by TIMO
2003.02.08
(사진: 메탄올을 이용한 장난감 모델 → 그만큼 우리에게 가깝게 다가오고 있다는 의미)
21세기와 그 이후의 話頭는 “환경”입니다. 1839년 영국의 William Grove 경이 처음으로 고안한 “연료전지”는 향후 10년 내지 20년이라는 짧은 시간 내에 우리의 생활과 사회ㆍ경제의 모든 면을 바꾸어 놓을 동력원입니다. 연료전지가 전 세계적으로 보급ㆍ사용되는 순간부터는 에너지가 더 이상 특정한 집단이나 국가의 독점물이 될 수 없으므로 빈국과 부국, 사회계층 간 “에너지 이용의 평등”이라는 과제가 급속하게 해결될 수 있습니다. 그리고 우리가 생각하는 것 이상으로 연료전지의 상용화 개발이 빠르게 진행되고 있으므로 가솔린 및 디젤엔진의 동력효율을 더 이상 논할 필요가 없는 시대가 도래할 것입니다.
1. 자동차 동력원 발달 – “100년 전의 선택”
19세기 자동차의 초기 발달단계에 있어서 실용적인 동력원의 선택은 “전기모터-배터리”와 “연소기관” 중 하나였습니다. 내연기관이 자동차의 주된 동력원으로 선택된 이후 100년이라는 시간 동안 “화석연료를 태우고 그 힘으로 자동차를 움직인다”는 기본방식은 변한 것이 없습니다. 그런데 환경오염 문제가 국제적 문제로 대두되는 20세기 말 부터는 “100년 전의 선택”으로 되돌아 가게 됩니다. 어떻게 하면 환경오염을 최대한으로 줄일 수 있는 가에 개발 초점이 두어지면서 배터리-모터를 이용하는 “최초의 답안”이 다시 시도되고 있는 것입니다. 그 과도기적 단계로서 하이브리드형 자동차가 상용 판매되고 있고 연료전지 차량의 상용화는 이제부터 시작입니다. 어쨋든, 만일 100년 전에 배터리와 전동모터를 이용한 차량 구동 방법이 선택되었다면 연료전지의 개발은 시도되지 않았거나 늦춰졌을 지도 모릅니다.
2. 연료전지
본격적인 실용화 연구는 1960년대 NASA에서 산소와 수소의 결합을 이용한 식용수의 생산과 우주선의 전력 생산을 위한 대안으로 추진되기 시작하였습니다. 그 실용성이 어느 정도 검증된 이후, 1970년대와 80년대를 거치면서 전력 생산과 대형차량(예: 버스)에 적용하기 위한 연구들이 집중적으로 추진됩니다. 이후의 연구활동들은 좀 더 작은 크기의 차량에 적합한 실용적인 모델을 개발하는데 초점이 두어졌습니다. 국내에서는 1985년 한국에너지기술연구소와 한국전력에서 공동으로 인산 연료전지를 수입, 테스팅한 것이 효시가 되고 그 동안은 주로 발전 부문의 국책사업으로서 추진되어 왔습니다.
연료전지는 기본적으로 메탄올(CH3OH), 에탄올(CH3CH2OH), 천연가스와 같은 다양한 물질들(C-H-복합물; Carbon & Hydrogen)에서 추출된 수소의 화학반응을 이용합니다. 화학반응에 의해 전기를 생산한다는 점에서라면 1.5V 일반 건전지와 하나도 다를 것이 없습니다. 연료전지의 경우는 연료의 공급이 계속되는 한 항구적이고 규일한 출력의 발전이 가능하다는 점에서 일반 전지와는 큰 차이가 있고, 전기를 새롭게 생산한다는 점에서는 이미 생산된 전력을 사용하는 “재충전 배터리(하이브리드 차량에 사용도는 배터리 포함)”와도 다릅니다. 이 것은 독립적인 기관으로서 기존의 내연기관을 완전히 대체한다는 점에서 혁신적이고, 보잘것 없는 에너지 이용효율을 갖고 있는 내연기관 (예: 가솔린엔진 = 20%~30%, Disel엔진 = 30~50%)에 비해 80%~92%의 효율을 갖고 있습니다. 한 마디로 고효율, 저공해 기관으로 이야기될 수 있는 것입니다.
A. 작동방법들
연료전지 구현의 방법들은 화학반응에 의한 전기생산이라는 기본원리는 동일하되, “어떤 물질(기초 연료)을 사용할 것인가?”와 “어떤 방법으로 화학반응이 일어나는가?”에 따라 다음과 분류됩니다.
(1) 알카라인 연료전지 (Alkaline Fuel Cell)
1960년대 NASA의 제미니(Gemini-Apolo) 우주계획에 사용되었습니다. 순수한 산소와 수소의 공급을 전제로 개발된 방식으로 차량에 적용하는 것은 현실적으로 어렵습니다.
(2) 인산 연료전지 (PAFC; Phosphoric Acid Fuel Cell)
1970년대 주로 연구가 되었던 것으로 대형 발전소나 건물용 발전 등에 실용성이 높은 방식입니다.
(3) 융융탄산염 연료전지 (MCFC; Molten Carbonate Fuel Cell)
동작 온도가 600도가 넘어가는 방법으로 대형 발전소에 응용이 가능한 방법입니다.
(4) 고체산화물 연료전지 (SOFC; Solid Oxide Fuel Cell)
동작 온도가 700도~1000도 내외로서 초대형 발전소에 응용가능하고 사용되는 연료의 품질에 무관한 동작이 가능합니다.
(5) 양자교환막 연료전지 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell – 이하 PEM 방식)
특수 폴리머(Polymer)로 만들어진 얇은 교환막을 이용하여 전해질을 격리하고 화학반응을 유도합니다. 동작온도는 약 100도 내외이고 전력수요에 대한 응답도가 빠르며, 비교적 구조가 간단하므로 자동차용으로 소형화 제작이 가능한 방식입니다.
B. PEM (Proton Exchange Membrane)
소형차에도 적용을 목적으로 개발되고 있는 PEM의 기본적인 작동원리는 다음과 같습니다. 우선 아래 그림 좌측의 방에 2차 가공 연료인 연료인 “H2″가 공급됩니다. (H2는 원소주기율표상 1개의 원자와 1개의 전자를 갖고 있음) 좌우간 두 개의 방을 분리하고 있는 양자교환막은 (+)전기를 띈 원소만을 걸러내는 기능을 갖고 있습니다. 이 양자 교환막 앞에서 두 개의 수소 원자들(H2 가스)은 각각 H+와 e(전자)-로 분리됩니다. 그리고 양의 전기값을 갖는 수소 원자는 교환막을 통과하여 우측에 있는 방으로 이동하고 분리되었던 전자는 교환막을 통과할 수 없으므로 위쪽(그림의 양극(Anode))으로 이동합니다. 그리고 다시 Cathode로 전자가 이동하며 산소와 수소의 결합시 소진됩니다. 위와 같은 전자의 이동은 전기의 흐름과 같습니다.
이 투과된 수소 원자들은 우측 방에서 산소(O2)와 결합되고 그 결과로 물이 생성됩니다. 산소는 연료전지 본체 주위의 공기를 공급하는 것으로 간단히 해결됩니다. 이 방식에서 화학반응을 일으키는 직접적인 매체(연료)는 수소라고 할 수 있으므로, 간단하게는 “수소를 반응시켜 전기와 물을 얻는 전지”라고 할 수 있습니다. 물론 계속적인 발전을 위해서는 항시 수소가 준비되어 있어야 하고 어떠한 원료에서 수소 가스를 얻어 내는가는 연료전지의 작동방식과는 다른 사항이라고 할 수 있습니다.
PEM작동방법 (자료출처 = Ballard)
그런데 이 “수소를 준비해 둔다” 라는 점이 연료전지 실용화의 큰 문제거리입니다. 이는 어떻게 많은 양의 수소를 효과적으로 추출해서 최대한 작은 용기에 담아서 보관을 하는가로 해석됩니다. 예를 들어, 물을 전기분해하면 쉽게 수소를 얻을 수 있으나 전기분해 시 막대한 양의 에너지가 소모되어야 합니다. 그리고 수 킬로 와트의 발전을 위해 대형 버스만한 용기를 싣고 다니며 사용하는 것은 자동차의 이동성과 운용 효율성에 문제가 생깁니다. 수소를 확보하는 방법은 수소원자가 많이 사용된 화합물을 활용할 수 있습니다. 이 때문에 에탄올, 메탄올, 천연가스 등이 활용되고 있고 추출된 수소는 체적을 줄이기 위해서 용기 내압을 높히고 냉각을 시키는 방법으로 저장됩니다. 그리고 차량 크기에 맞는 작은 용기에 보관할 수 있습니다. (예: 영업용 택시의 LPG통) 현재 개발된 용기(150Kg 수준)로는 휘발유 50리터에 상당하는 9.5리터의 수소를 운반할 수 있다고 하며 주행거리는 약 400km 내외 입니다.
수소는 자연 발화에 의한 폭발의 위험성이 있다는 일반적인 우려는 Red Zepplin에서 발생된 대형 참사와 깊은 관련이 있습니다. 그러나 사실 공기보다 가벼운 100%의 수소(Hydrogen)을 충전한 이 비행선의 폭발 원인은 수소의 직접 발화가 아니라 비행선의 표면에 발라진 도료가 우연히 정전기에 의해 점화된 결과라는 것으로 알려져 있습니다. 참고로 수소는 상온에서는 반응성이 작고 500도 이상에서 산소와 격렬하게 반응하게 됩니다.
미국 Quantum사의 수소저장용기 = 10,000PSI를 이용
수소를 추출하고 이를 전지에 공급하는 장치를 “Reformer”라고 하며, 이는 사용되는 1차 연료(에탄올, 메탄올 등)의 종류와 추출 방법에 따라 달라집니다. 연료전지와 관련된 전체 부품 중에서 효율 저하의 한 요소가 되고 또 추출 과정에서 대부분 열이 발생하므로 최적의 Reformer를 개발하는 것이 완전한 자가동력에 의한 차량구동의 지름길이라고 할 수 있습니다. Reformer의 효율성과 관련하여 메탄올(Methanol)이 가장 관심을 끌고 있습니다.
그 이유는 1) 액체 상태로서 취급 및 운반이 용이하다. 2) 가정용 등 소규모로 사용하는 경우 기존의 배관을 약간 변경시켜 사용할 수 있다는 점 때문입니다. 물론 차량에 적용하는 경우는 액화 LPG 사용과 비슷한 조건으로 이해할 수 있습니다.
소규모 발전을 위한 Reformer의 예
발전 전압은 PEM의 사이즈에 따라 증가하게 되는데, 본체의 크기를 줄이기 위해서 만일 PEM의 사이즈를 작게 설계해야 하는 경우는 1개의 연료전지 셀을 직열 연결하면 됩니다. 즉, 일반 자동차 배터리의 경우와 같이 작은 단위 셀을 여러개 접속함으로써 출력 전압을 높히고 필요하다면 병렬 연결을 통해 출력 전류의 양을 늘일 수 있습니다. 현재 PEM 한 개 Cell의 출력은 0.7V입니다. 24V 출력을 위해서는 최소 34개의 단위 셀이 직열로 연결되어야 합니다. 그 때문에 Cell은 아래의 사진과 같이 매우 얇은 형태로 제작이 됩니다.
(좌) 여러개의 Cell을 결합한 연료전지 본체 – 우측의 Cell들이 다층으로 묶여 있음, (우) 한 개의 Cell
참고 : 水素(Hydrogen)는 Hydro(물)와 Gen(생성)의 합성어. 1766년 Henry Cavendish에 의해 원소로 간주되던 물이 산소와 수소의 화합물임을 증명하였고 “Fuel Cell”은 튜닝차량에 사용되는 항공유 등 열가가 높은 연료를 저장하는 용기라는 의미도 있음
3. 연료전지 자동차 (예) – Necar4
1999년 DiamerChrysler가 개발한 ZEV(Zero Emission Vehcicle)
75마력 상당, 항속거리 450km – 이만하면 국내에서 사용이 가능하지 않을까?
벤츠의 A-class를 이용하고 차체의 중앙을 기준으로 좌우에 각각 35Kw급 연료전지를 두 개 내장하고 있습니다.(그림 보기=사진 클릭) 수소연료 탱크는 뒷 바퀴쪽에 설치되며 AC 구동모터를 사용합니다. 최고 속도는 약 140km/h(90마일)이고 테스트 결과 62%가 동력으로 전환되었고 이 중 16%는 각종 구성품의 가동에, 그리고 8%가 동력전달부에 소모되어 실제 효율은 약 38%수준에 불과하였다고 합니다. 그럼에도 이 종합 에너지 효율은 고효율 디젤엔진보다는 훨씬 높은 것으로 연료전지 차량의 고효율성을 입증하는 사례라고 볼 수 있습니다.
그리고 테스트 과정에서 수소의 사용량은 1.1Kg/100km로서 이를 휘발류로 환산하면 4Kg, 디젤로는 3.7Kg입니다. 비교 대상 차량이 100km 주행 시 휘발유와 디젤로 각각 4.5Kg, 7.1Kg을 소모하는 것에 비해 좋은 결과를 보여주었습니다. 지적되는 문제점은 1) 연료전지 본체의 중량이 너무 크다(300kg 추가), 2) 초기 가속은 무난하지만 후기 가속이 매우 더디다는 것이었습니다.
4. 상용화와 미래
현재 PEM을 포함한 연료전지의 선도적인 기술을 갖고 있는 곳은 본부가 캐나다에 있는 발라드(Ballard, 1979년 설립)社입니다. 이 회사는 DiamlerChrysler, GM, Ford 등 차량용 PEM을 적용하는 연구를 진행하고 있는 메이커에 원천기술을 보급하고 있습니다.
(1) 본사, (2) 연구생산시설, (3) 벤츠의 Necar4 테스트 차량 투시도 (Click=다른 모델들)
Reformer의 개선과 무관하게 차량용 연료전지의 상용화는 1) LPG차량 충전소와 유사한 사회간접시설의 확보 여부, 2) 충전 용기와 기타 장치들의 중량과 크기의 축소, 3) 고압 저장용기의 취급과 관리 방법 개발에 따라 실현 시기가 달라지고 산유국, 정유업체, 분배 업체 등의 기득권을 가진 세력의 이해관계가 선 정리되어야 합니다. 이런 의미에서 기술적인 문제는 구현의 시기와는 무관한 사항일지도 모릅니다.
다음은 2002년 12월 일본 “아사히”신문에 실린 글입니다. 일본에 연료전지 자동차 모델을 개발하고 또 계속적인 사용을 위한 소규모 Infra가 구축되어 있음을 밝히고 있습니다.
▣ 토요타자동차와 혼다자동차는 지난 12월 2일 차세대 자동차의 본격적인 혁명으로 일컬어지는 “연료 전지 승용차” 합계 5대를 중앙 관청에 납품했다. 토요타는 내각관방, 경제산업성, 국토교통성, 환경성과, 혼다는 내각부와 임대 판매 계약을 하였다. 연료 전지 승용차의 실용화로는 세계 최초가 되는 셈이다. ▣ 오쿠다 히로시 토요타자동차 회장과 요시노 히로유키 혼다자동차 사장은 동일 오전 수상관저를 방문하여, 보급의 선도자이기도 한 코이즈미 수상의 “최초 시승”을 지켜보았다. 코이즈미 수상은 각각의 연료 전지 차의 조수석에 승차하여 “의외로 조용하다. 타고 있으면 가벼운 느낌이 든다.”는 기분이었다. 토요타자동차는 동일 미국 캘리포니아대학에, 혼다도 미국 로스엔젤레스시 당국에 납차한다. 토요타는 향후 1년에 일본 및 미국에 20대 정도, 혼다도 2-3년에 30대 정도를 판매할 계획이다. ▣ 연료 전지차는 연료인 수소와 공기중의 산소를 반응시키는 “연료 전지”로 전기 에너지를 발생시켜 모터를 움직인다. 배출되는 것은 물 뿐이며, 궁극적인 환경 대응차라고 여겨지고 있다. 카스미카세키(일본의 관청 밀집지역)에서는 경제 산업성 가운데 정원에 수소 공급 설비가 설치되어, 연료 전지차에 수소를 공급한다. 양사의 연료 전지차는 1회의 수소 보급으로 300킬로미터 이상을 달린다. 본격적인 보급을 위해서는 수소 공급 거점을 각지에 정비할 필요가 있다. 또한, 임대 판매료는 토요타가 30개월에 월 120만엔, 혼다도 12개월 계약에 월 80만엔으로 높은 것도 과제이다. ▣ 코이즈미수상은 금년 2월의 시정 방침 연설에서 “연료 전지는 수소를 에너지로 하여 이용하는 시대의 문을 여는 열쇠”라고 말하여, 자동차의 동력 및 가정의 전원으로서 3년 이내의 실용화를 목표로 할 방침을 제시했다. 자동차 업계에서는 토요타와 혼다가 “세계 최초”를 건 개발 경쟁을 확대하여 실용화가 빨라졌다.
위의 보도내용은 Toyota, Honda는 물론이고 기타 자동차 메이커들이 연료전지 차량의 상용화 개발을 위해 부단히 노력하고 있음을 보여주는 하나의 사례에 불과합니다. 본체의 소형화가 큰 문제거리가 아닌 발전소, 대형 건물의 자가 전력공급이라는 부분에서는 이미 상당한 정도까지 상용화가 진척되어 있습니다.
이제, 기대 이상으로 짧은 시간 내에 연료전지의 시대가 도래할 수 있습니다. 그리고 자동차를 이야기할 때 더 이상 엔진의 기계적인 작동, 열효율 등을 생각하지 않아도 되는 때가 도래할 것입니다. 그 미래에는 슈퍼카의 정의가 달라질 것이고 가솔린 엔진을 탑재한 모델들은 추억을 그리워하는 호사가의 애장품용으로만 생산될 것이며 Reformer를 달리한다는 전제에서 “침만 뱉어도 가는 차”, “오줌을 누면 가는 차”가 만들어질 수도 있습니다.
References
(1) Canada Ballard
(2) Fuel Cell Store (Desktop Fuel Cell Vehicle)
(3) 한국에너지기술연구소 자료
(4) CNN 보도자료
(5) Howstuffworks
(6) Environmental Science & Technology
(7) 자동차용 연료전지 동력시스템 (KIER 논문)
