크게 문제되지 않는 수준이다.

FCEV vs EV .
수소연료전지차와 전기차. 개솔린이나 디젤차량을 대체하게 될 차세대 차량은 FCEV일까? EV일까? 이에 대한 판단은 자동차 보다도 국가적인 에너지 시스템이 수소에너지 시스템으로 전환되는 것과 맞물려 있다.

화석연료가 고갈되는 미래에 화석연료를 대체하게 될 가장 유력한 에너지원은 수소이며, 이렇게, 국가적으로 수소를 대량 사용하게 된다면, 수소의 생산은 고속증식로나 고온가스로에서 물을 바로 해리해서 대량으로 생산하게 될 것이다. 기술만 있으면 에너지를 갖게 되는 꿈의 세상인데, 이런 세상이 오면, 우리가 타는 대부분의 탈것은 FCEV가 될 것이다.

그러나, 아직은, 적어도 20년 이상 후의 미래이고, 가까운 미래에 있어서는, 전체 화석연료 차량의 10% 가량을 FCEV가 대체할 것인가 EV가 대체할 것인가? 이 예측은 더 어렵다. FCEV는 지금도 연료경제성과 주행거리에 있어서 경쟁력이 있지만, 아직 차량 가격을 책정하기도 어려운 상태이다. EV는 현재의 배터리 가격과 성능에서 주행거리가 모자라지만, 10년 이내로 배터리 가격은 1/3로 낮아지고 배터리의 에너지저장밀도는 2배로 증가될 것으로 예측된다. 그래서, 메이저 자동차 메이커들 대부분이 EV와 FCEV 모두에 투자를 하고 있는 것이 지금의 상태인 듯 하다.

투싼ix FCEV 총평.
수소연료전지차 분야에서 기술적으로 훨씬 앞서 있다고 생각되었던 벤츠와 혼다에게 현대자동차가 투싼ix FCEV의 양산과 수출로 아마도 큰 충격을 주었을 듯 하다.

“양산모델”이 갖는 의미는, 그 차량이 상업적으로 판매될 수준의 가격경쟁력을 갖추었다는 의미 뿐만 아니라, 충돌안정성, 극한기후에서의 내구성, 유지보수의 체계화 등 실험모델과 달리 양산되어 판매되는 차량은 전체적인 완성도에서 엄청난 차이가 있고, 이러한 양산경험을 현대차가 가장 먼저 했다는 것은, 토요타자동차가 하이브리드 차량의 최초 양산경험과 노우하우를 얻음으로 인해 지난 15년간 유지하고 있는 경쟁력에서 경험한 것과 같은 경쟁력을 현대차가 가지게 될 가망성이 매우 높아졌음을 의미한다.

투싼ix FCEV에 대한 총평은, “FCEV로서의 특별한 단점이나 이질감을 찾을 수 없었다”라고 표현하고 싶다. 이러한 평가는 나로서는, FCEV 양산 최초모델 차량에 대해 거의 최고 수준의 칭찬을 한 셈이다. Good job HMC!!

 

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