현대 수소연료전지 기술: ix35 Fuel Cell

언뜻 보기에 현대 ix35 Fuel Cell은 울산, 한국의 조립 라인에서 생산되는 다른 모든 차량과 다를 바 없어 보인다. 파란색 배지, 그릴, 배기관이 없다는 점 등 몇 가지 미묘한 변화가 있지만, 기본적으로는 동일한 라인에서 생산되는 가솔린 및 디젤 모델과 동일해 보이다.

그리고 그래야만 한다. 세계 최초의 양산형 ix35 Fuel Cell 차량의 디자인 철학은 기존 자동차처럼 보이고, 주행하고, 작동하여 운전자에게 어떠한 타협도 요구하지 않아야 한다는 것이다. 또한 기존의 가솔린 또는 디젤 모델과 유사한 성능과 주행 거리를 제공해야 한다.

그러나 한 가지 큰 차이점은 배기관에서 배출가스가 전혀 나오지 않는다는 점이다. 1998년부터 집중적인 개발 끝에 2013년 2월 말 첫 번째 양산형 ix35 Fuel Cell이 라인에서 출고됐다. 흰색 ix35는 덴마크 코펜하겐과 스웨덴 스코네 지역의 관공서 고객에게 인도될 17대 중 첫 번째 차량이었으며, 해당 지역 당국은 대규모 수소 프로젝트를 시작했다.

실제 주행 테스트

이 차량과 파워트레인은 한국 마북에 있는 현대의 연료전지 R&D 센터에서 설계됐다. 이 콘셉트는 이미 유럽, 한국, 미국에서 실제 조건에서 200만 마일 이상의 테스트를 주행했다.

현대는 현재부터 2015년까지 전 세계에 공급할 총 1,000대의 ix35 Fuel Cell 차량을 생산하기로 약속했으며, 대부분은 유럽에 공급될 예정이다. 이 차량들은 지속 가능한 수소 로드맵이 수립됨에 따라 유사한 시범 사업에 참여할 것이다. 5대의 차량이 곧 런던 거리에서 테스트될 예정이며, 연말까지 추가 인도가 계획되어 있다.

ix35가 현대의 첫 번째 연료전지 차량의 베이스로 선택된 이유 중 하나는 기존 차량의 매력 때문이다. SUV와 패밀리카의 특성을 겸비한 ix35는 실용성과 스타일을 고루 갖췄다.

연료전지 버전을 개발하면서 현대의 엔지니어들은 연료전지 스택, 수소 탱크, 배터리 및 기타 주요 구동계 제어 시스템의 장착이 차량의 사용성에 영향을 미치지 않도록 했다.

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연료전지는 후드 아래에 위치하며, 고전압 정션 박스 및 전륜을 구동하는 소형 전기 모터와 같은 다른 부품들과 함께 배치된다. 고전압 배터리와 인버터 시스템은 방수 케이스에 수납되어 차량 하부에 장착되며, 최적의 무게 배분을 위해 중앙에 위치한다.

연료전지 자체의 주요 구성 요소는 음극(anode)과 양극(cathode)이며, 그 사이에 양성자 교환막(PEM)이 샌드위치처럼 끼워져 있다.

수소는 연료전지 스택으로 유입되어 음극을 통과한다. 이때 수소 분자 내의 전자는 음극을 따라 이동하고, 수소 분자의 양성자는 양성자 교환막을 통과한다. 전자는 음극을 따라 계속 흘러 전기 회로를 거친 후 양극을 따라 이동한다. 이 전자의 흐름이 차량의 배터리와 모터에 전하를 생성한다. 전자는 PEM을 통과한 양성자와 다시 결합하고 대기 중의 산소와 반응하여 수증기를 생성한다.

연료전지 스택은 BOP(Balance of Plant)로 알려진 지원 시스템에 의해 제어되며, 열과 물질 흐름을 세심하게 관리한다. ix35의 BOP는 열관리 시스템(TMS), 공기 처리 시스템(APS), 연료 처리 시스템(FPS)의 세 가지 주요 요소로 구성된다.

열 관리

연료전지 스택 작동 중 열이 발생하며, 이는 효율에 영향을 줄 수 있다. ix35 Fuel Cell에서 TMS는 연료전지 스택의 온도를 최적 수준으로 유지하며, 필요에 따라 냉각수를 다른 위치로 보내는 삼방향 밸브가 있는 스택 워터 펌프 등 다양한 요소로 구성된다.

연료전지 차량은 연료전지 내 전기화학 반응을 위해 안정적인 공기(산소) 공급도 필요하다. ix35 Fuel Cell의 APS는 거의 소음이 없고 응답성이 빠른 블로어와 차량 미사용 시 공기 흐름을 차단하는 차단 밸브로 구성되며, 고급 공기 필터가 미립자 물질과 SO2(이산화황) 같은 화학 물질이 연료전지로 유입되는 것을 차단한다.

FPS는 수소 탱크의 고압 수소를 연료전지 스택에서 사용할 수 있는 저압 수소로 변환하고, 스택 내 잔여 수소를 재순환시켜 재사용한다.

낮은 무게 중심

리튬이온 배터리는 최적의 무게 배분과 낮은 무게 중심을 위해 차량 중앙 하부에 장착된다. ix35 Fuel Cell에는 시동 및 내비게이션 시스템과 같은 보조 장치에 전원을 공급하는 기존의 12V 배터리도 트렁크에 있다.

강도를 유지하면서 무게를 줄이기 위해 탄소 섬유와 알루미늄으로 제작된 두 개의 상호 연결된 수소 가스 탱크가 있다. 하나는 러기지 플로어 아래에 있고, 두 번째로 작은 탱크는 리어 액슬 앞쪽에 있다. 두 탱크는 700bar에서 5.6kg의 수소를 저장하며, 이는 594km(369마일)의 주행 거리에 충분한 양이다.

연비 수치를 전통적인 km/l 또는 mpg 수치로 환산하는 것은 까다로울 수 있지만, 그러기 위해서는 수소와 휘발유의 에너지 함량을 비교해야 한다. 594km의 주행 거리와 5.6kg의 수소 탱크 용량을 기준으로 계산하면, 수소 1kg당 106km의 주행 거리를 제공한다. 수소는 휘발유 약 3.7리터와 동일한 에너지 함량을 가지므로, 이는 "전통적인" 수치로 약 28.6km/l에 해당한다.

성능은 기존 ix35와 유사하며, 연료전지 출력 100kW(136hp)로 최고 속도는 100mph, 0-62mph 가속 시간은 12.5초, 정지 상태에서 300Nm의 토크를 제공한다. 그리고 배기관 배출가스는 전혀 없다.

연료전지 차량은 기존 ix35보다 100kg 더 무겁고, 트렁크 바닥 아래 수소 탱크는 가솔린 또는 디젤 탱크보다 크다. 따라서 적재 용량은 약 436리터다. 현재 단계에서 생산되는 모든 ix35 Fuel Cell 차량은 좌측 운전석 사양만 제공된다.

주행 모드

ix35 Fuel Cell에는 여러 가지 작동 모드가 있다:

• 연료전지 모드에서는 차량에 탑재된 수소 탱크에서 공급된 수소로 연료전지 스택이 전기를 생산하고, 이 전기가 전기 모터를 직접 구동한다.
• 파워 어시스트 모드에서는 연료전지 스택의 전기에 고전압(25kW) 배터리의 전력이 추가되어 더 강력한 부스트를 제공한다.
• 파워 충전 모드에서는 연료전지에서 생산되는 전력의 일부가 배터리에 공급되어 추후 사용을 위해 충전 상태를 유지한다.

감속 및 제동 시 회생 제동 모드를 통해 모터와 인버터가 운동 에너지를 전기로 변환하여 배터리에 저장한다.

운전석에서 볼 때 유일하게 눈에 띄는 변화는 계기판이다. 차량의 작동 모드에 따라 충전량이나 회생 제동 시 회수된 전력량을 표시하는 다른 게이지와 단일 속도 변속기가 적용됐다.

김억조 현대자동차 부회장은 다음과 같이 말했다: “ix35 Fuel Cell을 통해 현대는 무공해 미래로 가는 길을 선도하고 있습니다. “ix35 Fuel Cell은 자동차 업계에서 가장 친환경적인 차량이며, 일상 주행에서 수소 연료전지 기술이 더 이상 꿈이 아님을 증명합니다.”