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수소연료전지 전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle 이하 수소전기차)는 수소와 산소의 전기화학반응을 이용해 화학적 에너지를 전기와 열에너지로 변환시켜 주는 연료전지(Fuel Cell Battery)로 구동되는 전기구동차입니다. 수소저장탱크의 수소가스가 연료공급시스템을 통해 연료전지스택으로 공급되고 공기공급시스템을 통해 연료전지스택으로 들어온 산소와 화학반응 통해 전기에너지를 발생시키는 방식이죠.

이렇게 연료전지스택에서 발생된 전기에너지는 인버터를 통해 구동모터에 전원을 공급하고, 전기모터가 구동 휠을 돌려 차량을 움직여 줍니다. 배터리 전원을 이용해 구동하는 전기차와 달리 수소전기차는 연료전지에서 운전에 필요한 전기를 직접 만들어 차를 구동하는 것입니다. 

수소전기차는 연료전지에서 직접 전기를 만들어 주행하기 때문에 전기차처럼 전기에너지를 저장하는 고전압 배터리가 필요하지 않을 것 같지만 전기차와 마찬가지로 고전압 배터리를 탑재하고 있습니다. 물론 전기차처럼 크고 무거운 고성능 배터리를 사용하는 것은 아닙니다.

그렇다면 자체적으로 발전이 가능한 수소전기차에 고전압 배터리를 별도로 탑재하고 있는 이유는 무엇일까요? 수소전기차에 연료전지 외에 고전압 배터리를 추가적으로 장착하는 이유는 크게 세가지 이유가 있습니다. 

우선 고전압 배터리는 수소전기차의 주행상황에 따라 급가속 등 큰 힘이 필요할 때 구동모터에 추가적인 전원을 공급하는 등 연료전지스택의 전원을 보조해 주는 역할을 합니다. 급가속 또는 오르막 주행과 같이 차량부하가 많이 걸리는 구간에서 연료전지스택에서 공급되는 전원을 보조해 구동모터에 전원을 추가적으로 공급해 주는 것이지요. 

전기차와 마찬가지로 수소전기차 역시 주행상황에 따라 전력소비량이 시시각각 변화합니다. 게다가 급가속과 같이 순간적으로 큰 전력이 필요할 때 연료전지에서 순간적으로 전기를 만들어 구동모터에 공급하기가 쉽지 않습니다. 따라서 고전압 배터리에 전기에너지를 저장했다가 운전자가 액셀러레이터 페달을 밟는 순간 즉각적으로 반응할 수 있도록 부족한 연료전지의 전기에너지를 보충해 줍니다.

수소전기차는 연료전지의 발전용량이 커질수록 출력도 좋아지고 주행거리도 늘어나지만 차체의 크기와 무게 때문에 발전용량에 제한이 있을 수밖에 없습니다. 전기차가 주행거리를 좌우하는 배터리용량을 무작정 늘리지 못하는 이유와 같지요. 고전압 배터리는 제한적인 연료전지의 발전용량을 보조해 주는 보조 에너지원인 것입니다.

두 번째로 감속이나 제동, 내리막 주행 등에서 회생제동을 통해 생성되는 전기에너지를 저장하는 역할을 합니다. 차량이 감속 또는 제동할 때 회생제동을 이용해 고전압배터리를 충전해 주는 것이지요. 수소전기차는 전기차 또는 하이브리드차와 같이 전기모터로 구동되는 전동화차량(xEV)입니다. 

이러한 전동화차량은 연비 또는 주행거리를 늘리기 위해 감속할 때 운동에너지를 동력으로 회수하는 회생 에너지 충전기술이 매우 중요합니다. 때문에 전기를 주동력원으로 사용하고 있는 전동화차량은 내연기관의 유압식 브레이크와 함께 회생제동이라는 혼합 브레이크 시스템을 사용하고 있습니다. 

회생제동이란 차량감속은 물론 기존 브레이크 작동 때나 타력주행 때 버려졌던 열에너지와 운동에너지를 구동모터-제너레이터를 활용해 전기에너지로 변환시켜 고전압배터리를 충전해 전기차의 주행거리를 늘려주는 시스템입니다. 수소전기차 역시 불필요한 에너지 낭비를 줄임은 물론 주행중 수소사용량을 절약하면서 주행거리를 늘리기 위해서는 회생제동이 필요합니다. 

고전압 배터리는 이러한 회생제동으로 발전된 전기에너지를 저장하는 장치로 활용되고 있습니다. 마지막으로 수소전기차에 안정된 전압을 공급하기 위해서도 고전압 배터리가 필요합니다. 앞서 설명드린 바와 같이 수소전기차는 주행상황에 따라 전력소비량이 시시각각 변화합니다. 연료전지에서 전기에너지를 만들어 구동모터에 전원을 공급하기 위해서는 일정한 전압과 전류가 유지되어야 합니다. 

고전압 배터리는 시시각각 변화하는 전력소비량 때문에 순간적으로 큰 전력이 필요하는 등 갑작스러운 전력변화에도 안정적으로 시스템 전압을 유지하는데 도움을 줍니다. 이외에도 고전압 배터리는 저전압 직류변환장치(LDC)를 통해 저전압(12V)으로 변환해 12V 배터리를 충전하거나 인포테인먼트 시스템 등 차량 전장에 사용되는 전원을 공급해 줍니다.

김아롱 칼럼니스트/[email protected]