수소 연료전지차의 폐열 활용 기술 – 효율 극대화를 위한 혁신

1. 수소 연료전지차와 폐열의 관계

수소 연료전지차(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle)는 수소를 연료로 사용해 전기를 생산하는 친환경 자동차다. 수소와 산소의 전기화학 반응을 통해 전력을 얻으며, 이 과정에서 부가적으로 물을 배출하고 상당량의 열(폐열)이 발생한다.

일반적인 내연기관 자동차는 연소 과정에서 발생하는 열을 냉각수나 오일을 통해 관리하지만, 수소차는 엔진 대신 연료전지를 사용하므로 폐열을 활용할 방법이 다르다. 수소차의 에너지 효율을 극대화하기 위해 다양한 방식으로 폐열을 활용하는 기술이 개발되고 있다.

 

 

2. 폐열이 발생하는 주요 과정

수소차의 폐열은 주로 다음 세 가지 과정에서 발생한다.

(1) 연료전지 스택(Fuel Cell Stack) 내부의 전기화학 반응

연료전지 스택에서 수소와 산소가 반응할 때 전력의 약 40~60%만 전기로 변환되며 나머지는 열로 방출된다. 즉, 상당량의 에너지가 폐열로 손실되는 셈이다.

(2) 배터리 충전 및 방전 과정

수소차는 리튬이온 배터리를 보조 전력원으로 사용한다. 충전과 방전 과정에서 배터리 내부에서 발열이 발생하며, 이를 적절히 관리해야 한다.

(3) 모터 및 전력변환 장치에서의 손실

전기모터와 인버터 등의 부품에서도 일부 에너지가 열로 변환된다. 특히 장거리 주행 시 열이 쌓여 성능 저하를 유발할 수 있다.

 

 

3. 수소차에서 폐열을 활용하는 대표적인 기술

(1) 실내 난방 시스템

수소차는 엔진이 없는 대신, 겨울철 난방을 위한 별도의 전력 소모가 크다. 이를 해결하기 위해 연료전지 스택에서 발생하는 폐열을 실내 난방에 활용하는 기술이 적용된다.

예를 들어, **현대 넥쏘(NEXO)**와 **토요타 미라이(Mirai)**는 모두 연료전지 스택에서 발생한 열을 공조 시스템과 연결해 실내 공기를 데우는 방식으로 활용한다. 이를 통해 전력 소모를 줄이고 주행거리를 확보할 수 있다.

(2) 배터리 온도 조절 및 성능 유지

리튬이온 배터리는 온도가 너무 낮거나 높으면 성능이 저하된다. 수소차는 연료전지의 폐열을 배터리 온도를 일정하게 유지하는 데 활용하여 배터리의 성능과 수명을 연장한다.

특히, 겨울철에는 폐열을 이용해 배터리를 예열하여 충전 효율을 높이는 기술이 적용된다. 이렇게 하면 배터리의 방전 속도를 늦추고, 극한 환경에서도 안정적인 출력을 유지할 수 있다.

(3) 연료전지 스택의 워밍업(Warm-up) 시간 단축

수소 연료전지는 온도가 낮을 경우 효율이 떨어지므로 일정 온도까지 예열하는 과정이 필요하다. 일반적으로 전기 히터를 사용하지만, 현대 넥쏘와 같은 최신 모델은 이전 주행에서 발생한 폐열을 저장했다가 시동 시 활용하는 방식을 채택했다.

(4) 차량 외부 활용 – 건물 난방 및 전력 공급

일부 연구에서는 수소차의 폐열을 외부 건물 난방에 활용하는 방안을 실험 중이다. 또한, 수소차가 생산한 전기를 외부에 공급하는 V2L(Vehicle-to-Load) 기술과 결합하면, 배출되는 열을 포함한 에너지를 더욱 효과적으로 활용할 수 있다.

 

 

4. 현대 넥쏘 vs. 토요타 미라이 – 폐열 활용 방식 비교

 

구분	현대 넥쏘	토요타 미라이
실내 난방	연료전지 스택의 폐열을 공조 시스템과 연결하여 난방	연료전지 스택 폐열을 히트 펌프 방식으로 활용
배터리 온도 조절	배터리 냉각 및 예열 시스템 적용	배터리 온도를 최적 범위로 유지하는 냉각 장치 탑재
연료전지 예열	주행 후 남은 폐열을 저장해 차기 시동 시 활용	연료전지 자체 예열 기능 적용
외부 전력 공급	V2L 기능 지원 (가정용 전력 공급 가능)	V2H(Vehicle-to-Home) 기능 적용 (건물 전력 공급 가능)

두 차량 모두 폐열을 적극적으로 활용하고 있지만, 현대 넥쏘는 배터리와 연료전지 효율을 극대화하는 데 초점을 맞추었고, 토요타 미라이는 건물 전력 공급과 같은 외부 활용 가능성을 확대하고 있다.

 

5. 향후 발전 방향 – 폐열 활용의 최적화

현재 수소차의 폐열 활용 기술은 지속적으로 발전하고 있으며, 앞으로 다음과 같은 방향으로 더욱 최적화될 것으로 예상된다.

1. 폐열을 100% 활용하는 기술 개발
   • 현재 폐열의 일부만 재활용되는데, 이를 최대한 활용하여 에너지 손실을 최소화하는 연구가 진행 중이다.
2. 배터리 및 전력 변환 시스템과의 연계 강화
   • 배터리와 전력 변환 장치에서 발생하는 열을 연료전지 시스템과 연결하여 전체적인 열관리 시스템을 최적화하는 방식이 연구되고 있다.
3. 외부 전력망과의 연계 확대
   • 폐열뿐만 아니라 수소차에서 생성된 전력을 건물이나 전력망에 공급하는 기술(V2G, Vehicle-to-Grid)이 점차 확대될 전망이다.

 

 

6. 결론

수소 연료전지차는 친환경성과 효율성을 동시에 추구하는 차세대 자동차 기술이다. 그러나 연료전지 작동 과정에서 상당한 폐열이 발생하는 것이 단점으로 꼽힌다. 이를 해결하기 위해 난방 시스템, 배터리 온도 조절, 연료전지 워밍업, 외부 활용 등 다양한 방식으로 폐열을 재활용하는 기술이 적용되고 있다.

특히 현대 넥쏘와 토요타 미라이 같은 최신 수소차는 폐열을 적극적으로 활용하여 효율을 극대화하는 방식으로 발전하고 있다. 앞으로 수소차의 폐열 활용 기술이 더욱 최적화된다면, 기존 내연기관 차량과 비교해도 손색없는 높은 연비와 에너지 효율을 실현할 수 있을 것이다.

또한, 배터리와 전력 변환 시스템을 포함한 종합적인 열관리 기술이 발전하면서, 수소차의 주행 가능 거리와 내구성이 더욱 개선될 것으로 기대된다. 지속적인 기술 혁신을 통해, 수소차가 전기차와 함께 미래 모빌리티의 핵심 역할을 할 가능성이 높다.