수소 연료전지 자동차에 대해 알아보자
소수 연료전지의 역사
1839년 William Groves가 전기분해 셀의 양전극에 수소와 산소를 공급하였을 때 외부 전도체를 통하여 전류가 흐르는 것을 발견함으로써 연료전지 원리를 발표하였으나 자동차에 적용하기 위한 연구는 1980년 후반에 미국의 DOE의 지원으로 본격적인 연구가 시작되었다. 수소가스를 양극(anode)에 공급하면 전기화학반응(electrochemical reaction)에 의하여 전극 표면에서 양자(protons)와 전자(electrons)를 생성한다.
이렇게 발생된 전자는 전도체를 통하여 음극으로 이동하며 양극 사이에 설치되어 있는 모터 등을 구동할 수 있는 전기를 발생한다. 음극으로 이동한 전자는 산소 및 이미 발생한 양자와 반응하여 물을 생성한다. 이때 백금촉매를 사용하여 반응속도를 촉진하면 실용화가 가능한 전류량을 얻을 수 있다.
양극에서의 반응식: H2 → 2H+ + 2e- : 음극에서의 반응식: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O ∙연료전지의 연료를 수소로 사용할 경우의 연료전지의 반응은 “2H2 + O2(산화제) → 2 H2 O + 전기”이다. ∙연료전지의 장점으로는 효율이 90% 이상이며 특히 부분부하에서 높다. 현재의 연료전지 1개는 0.55-0.75V 전압 범위에서 0.8-1.2 A/cm2 정도의 전류를 얻을 수 있는 수준이다.
자동차 모터를 구동할 수 있는 전류를 얻기 위해서 여러개의 연료전지를 직렬 또는 병렬로 연결(stack)하여 사용한다. 5.7.2 연료전지장치의 종류 ∙연료전지 설계는 전해질의 종류에 따라 현재 5종류의 방식이 연구되고 있다. 연료전지의 연료는 수소로 제한되어 있지는 않으며 일반적인 연료전지의 반응은 “연료 + 산화제(oxidant) → H2O + 전기 + 기타 부산물”로 표현된다.
수소연료의 개발과정
가장 단순한 형태의 연료전지는 수소를 직접 연료로 사용하는 경우이다. 공기는 압축기로 공급하며 연료전지 스택에서 배출되는 수분과 수소의 습기를 제거하기 위한 제습장치와 냉각시스템 등이 추가로 필요하다. ∙수소연료 공급장치가 필요하며 4종류의 저장 방식이 연구되고 있다.
고압가스 실린더가 현재 가장 많이 사용되고 있으며, 1996년도에 발표된 벤츠자동차의 NECAR-2에서 처럼 140리터 실린더 두 개에 250 bar의 압력으로 탑재되어 약 250km 주행 성능을 보인다. 이외에도 금속 수소화물(reversible metal hydride) 방식은 대기상태에서 가장 많은 양의 연료를 저장할 수 있으며, 초저온 액체(cryogenic liquid) 저장 방식, 저온 탄소 흡착(low temperature adsorption on carbon) 방식이 연구되고 있다.
메탄올 연료의 경우 수소 시스템에 비해 증발기(vaporiser), 수소 변환기(reformer), gas clean-up system, start-up heater 가 추가된다. ∙가장 중요한 시스템은 증발된 메탄올 연료를 reformer내에서 수소로 변환시키는 방법이다. Steam reforming, partial oxidation, autothermal reforming 등의 방법이 있지만 자동차에는 autothermal reformer가 유력한 방식인 것으로 고려된다.
또한 메탄올연료를 수소로 변환시키는 변환기를 사용하지 않고 직접 메탄올 연료를 사용하는 연구도 진행되고 있다. 이 방식은 효율이 너무 낮아 지금까지는 사용이 고려되지 않았으나 최근 들어 촉매기술이 발전되면서 수소연료 사용 시의 효율과 비슷한 30% 이상의 효율을 얻을 수 있는 것으로 발표되고 있다.
1997년도에 벤츠에서는 A-class급의 콤팩터 차량에 메탄올연료를 사용하는 NECAR-3을 발표하였다. 이 차량의 수소 변환기는 메탄올을 80%까지 수소로 변환시킬 수 있으며 총 에너지 효율(energy-to-road)은 31%로 디젤 승용차의 24% 보다도 높다. 또한 제동에너지까지 회수할 경우 40%를 충분히 상회할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
가솔린 연료를 사용할 수 있으면 기존의 연료제조 시설과 공급망을 그대로 사용할 수 있으면서 배기 공해를 대폭적으로 줄일 수 있어 타 시스템에 비해 매우 유리한다. 수소 변환 시스템을 활용할 경우 훨씬 복잡하긴 하지만 가솔린으로부터 수소로 변환하여 전체 효율을 30% 이상 얻을 수 있는 것으로 분석하고 있다.
크라이슬러에서 가솔린 연료전지자동차 개발에 주력하고 있다. 기존 가솔린 엔진에 비해 열효율이 50% 이상 높으며 따라서 1회 주유 시의 주행거리도 길어져 640km 이상이 될 것으로 기대하고 있다. ∙연료전지는 전기를 발생시키는 장치이며 축전지와 같이 에너지를 저장하는 장치는 아니다.
연료전지의 결점으로는 부하변동에 따르는 반응속도가 느려서 차량 냉간 시 출발과 급가속 성능이 떨어진다. 또한 시스템 가격은 약 $200/kw으로 그동안 많이 낮아졌지만 아직도 엔진 시스템($30/kw)에 비해 크게 높아 실용화에 중요한 장애요인으로 작용하고 있다. 크라이슬러에서는 2010-2015년경에 가격경쟁을 할 수 있는 가능한 수준으로 개발이 가능할 것으로 기대하고 있다. 5.8 수소자동차 ∙수소엔진에 대한 연구는 1805년 스위스의 Rivaz가 최초로 개발하여 발표한 바가 있으며, 1920년대에 영국의 Ricardo 연구소에서 본격적인 연구가 수행되었다.
1970년에 일본 무사시공대의 Furuhama 교수가 수소 1호 차량 개발을 필두로 액체수소를 사용하는 승용차인 무사시 8호, 냉동차인 무사시 9호 개발 등의 지속적인 연구를 진행하고 있으며, 일본 기계연구소에서도 1987년에 연소실내 직접분사방식 엔진을 개발하여 차량에 탑재하여 주행을 성공하였다. ∙국내에서도 성균관대학에서 1987년부터 수소엔진개발 연구를 진행하여 오고 있으며, 현대자동차에서도 정부 연구사업으로 수소자동차 개발을 수행하고 있다.
수소 엔진연료 특성
수소연료의 비점은 -253oC로 매우 낮아 상온에서는 기체상 태이다. 그러나 LPG와 같은 통상의 기체 연료와는 물성치에 큰 차이가 있어 기존 엔진의 연료전환 기술 개념으로는 개발이 용이하지 않다. ∙수소연료는 가연 범위가 0.1-7.1로 넓고, 점화 에너지가 0.2mJ로 작으며, 연소 속도가 빨라 희박 연소가 용이하며 특히 저부하 영역에서는 열효율이 증가한다.
그러나 조기점화(preignition) 가능성이 크며, 고부 하영 역에서는 역화가 발생하기 쉽다. 또한 연소실내 유동 증가는 도리어 연소에 역효과를 줄 수도 있어 연소실 설계에 기존 엔진과는 차별화되는 개념이 필요하다. ∙자발화 온도가 585oC로 가솔린보다도 높아 강제 착화 방식을 사용하여야 한다. ∙질량 대비 발열량은 가솔린에 비해 2.7배 크다.
그러나 상온에서는 가스상태로 밀도가 작기 때문에 저장용기의 크기와 무게가 문제되며, 흡기관 분사방식에서는 출력의 저하가 현저하다. ∙단열 화염온도 및 열 전달계수가 커서 냉각 손실 및 연소실 벽면 온도를 증가시키며 따라서 냉각시스템과 열부하에 대한 대책이 필요하다. ∙윤활유 연소에 의한 미량 이외에는 미연 탄화수소와 일산화탄소 배출이 없어 공해가 적다. 그러나 단열 화염온도가 석유계 연료보다 다소 높아 질소산화물 생성이 증가하며 연소 소음이 발생하여 이의 대책이 필요하다.
수소엔진 연구과제
연료공급장치 개발과 이상연소 원인규명에 주로 중점이 두어져 왔다. 초기에는 고 부하시의 역화현상을 방지할 수 있는 연구가 이루어져 왔으며, 차츰 고출력화를 구현할 수 있는 연료공급장치 개발로 진행되어 왔다. 현재는 질소산화물 저감 및 조기 점화 등의 이상 연소 현상 규명과 억제에 관심이 집중되고 있다. 또한 수소자동차의 실용화를 위하여 가장 장애 용인으로 작용하고 있는 저장용기 개발도 중요 연구과 제이다. ∙
수소연료의 엔진공급방식
흡기 관내 분사식과 연소실내 직접분사방식으로 크게 나눌 수 있다. ∙흡기 관내 분사방식은 장치가 비교적 간단하고 저압의 수소를 사용할 수 있으며, 기존 엔진을 크게 개조하지 않고 사용할 수 있는 장점이 있다. 그러나 수소와 공기가 혼합하여 연소실로 공급되는 예혼합 방식이기 때문에 체적 효율이 저하하여 출력이 가솔린에 비해 30%까지 감소되는 단점이 있다.
또한 흡기 관내에 항상 가연수소 혼합기가 잔류하고 있으며 특히 고부하시 역화의 가능성이 높다. 연료의 특성상 농후한 혼합기가 사용되는 고부하영역에서는 쉽게 조기착화가 일어나고, 또한 연소속도가 빨라 흡기밸브를 통해 화염이 흡기관내로 전파하여 흡기관내의 연료홉합기가 연소하는 역화현상이 발생할 수 있는 가능성이 높다. ∙연소실내 직접분사방식은 공기가 연소실내에 흡입되고 흡기밸브가 닫힌후 수소연료를 연소실내에 직접분사하기 때문에 흡기관내 분사방식의 단점인 체적 효율 저하와 역화 문제는 발생하지 않는다.
그러나 인젝터를 연소실에 설치하기 위해서는 연소실 헤드의 재설계가 선행되어야 하며, 짧은 시간에 정확한 량의 연료공급을 위한 제어장치가 필요하다. 또한 공급하는 수소연료의 압력이 상당히 높아야 하기 때문에 누설과 작동의 확실성 등이 요구되어 이를 만족하기 위해서는 연료공급장치의 구조가 복잡해진다. ∙
연료분사 기구 작동방식에는 기계식, 유압식, 솔레노이드 방식 등이 있으며, 현재는 분사시기와 분사 기간의 제어가 용이한 솔레노이드 방식이 대부분 연구되고 있다. 엔진에서의 솔레노이드 밸브 작동조건은 상당히 고속이기 때문에 응답속도가 매우 중요하다. 따라서 구동력이 크면서 응답성이 빠른 솔레노이드밸브 및 구동회로 개발도 중요한 연구개발의 대상이 되고 있다.
수소 저장기술의 미래
기체, 액체, 고체상태로 저장하는 방안이 제안되고 있다. (1) 액체 수소용기 ∙액체수소를 만들기 위해서는 많은 에너지가 필요하여 제조 가격이 고가이며, -253oC의 저온으로 보관하여야 하기 때문에 극저온용기가 필요하다. 또한 용기를 통해 하루 1-2%의 연료가 증발하는 문제점이 있다. (2) 고압가스 용기 ∙200 bar 이상의 고압으로 저장하며 용기 중량이 무거운 단점이 있으며 안전 측면에서도 제약조건이 많다. 최근에는 복합재료를 사용하여 용기의 경량화가 상당히 진전되고 있다. (3) 수소저장 합금 ∙수소저장 밀도가 높고 고압용기나 극저온 단열 용기가 필요 없으며 감압 또는 승온의 간단한 조작으로 수소가스의 방출이 용이하여 가장 우수한 저장 방식으로 알려져 있다.
그러나 시스템이 복잡하고 연료 재충전 시간이 길며 중량 면에서도 불리한 점등의 문제점이 있다. ∙수소저장 합금 개발과 연료 저장탱크 제작에 대한 기술 확보가 핵심이다.
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