현재 남아있는 최대 걸림돌은 충전 인프라다. 일반인의 이용이 가능한 수소충전소가 턱없이 부족한 것. 예컨대 세계 최대 자동차 시장인 미국의 경우 현존 공용 충전소가 10여개에 불과하며, 그나마 캘리포니아주에 집중돼 있다. 다만 미국, 유럽, 일본 등을 중심으로 여러 국가들이 충전소 확충에 적극적 행보를 보이고 있다. 일본의 경우 올해 내에 100개소를 가동한다는 목표다. 이런 추세가 다른 국가로 지속 확산되며 수소자동차의 가치를 높여줄 것이다.
토요타 미라이
주행거리: 약 480㎞
가격: 723만6,000엔 (보조금 포함)
구입: toyota.com/mirai (국내 출시 미정)
1. 수소 저장용기
뒷좌석과 트렁크 아래에 위치한 2개의 탄소섬유 용기에 5㎏의 기체수소가 1만psi의 고압으로 저장된다. 섬유를 감아서 만든 용기인 만큼 폭발위험은 없으며, 충돌사고 등 비상상황이 감지되면 밸브를 차단해 수소공급을 막는 센서도 채용돼 있다.
2. 산소 공급
차량 전반의 라디에이터 그릴로 유입되는 공기(산소)가 연료전지 스택으로 보내진다. 그리고 수소와의 화학반응을 통해 전력이 생산된다.
3. 전력 제어 장치
전력 제어 장치가 미라이의 두뇌이자 에너지 관리자 역할을 한다. 연료전지 스택에서 생산된 전력을 전기모터로 보내며, 가속 시에는 배터리에 저장돼 있던 전력을 추가로 보내 파워를 높여준다.
4. 배터리
미라이의 니켈수소(NiMH)배터리에는 연료전지가 생산한 전력 중 차량 운행에 쓰이지 않은 잉여 전력만 저장된다.
5. 전기 모터
전기가 모터를 통과하면 모터 주변에 고정된 링 형태의 고정자(stator)가 양극화되면서 회전 자기장이 생성된다. 그러면 로터의 자석이 이 자기장과 정렬, 자기장과 동일한 속도로 회전하면서 동력전달장치에 동력이 공급된다.
모터로의 전력 공급량이 많을수록 고속 주행이 가능하다. 제동 시나 관성에 의해 달릴 때는 전기모터가 생산한 전력이 배터리에 저장된다.
[PEM 연료 전지]
토요타 미라이의 연료전지는 크게 양극과 음극, 고분자전해질막(PEM)으로 이뤄져있다. 단일 연료전지 셀로는 생산 가능한 전압이 약해 다수의 셀을 적층해 스택 형태로 사용하는데 정확히 370개가 적층돼 있다. 연료전지 셀이 화학에너지를 전력으로 변환하는 메커니즘은 이렇다. 먼저 수소가 유로(flow field) 패널을 거처 양극으로 간다. 그러면 백금-코발트 촉매가 수소 분자(H2)를 양으로 대전된 이온과 음으로 대전된 전자로 분리한다.
이후 PEM이 이온만 통과시키고 전자를 차단함으로써 전류를 발생시킨다. 마지막으로 전자와 이온이 음극에서 산소와 만나 물이 되면서 수증기 형태로 배기구에서 배출된다.
