수소 연료 자동차와 내연기관자동차 비교글

[주인장]

수소연료전지 자동차는 연료전지로부터 생산된 전기로 구동되는 전기자동차의 일종입니다. 모터에서부터 바퀴에 이르는 구조는 기존의 전기자동차와 같은데, 기존의 전기자동차와는 달리 저장된 전기를 사용하는 것이 아니라 전기를 만들면서 모터를 돌려 차량을 달리게 하는 것입니다. 그렇지만 연료전지만으로는 전기를 만들 수는 없고 연료전지 주위에 운전에 필요한 주변장치(Balance of Plant, BOP)들을 장착해서 이 장치들이 자동차의 운전 상황에 따라 연료전지에 필요한 양의 연료와 공기를 공급해 주고, 적절한 온도를 유지하기 위해 냉각수도 돌려주게 됩니다. 이렇듯 연료전지와 연료전지를 구동시키는데 필요한 주변장치들을 합쳐서 연료전지 시스템이라고 말합니다.
수송용 연료전지 중에 자동차의 주동력으로 사용되는 연료전지는 대표적으로 프로톤 교환막 연료전지(Polymer Electrolyte Membrain Fuel Cell. PEMFC)이며 기본이 되는 연료는 수소입니다. 수소 이외에 메탄올, 가솔린, 디젤, 천연가스와 같은 연료를 사용할 경우에는 이들 연료로부터 수소를 생산하기 위해 별도의 연료변환기를 장착해야 합니다.

<수소연료전지자동차 구조>

  연료전지 자동차 개발 초기에는 연료 변환기가 장착된 시스템의 연구가 활발하였으나 시간이 지나면서 연료 변환장치를 자동차에 장착하지 않고 수소 충전소에서 연료 변환을 통해 생산된 수소를 충전하는 방식으로 연료 공급의 개념이 바뀌고 있습니다. 현재는 고압 수소 탱크를 사용하여 연료변환장치 없이 직접 가압된 수소를 연료로 사용하는 것이 일반적인 추세입니다. 그림은 수소 연료전지자동차의 구조를 나타낸 것입니다.
  연료에서 구동에 이르기까지의 에너지 흐름의 관점에서 보면 연료 저장 시스템, 연료전지발전시스템, 전기 동력시스템으로 나눌 수 있습니다. 고압수소탱크에서 연료전지로 연료인 수소가 공급되며 전기화학 반응에 필요한 산소는 대기 중의 공기로부터 공급됩니다. 한번 연료전지 스택에 공급된 수소는 대기 중으로 방출 되는 것이 아니라 수소 이용률을 높이기 위해 수소탱크의 수소와 혼합되어 다시 연료전지 스택에 공급됩니다. 이런 방법을 통해 연료의 소비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 대량의 수소가 공기 중으로 방출되어 발생할 수 있는 위험을 줄일 수 있습니다. 공기와 수소의 반응에 의해 연료전지 스택에서 생성된 직류 전기는 인버터를 통해 교류 전기로 바뀐 뒤 전기 구동모터에 공급됩니다. 구동 모터에서 발생되는 회전 운동 에너지는 감속기를 통해 적절한 회전수로 감속되어 바퀴에 전달됩니다.

<내연기관과 수소연료전지자동차 비교>

  연료전지시스템을 좀 더 상세히 살펴보면 자동차의 엔진역할을 하는 연료전지 발전모듈에 연료인 수소를 공급하기 위한 연료공급계, 산화제인 공기를 공급하기 위한 공기 공급계 및 연료전지 발전모듈과 연료전지시스템의 열/물 관리를 위한 열 및 물 관리계, 연료전지시스템의 운전/제어를 위한 연료전지 제어기 및 제어 기술부로 구분할 수 있습니다.
  연료전지자동차의 동력발생은 연료전지가 전기에너지 외의 별도의 기계적인 구동력을 발생시키지 않기 때문에 회전력을 필요로 하는 모든 샤시 부품들이 전기로 구동됩니다. 워터펌프, 에어콘 컴프레셔 등은 전기모터로 구동되며 진공을 형성하기 위해 별도의 진공펌프가 필요합니다. 이러한 전기 구동모터 및 장치들을 운전하기 위해서는 각 부품들의 전압 사양을 맞추어 주어야 합니다.

연료전지의 기본 원리
  수소연료전지의 기본구조는 고분자전해질 막을 중심으로 양쪽에 다공질의 연료극(anode)과 공기극(cathode)이 부착되어 있는 형태로 되어 있습니다. 재료만 다를 뿐 보통의 전지 구조와 흡사합니다. 양극에선 수소가 이온화되며 전자를 내놓는데, 이 전자는 중간의 전해질을 통해 음극으로 이동하고 그곳에서 공기와 반응해 물을 만듭니다. 이 때 전자가 이동하는 과정에서 우리가 얻고자 하는 전기에너지가 발생하는 것입니다.
우리가 사용하는 수소연료전지는 양극, 음극, 전해질로 구성된 하나의 단위전지가 여러 개 겹쳐진 적충구조를 이루고 있습니다. 전류는 단위전지 면적에 따라 전압은 저장을 하고 단위전지 개수에 따라 조절되므로 수소연료전지는 전력을 자유자재로 결정할 수 있다는 장점도 있습니다.

<연료전지 원리>

수소연료전지자동차의 구조
연료전지자동차는 연료전지 스택, 연료전지 주변장치(공기압축기, 열교환기 등), 연료공급장치, 보조동력원, 그리고 모터 및 모터 제어기로 구성되어 있습니다.
 1) BOP(Balance of Plant)
내연기관에는 연료 및 공기 공급, 냉각, 배기를 위한 장치로 구성된 엔진 운전 장치가 있듯이, 연료전지 발전 시스템에도 같은 기능을 하는 연료전지 운전 장치가 있는데, 열 및 물질 수지 개념을 중요시하는 화학 공정에서는 이를 BOP라 한다.
   ① 공기공급계(APS: Air Process System)는 연료전지 스택에 수소와 반응을 할 공기(산소)를 공급하는 시스템으로 에어클리너, 공기공급기(Air Blower 또는 Air compressor)등으로 구성 되어 있습니다.
   ② 열 및 물 관리계(TMS: Thermal Management System)는 전체 시스템에서 필요로 하는 물 균형을 유지하는 기능이 있으며, 또한 반응 시 스택은  열을 발생하게 되는데 이를 적절한 온도로 유지하는 기능을 합니다. 구성부품으로는 라디에이터, 물펌프, 이온제거기, 물탱크 등이 있습니다.
   ③ 수소공급계(FPS: Fuel Process System)는 스택에 수소를 공급하는 시스템으로 여기에는 수소 탱크, 압력 조절기, 수소재순환기 등으로 구성되어 있습니다.
 2) 연료전지 스택(고체 고분자 전해질막(PEFC))
연료전지자동차용으로 주로 사용되며 특징은 다음과 같습니다.
   ▪ 전해질로 고체고분자막을 사용하기 때문에 양극간의 차압제어와 가압화가 쉽습니다.
   ▪ 전지는 상온에서 기동할 수 있고, 기동시간이 짧습니다.
   ▪ 플라스틱 등의 값싼 전지 구성재료를 사용할 수 있습니다.
   ▪ 내부저항이 낮아 고출력밀도를 얻기가 용이하여 소형, 경량화가 가능합니다.
   ▪ 100℃ 이하의 저온에서 운전 할 수 있습니다.
   ① 전극
   고체 고분자막형 연료전지에서 사용되고 있는 전극은 고분자 전해질막과 일체화 접합된 것으로, “투과막/전극접합체(MEA : Membrane/Electrode Membrane)"라 칭합니다. 이것은 백금계 촉매를 입힌 카본 분말을 투과막소재에 분산시킨 박막인데, 이 박막을 투과막의 앞뒤에 발라 MEA로 만듭니다. MEA의 두께는 0.2mm 정도로 전극의 두께는 약 10미크론, 전극속에 포함되는 백금계촉매는 0.1∼0.5g/cm2 정도입니다. 보통은 MEA 양쪽에 100∼300 미크론 정도의 다공질 탄소막을 접합시켜 연료극(수소극, 아노드극), 공기극(산소극,캐소드극)으로의 기체의 확산을 최적화시키며, 촉매층과 접촉을 용이하게 합니다. 이 다공질탄소막이 연료극에서는 수소이온의 이동에 필요한 수분의 공급율, 공기극에서는 생성된 물의 제거를 제어하는 역할도 합니다.
  ② 분리막(Separator or Bipolar plate)
    분리막은 연료와 공기의 통로가 되는 홈이 파인 플레이트입니다. MEA의 외측에 접합된 다공질탄소막에 다시 접합됩니다. 이 플레이트는 연료와 공기를 공급할 뿐 아니라 연료극 측에서는 수분의 보급통로로, 공기측에서는 생성된 물의 제거통로로서의 기능을 가지고 있습니다. 그리고 외부회로로 전기를 흘리는 역할도 합니다. 그러기 때문에 홈의 깊이와 폭 등 구조적인 인자가 연료전지의 출력효율에 크게 영향을 미치는 중요한 기술요소가 되는 것입니다..
 3) 보조전원
연료전지자동차에서 연료전지 스택의 내구수명을 증대시키고, 주행거리와 연비향상을 위하여 보조전원으로 이차전지나 슈퍼캐퍼시터 등이 사용됩니다.
   ① 이차전지

     이차전지는 소형기기와 모바일 단말기를 중심으로  사용되고 있으나 자동차용으로는 최근 하이브리드 자동차에 채용되는 대용량 이차전지가 있습니다. 연료 전지시스템에서의 이차전지는 연료전지와 하이브리드 시스템의 구성기기로서 중요하여 연료전지 출력의 안정화와 비상시 예비전력으로서 중요한 역할을 담당합니다. 연료전지시스템과의 이용에 있어서는 현재 이용되고 있는 Ni-MH, Li-폴리머 등 있습니다.
   ② 전기축전장치(Capacitor)
    혼다사에서는 전지축전장치로 supercapacitor를 채용하고 있습니다. Capacitor는 축전지와 마찬가지로 전력을 저장하는 부재로서 특성은 순간적인 충전과 방전이 가능하고 거의 무한하게 충전과 방전이 가능하다는데 있습니다. 2002년 6월에 일본 Nissan디젤이 출시한 supercapacitor 하이브리드 트럭은 capacitor를 자동차용으로 탑재한 상품 세계 제1호가 되어 화제를 모으고 있습니다. 연료전지 시스템에서 capacitor는 주로 자동차용으로 사용되는 것으로 생각되고 있고, capacitor의 순간방전 특성을 살려 연료전지의 출력부족을 보완하고 시동시와 가속시 등의 고출력보조로서 사용되고 있습니다. 그러나 capacitor는 이차전지에 비하여 에너지 밀도가 작아 같은 급의 전력용량을 확보하기 위해서는 대형화가 불가피하여 이에 대한 극복이 과제로 남아있습니다.
 4) 수소저장탱크

수소를 자동차에 탑재하기위한 방법으로는 크게 고압수소가스 저장, 액체수소저장, 수소흡장물질에 의한 저장, 탄소나노기술에 의한 저장 등 네 가지 방법이 있습니다.
   ① 고압수소가스 저장탱크
   고압기체수소저장용기는 세계적으로 타입3 복합용기와 타입4 복합용기가 천문학적 규모의 미래시장을 선점하기 위한 사활을 건 기술경쟁을 펼치고 있습니다.
   먼저 타입3은 용기 전체를 유리섬유 또는 탄소섬유 등으로 감아 적층시킨 형태의 용기입니다. 용기내부하중 대부분을 섬유와 수지에 의한 복합재료부분에서 감당하기 때문에 내부 금속라이너가 받는 하중이 적어 용기의 경량화가 가능하다는 점이 최대 특징입니다.

   반면 타입4는 비금속 라이너에 수지를 함침(含浸)한 연속섬유(탄소섬유)를 용기에 감은 후 가열하여 수지를 경화시키는 방법으로 제조되었습니다. 비금속 라이너에 주로 사용하는 재질은 고밀도폴리에틸렌(HDPE)이며 함침 수지는 타입3 및 타입4와 같이 에폭시(epoxy)계열을 사용합니다. 섬유 또한 유리섬유는 E-calss, 탄소섬유는 폴리아크릴로니트릴(PAN)계를 주로 사용하고 있습니다. 이와 같은 라이너의 재질을 제외하면 타입4는 타입3용기와 복합재료층의 구조가 동일합니다. 그러나 비금속라이너를 사용하는 타입4 용기는 알루미늄라이너를 사용하는 타입3에 비해 가스누출이나 금속보스와 라이너의 기밀상태 등의 완벽치 못한 것으로 알려져 있습니다. 타입4가 타입3에 비해 앞선 기술임에 틀림없지만 연료전지 자동차용 수소저장용기로는 전 세계적으로 타입3이 우위를 점하고 있는 이유가 여기에 있습니다.
   한편 타입3이나 타입4 모두 현재의 실용화 기술은 350bar에 머물러 있지만 최종 목표는 700bar이다. 에너지밀도가 낮은 기체수소를 연료로 사용하는 수소자동차가 기존 가솔린 자동차와 유사한 수준의 주행거리를 갖추기 위해서는 최소한 700bar 이상의 초고압으로 저장할 수 있어야하기 때문입니다. 이는 700bar이상의 고압을 견뎌낼 수 있는 복합용기가 연료전지 자동차용 저장매체로서 유일한 해답으로 인정받는 까닭이기도 합니다. 아래 표는 타입3과 타입4의 장단점을 비교한 것입니다. 일반적으로 타입3은 신뢰성 측면에 강점을 보이며 타입4는 가격과 중량면에서 유리한 것으로 볼 수 있습니다. 반면 타입4는 누출을 비롯 수소에 대한 폴리머라이너의 침투성, 온도에 대한 취약성 등이 기술적으로 해결해야할 과제입니다. 타입3의 경우 기술적 어려움은 크지 않지만 용기의 용량이 커지면 공정이나 가격에서 타입4보다 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있습니다.
   이러한 이론적 장단점에도 불구하고 현재 상용화되어 있는 CNG용 압력용기에 있어서는 타입3과 타입4는 가격 및 중량이 거의 비슷한 상황입니다. 안정적인 개발과 신속한 실용화의 관점에서는 타입3이 유리하며, 앞으로의 기술발전에 역점을 두면 타입4가 더 유리한 것으로 볼 수 있습니다.

 ② 액체수소저장탱크

   액체수소저장에서는 수소를 액화온도인 -253℃까지 냉각시켜 저장탱크에 저장하는데, 냉각시키는데 수소가 가지고 있는 에너지의 약 43%를 소비해 공급시의 손실이 크고, 10∼20%가 증발해 버리고, 증발하지 않도록 단열시켜도 하루에 2∼3%정도의 액체수소가 증발하는 문제점이 있습니다.

5) 변환기
연료전지스택에서 발생한 전기는 DC 형태로서 이를 AC로 변환하기 위하여 인버터를 거치게 됩니다.

수소연료전지자동차의 특징
수소연료전지자동차는 배기가스가 전혀 없고 물만을 배출하는 완전 무공해자동차입니다. 최근 내연기관자동차는 배출가스 저감기술의 발전으로 배기가스가 거의 존재하지 않는 자동차를 개발하고 있으나, 화석연료의 특성상 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출 문제를 안고 있습니다. 이에 비해 수소연료전지자동차는 이산화탄소의 배출이 전혀 없는 완전 무공해 자동차입니다.
연료전지자동차의 최대 매력중의 하나는 높은 연료전지의 효율에 있습니다. 연료전지는 낮은 온도에서 작동하면서도 최적 조건에서는 60% 이상의 효율을 가지고 있습니다. 이는 우리가 열역학에서 일반적으로 배워 온 이상적인 내연기관 사이클의 효율을 훨씬 뛰어넘는 것입니다. 요즘 대부분의 연료전지 자동차는 하이브리드 기능을 가지도록 고전압 배터리나 슈퍼 커패시터를 동시에 장착한 형태로 개발되기 때문에 일반적으로  FCEV라 하면 연료전지 하이브리드 자동차를 의미합니다.