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수소자동차의 원리 및 전망

수소차, 일반차량과의 가격 경쟁력 갖추기 위해 정보 보조 필요

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얼마 전 현대자동차에서 세계최초로 수소자동차를 울산 공장에서 양산하기로 했다는 기사가 뉴스에 나왔다. 양산되는 투싼iX 모델은 혹한인 영하 25도 이하에서도 시동을 걸 수 있으며 최대 주행거리 650km, 최고 속도 160㎞/h까지 낼 수 있다고 한다. 이 모델은 독자 개발한 100KW급 연료전지시스템과 2탱크 수소저장시스템(700기압)을 탑재한 현대차의 3세대 수소차차량이다. 현대는 “올해 말까지 울산 공장에서 투싼iX 수소차 1000대를 생산할 계획이며 주로 덴마크, 노르웨이 등 북유럽 국가들에 판매되어 시범운행 할 예정”이라고 한다. 이러한 수소차의 원리와 장단점을 알아보자.

일반적으로 수소 자동차는 수소를 내연기관의 휘발유 같이 직접 연소시켜 사용하는 자동차와 연료전지(Fuel Cell)에 수소를 사용하여 전기를 얻어 에너지로 사용하는 전기자동차를 모두 포함한다. 직접 수소를 연소시켜서 동력을 얻는 수소자동차는 연소식 수소차라고 부르고 연료전지를 장착한 차량은 수소연료전지차라고 한다. 현재 양산 베이스의 수소자동차로는 BMW의 하이드로젠 7, 현대의 투산iX, 혼다의 FCX 클래리티, GM의 시보레 이쿼낙스등을 꼽을 수 있다. 이 중 BMW의 하이드로젠 7은 수소를 내연기관에서 연소시키는 연소식 방식이고 현대, 혼다와 GM은 연료전지를 이용해 전기를 발생시켜 모터로 구동력을 얻는 수소연료 전지 방식이다. 두가지 방식의 차이점을 비교해 보자.

1. 수소연료전지 자동차
수소연료전지 방식은 가장 많은 자동차회사에서 채택하고 있으며 발전기를 가지고 있는 전기자동차의 일종이다. 연료전지는 물을 전기분해하여 산소와 수소로 분리하는 것과 완전히 반대의 원리이다. 연료전지의 구조는 전기를 전달할 수 있는 `전해질'이라는 물질을 사이에 두고 양극과 음극의 두 전극이 샌드위치의 형태로 위치하게 된다. 연료전지의 음극(+)을 통해 수소가 공급되고 양극(-)을 통해 각각 산소가 공급된다. 음극을 통해 들어온 수소는 백금 등 촉매제(Catalyst)에 의해 수소이온(H+)과 전자(e-)로 분리된다. 분리된 수소이온과 전자는 박막으로 인하여 서로 다른 경로를 통해 양극(+)에 도달하게 되는데, 수소이온은 연료전지의 중심에 있는 전해질을 통해 양극(+)으로 흘러가고, 전자는 외부회로를 통해 이동하면서 전류를 흐르게 하는 동시에 양극으로 흘러가 산소와 결합해 물이 된다. <그림 2>에 연료전지 원리가 설명되어 있다.

연료전지는 1839년 영국의 윌리암 그루브가 처음 발명하였으며, 1960년대 아폴로 우주선 전원으로 개발되었다, 연료전지는 발전효율도 높고 배출 물질도 물 이외에는 배출하지 않아 친환경이어서 자동차 배기가스에 의한 지구 온난화를 막을 수 있는 한가지 방법으로 주목되어 왔다.
자동차용 연료전지는 전해질과 공급되는 기체의 종류 등에 따라 분류하면 고분자전해질연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel), 인산형 연료전지(Phosphoric Acid Feel Cell), 알칼리형 연료전지(Alkaline Fuel Cell), 직접 메타놀 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell),고체고분자형 연료전지(Polymer Electrolyte Fuel Cell), 용융탄산염(Molten Carbonate Fuel Cell), 고체전해질연료전지(Solid Oxide Fuel Cell) 등이 있다.

각 종류마다 장단점이 있으며 인산형 연료전지는 소형발전에 가장 먼저 상용화 돠었으며, 분자전해질연료전지는 자동차에 가장 널리 이용되고 있다. 연료전지를 이용하여 발전하기 위하여 수소를 직접 공급할 수도 있고 개질(reforming)에 의해 수소로 전환할 수 있는 메타놀, 휘발유등을 공급 할 수도 있으나 개질 장치가 필요하다. <그림3>에 전형적인 수소연료전지 차량의 구조가 나타나 있으며 순간 가속도를 높이기 위하여 초강력축전지(Ultracapacitors)를 사용한 것이 주목 된다.

자동차용 연료 전지는 효율성은 높으나 백금 같은 촉매를 사용하여 매우 고가이어서 KW 출력당 가격이 내연기관에 비해 아직 높으며 작동온도 변화에 따른 수명도 내연기관에 비해 불리하다.

2. 수소엔진 자동차

수소는 무색, 무취, 무독성의 기체로서 공기 중에서 산소와 만나 점화시키면 폭발하는 성질을 이용하여 내연기관에서 연소시켜 동력을 얻는 자동차를 수소엔진 자동차라고 한다. 이 종류의 자동차는 내연기관에서 수소가 이상연소하거나 질소산화물이 생기는 것을 방지하기 위한 연구가 진행되고 있으며 수소를 액체나 기체 상태로 저장하여 연소시키는 두 가지 방식이 있다.. <그림4> 에 연소식 수소차의 구조가 도해되어 있으며 전통적인 내연기관의 연료인 휘발유 대신 수소를 저장하여 저온 및 고압 특성을 고려하여 시스템이 설계되었다. 참고로 BMW에서 개발한 하이드로젠 7은 휘발유와 수소를 같이 사용 할 수 있도록 개발되었다.

3. 수소자동차의 미래

수소자동차가 가까운 미래에 일반인들이 적절한 가격으로 구매하여 이용하기 위해서는 몇 가지 문제를 선결하여야 한다.

첫째로 수소는 지구상에 무진장 있으나 경제적인 방법으로 수소를 생성할 수 있는 방법이 개발되어야 한다. 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 방법은 가장 비효율적으로 액화 저장까지 하면 소비되는 에너지가 생성된 수소의 에너지 보다 더 큰 110% 정도 되어 오히려 손해이다. 수소는 메타놀 또는 휘발유 같은 탄화수소로부터 개질하여 얻을 수 있으나 이 또한 직접 연료로 사용하는 것에 비하여 별다른 이점이 없다. 지열, 태양열, 풍력등 신재생에너지를 이용하여 충분히 경제적으로 생산 할 수 있는 기술이 개발되어야 한다.

둘째로 충분한 거리를 주행할 수 있는 수소를 차량에 저장할 수 있는 소형 용기를 안전하고 경제적으로 개발하여야 한다. 그러기 위해서는 수소를 액화시켜야 하는데 액화시키기 위해서는 -253도로 냉각해야 하고 또 고압을 유지하여야 한다. 문제는 수소를 액화시키기 위해 소비되는 에너지가 전체 수소에너지의 40%정도로 너무 크고, 액체상태로 저장하면 자연증발로 감소하고 공급시에도 손실이 크다. 이러한 난제를 해결하기 위하여 금속수하물(Metal Hydride)이나 탄소나노 튜브를 이용하여 수소를 저장하는 방법이 연구되어 성과를 내야 한다.

셋째로 수소차의 경우 수소 연료를 소모하면 휘발유 같이 공급을 하는 액체수소 공급시설이 전국적으로 완성되어야 하나 이것을 구축하기 위해서는 막대한 비용이 예상된다. 마지막으로 수소차의 가격이 일반차량과 경쟁할 수 있도록 정부 보조가 있다면 보급이 좀 더 확산 될 수 있겠다. 현대의 투싼iX도 대당 가격이 1억원정도 라고 한다.

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