수소 전기차 구동 원리; 수소연료전지 전기차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle 이하 수소전기차)는 아시다시피 수소연료와 산소의 전기화학반응을 이용해 화학적 에너지를 전기와 열에너지로 변환시켜 주는 연료전지(Fuel Cell Battery)로 구동되는 전기구동차입니다.
고전압배터리의 전원을 이용해 전기모터를 구동시키는 전기차와 달리
연료전지 스택에서 공기와 수소의 화학작용으로 인해 발생되는 전원을 이용해
전기모터를 구동하기 때문에 전기차와는 비슷하면서도 조금 개념이 다른 전기구동차라 할 수 있지요.
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수소전기차의 작동원리는 우선 수소저장탱크의 수소가스가 연료공급시스템을 통해
연료전지스택으로 공급되고 공기공급시스템을 통해 연료전지스택으로 들어온 산소와 화학반응 통해 전기에너지를 발생시킵니다.
이렇게 연료전지스택에서 발생된 전기에너지는 인버터를 통해 구동모터에 전원을 공급하고, 전기모터가 구동 휠을 돌려 차량을 움직여 줍니다.
고전압배터리는 주행상황에 따라 가속 등 큰 힘이 필요할 때 구동모터에 추가적인 전원을 공급하는 등 연료전지스택의 전원을 보조해 주는 역할을 합니다.
또한 차량이 감속 또는 제동할 때 회생제동을 이용해 고전압배터리를 충전해 주지요.
수소전기차의 구조는 다음과 같이 구동모터와 연료전지스택, 수소저장시스템, 고전압배터리, 제어시스템 등으로 구성되어 있는데요.
요즘 다시 주목을 받고 있는 수소전기차의 작동원리를 알아 볼까 합니다.
연료전지시스템=연료전지시스템은 연료전지스택(Fuel Cell Stack)과 연료공급시스템, 공기공급시스템, 열관리시스템으로 구성되어 있습니다.
연료공급시스템은 연료전지스택에 수소를 공급하는 장치이며, 공기공급시스템은 공기압력과 공기량을 조절해 연료전지스택에 공급해 주는 역할을 합니다.
열관리시스템은 연료전지스택에서 산소와 수소가 반응할 때 생성되는 열을 냉각시켜 주는 역할을 하지요.
연료전지스택은 수소와 산소가 전기화학반응을 일으켜 전기에너지를 만드는 핵심장치라 할 수 있습니다.
연료전지스택은 전기생산을 위해 수소와 산소의 화학에너지를 각각 수소극과 공기극에 공급해
연속적으로 변환시키는 전기화학장치로, 각각 분리판(bipolar), 기체확산층(GDL) 및
막-전극 접합체(MEA)로 구성된 여러 개의 단위 셀을 조합한 것을 스택어셈블리라고 부릅니다.
이러한 스택어셈블리는 공기압축기에 의해 공급되는 공기와 수송탱크에 의해 공급되는 수소연료를 이용해 250~450V의 전기를 생성합니다.
수소 전기차 구동 원리
이때 전기에너지를 생성하면서 발생되는 수분은 공기배출구를 통해 외부로 배출되며,
연료전지스택의 모든 셀을 통과한 후 사용되지 않은 수소는 재순환됩니다.
연료전지스택은 수소와 산소의 화학반응 과정에서 열이 발생하므로 연료전지스택 전용 냉각수를 순환시켜 시스템을 식혀줍니다.
연료전지스택에서 산소와 수소가 전기화학반응을 할 때 발생되는 열을 낮춰주는 역할을 하는 열관리시스템은
연료전지스택 냉각펌프, 라디에이터 미츠 쿨링 팬, 이온탈거장치, 실내 히터코어, 온도센서 등으로 구성됩니다.
연료전지스택 냉각펌프는 240V 이상의 고전압을 사용하며 인버터에 의해 구동되며,
연료전지 차량 컨트롤유니트(FCU)는 연료전지스택 입구와 출구에서 측정된 온도를 기초로
연료전지스택 냉각펌프를 제어합니다.
이외에도 연료전지 차량 컨트롤유니트(FCU)는 내연기관의 ECM처럼 수소전기차의 주요시스템을 전반적으로 제어하고 있기도 합니다.
연료전지스택 냉각수 필터는 연료전지스택 냉각수로부터 이온을 포집하는데, 연료전지스택 냉각수가 너무 많은 이온을 가지고 있는 경우 절연저항이 저하될 수 있기 때문이지요.