연료전지 자동차연구
NO. 1 작성일 2006/04/20 조회수 1358
 

특집 | 연료전지자동차의 연구개발 현황 및 전망 |
배 중 면(한국과학기술원 기술공학과 교수)
연료전지는 전기화학반응에 의해 연료(주로 수소)를 계속 공급하는 한 전기를 연속적으로 생산하기 때문에 내연기관과 마찬가지로 에너지 변환기구로 볼 수 있다. 수소를 사용하는 연료전지 단전지에서 열역학적으로 얻을 수 있는 전압은 약 1.1 V 정도이며 연료전지의 효율은 전압을 측정함으로써 알 수 있다. 필요한 전압과 전력을 얻기 위해서는 단전지를 적층하게 된다.
작동온도에 따른 연료전지와 내연기관의 이상적인 열역학적 효율을 살펴보면 <그림 1>과 같다. <그림 1>에 나타난 것처럼 이상적인 연료전지의 열역학적 효율은 연료전지의 사용가능 온도범위인 ,000℃이하에서 높다. 반면 이상적인 내연기관인 카르노기관의 효율은 고온으로 갈수록 높아진다.

연료전지의 최장점은 높은 효율
이는 연료전지가 내연기관보다 상대적으로 저온에서 작동하는 이유를 잘 보여준다. 연료전지는 전해질(electrolyte)의 종류에 따라 구분되고 이온 전도성에 대응하는 작동온도가 결정되는데 저온에서 작동하는 PEMFC의 경우 80℃ 정도이다.
연료전지의 가장 큰 특징이자 장점은 높은 효율이다. 연료전지는 전기화학반응을 통해서 비교적 낮은 온도와 압력에서 화학에너지를 직접 전기로 변환한다. 따라서 화학에너지를 고온에서 역학적 에너지로 변환한 뒤 다시 전기에너지로 변환하는 발전시스템에 비해 비가역성이 적기 때문에 보다 높은 효율이 가능하다.
순수한 수소를 직접 연료전지에 사용하지 않더라도 기존 화석연료를 개질(Fuel Processing)해 생성된 수소를 연료전지로 사용할 경우 전체시스템 효율 또한 석유를 내연기관에서 사용했을 때보다 더 높을 수 있기 때문에, 비단 미래의 수소에너지 체계에서뿐만 아니라 과도기에서도 연료전지 연구는 충분히 가치가 있다.
연료전지는 현재의 내연기관을 대체하는 고효율의 친환경적인 에너지 변환기구로 여겨지고 있다. 공해문제와 석유자원의 효율적 사용을 위해, 근본적으로는 미래의 수소에너지체계를 대비하기 위해 연료전지를 이용해 고효율의 전기자동차를 개발하려는 국가적·기업적 노력이 선진국을 중심으로 이루어지고 있다.

수소저장기술 개발이 관건
연료전지에 공급되는 연료는 순수한 수소를 저장해 직접 사용하거나 차내 개질기(on-board fuel processor)를 통해 저장된 가솔린이나 메탄올을 개질해 생성된 수소를 연료전지에 공급할 수 있다. 순수한 수소를 저장하는 방법으로는 액체나 기체형태로 탱크에 넣는 방법, 금속 내부에 넣어 메탈하이드라이드(Metal Hydride) 형태로 저장하는 방법, 화학반응을 이용해 하이드라이드 형태를 만드는 방법이 있다. 최근에는 탄소나노튜브를 이용해 수소를 저장하는 방법을 연구하기도 한다.
그러나 현재 수소저장기술의 한계로 저장할 수 있는 수소용량이 크게 제한되어 있어 기존 차내 개질기를 장착해 탄화수소연료인 가솔린, 메탄올, 디젤, 천연가스 등을 개질하는 연구가 활발히 이루어지고 있다.
<그림 2>는 연료전지 엔진을 구성하는 요소들을 나타낸 것이다. 전지스택(Fuel cell stack)은 연료수소와 산화제인 공기가 공급되어 전기를 생산하는 부분이다. PEMFC는 높은 에너지 밀도를 가지고 저온 작동으로 시동이 빠르며 내충격성이 좋기 때문에 자동차 및 휴대용 전원 등 이동용 전원에 알맞은 것으로 알려져 있다.
연료개질부는 연료를 개질해 연료전지에 공급될 수소를 생성하기 위한 연료개질기와 개질기의 생성물에서 PEMFC전극의 귀금속 촉매를 피독시키는 CO를 제거하기 위한 공정으로 이루어진다. Compressor-expander는 연료전지와 연료개질부에 필요한 공기를 공급하기 위한 장치이다.
현재의 내연기관을 대체해 연료전지자동차를 보급하는 것이 기술적, 경제적으로 결코 쉬운 일은 아니다. 그러나 전 세계적으로 절대다수의 비율을 차지하는 가솔린엔진의 연료효율이 불과 12~15%에 불과하며 이보다 높은 효율을 자랑하는 디젤엔진도 질소산화물이나 분진 등의 공해배출문제를 효과적으로 해결하지 못하고 있는 실정에서 연료전지의 가능성이 주목받고 있다.
연료전지자동차는 단순히 엔진을 연료전지와 모터로 교체한 것이 아닌 전혀 새로운 개념을 바탕으로 디자인될 것이다.
일례로 미국 GM의 연료전지를 탑재한 컨셉트카인 오토노미의 자동차 구동부분에 해당하는 파트는 스케이트보드와 같은 하체부분에 전부 설치되며 윗부분의 탑승자 공간은 하체부분과 전기적인 연결로 이루어지게 된다. 냉각을 위한 컴프레서나 펌프 등에서만 소음이 발생하므로 내연기관보다 훨씬 정숙한 승차감을 제공할 수 있다.

특집 | 연료전지·하이브리드 등 미래형 자동차 기술개발 추진 전략 |
유 영 면(자동차부품연구원 미래형자동차사업단장)
우리나라의 자동차산업은 2003년 기준으로 제조업 총 생산액의 11.1%, 부가가치의 11.1%, 고용의 7.9%, 총세수의 18.2%를 차지하는 핵심 기간산업으로 자동차산업만의 무역수지 흑자가 197억달러(국내 전체 무역수지 흑자 150억달러)에 달했다. 따라서 지속적인 자동차산업 발전 없이는 우리나라 경제발전과 국민소득 2만달러 달성을 생각할 수 없는 단계에 도달했다.
한편 환경과 안전은 전세계 자동차산업계의 핵심 모토로 선진국에서는 하이브리드자동차, 연료전지자동차 및 지능형자동차 등 미래형 자동차 관련 기술을 활발히 개발하고 있는 중이며 이 분야 기술확보 없이는 우리나라 자동차산업의 지속적인 발전이 어려울 것으로 판단되고 있다.
미래형 자동차 기술개발사업은 이와 같은 문제점을 해결하고 앞으로 우리 자동차산업이 지속적으로 성장할 수 있는 기반을 마련해 국민소득 2만달러 달성에 중요한 역할을 담당하기 위해 시작되었으며, 본고에서는 이의 추진전략에 대해 간략히 기술하고자 한다.

각 분야별 기술개발 목표 설정
미래형 자동차 기술개발사업은 향후 10년 내에 생산·수출 등을 통해 성장 견인차 역할을 담당하고 일자리 창출을 선도할 수 있는 차세대 성장동력 산업을 육성하기 위한 10대 사업 중의 하나이다.
2004년 10월부터 2014년 9월까지 10년간 ‘세계적인 환경, 안전규제에 대응하고 자동차산업이 직면해 있는 환경, 에너지 및 안전문제를 효과적으로 해결할 수 있는 친환경 지능형 미래형 자동차 개발’을 최종목표로 하이브리드자동차, 연료전지자동차, 지능형자동차 3개 분야의 기술개발과 산업화를 추진할 예정이다. 각 분야 기술개발 목표는 다음과 같다.
하이브리드자동차 분야는 동급 기준차량 대비 CO2 배출량 40% 이상 절감, 연비 50% 이상 향상, 선진 배기가스 규제에 대응할 수 있는 가솔린 및 디젤 하이브리드자동차 개발에 목표를 두고 있다.
연료전지자동차 분야는 실용성 및 상품성을 확보한 양산용 80kW급 승용 연료전지자동차 개발을 목표로 주행거리 500km 이상, 최고속도 150km/h 이상, 연비120km/kg H2(가솔린 등가연비 : 32km/ℓ 상당)를 달성하고자 한다.
지능형자동차 분야는 각종 지능형 첨단부품의 장착으로 차량의 안정성과 편의성을 획기적으로 향상시켜 안전하고 쾌적한 교통환경을 확보하며 교통사고를 방지해 사회적인 인적·물적 손실을 최소화하고 차량이 단순한 운송수단에서 운송·정보·업무·휴식공간으로 발전하는 데 필요한 지능형 기술을 적용한 차량 개발에 목표를 두고 있다.

신기술 개발과 조기 상용화 통해 시장선점 필요
자동차산업이 직면해 있는 환경·에너지 및 안전문제를 효과적으로 해결하기 위해 규모(Scale)의 경제를 통한 추격(Catch-Up)보다는 연료전지, 하이브리드, 지능형자동차에 대한 집중적인 신기술 개발과 개발기술의 조기 상용화를 통해 시장선점이 필요할 것으로 판단된다.
미래형 자동차 기술개발은 산·학·연·관의 적극적인 협조를 통한 공동 기술개발과 상용화 촉진을 위한 여건을 조성하는 방향으로 추진될 예정이다.
하이브리드자동차는 이미 상용화 단계에 도달하고 있으므로 사업 초기부터 기술개발을 집중 지원하고 기초설계에서 양산까지 일괄적인 기술개발 전략을 추진할 예정이다.
동시에 선진기술을 보유한 업체와의 협력을 통한 기술도입 및 특허 회피 방안을 도출하고 업계간 공동 연구개발을 추진해 하이브리드자동차의 조기 상용화를 이루기 위한 노력을 기울일 뿐만 아니라 수요 창출을 위한 금융 및 세제 지원정책까지 수립할 예정이다.
연료전지자동차 기술은 아직 상용화 단계가 아니므로 사업 초기에는 원천기술 개발을 추진하며 일반 산업과의 기술연계를 통하여 시너지 효과를 극대화할 계획이다. 앞으로 연료전지자동차 기술의 상용화가 가시화될 경우 사업비를 집중 지원해 기술개발을 촉진하고 상용화를 추진할 계획이다.
지능형자동차 기술은 선진국과의 기술격차를 줄이는 것이 관건으로 조기 상용화를 목표로 추진될 예정이다. 지능형자동차 기술은 여러 기술이 복합된 기술이고 개별기술의 상용화 가능성이 매우 높으므로 기술개발의 중간결과를 순차적으로 상용화하며, Sensor 및 Actuator 등 지능형 부품의 집중 육성을 통해 무역 불균형을 해소하고 기술기반을 구축하는 전략을 추진할 예정이다.
또한 국내의 발전된 IT기술 활용과 인간공학적인 접근을 통해 신규 수요를 창출하고 특허를 획득해 독자기술을 확보하고자 한다.
한편 본 사업에서는 기술개발 외에도 대규모 인프라 구축을 포함한 기반조성, 인력양성, 국제협력사업 등을 종합적으로 추진해 미래형 자동차 개발을 위한 체계적인 기술 토대를 구축할 예정이다.
본 사업의 성공적인 추진을 통해 하이브리드자동차의 조기 상용화를 이루고 고부가가치 지능형자동차의 성공적인 개발결과가 상용화되며 2012년경 연료전지자동차의 상용화가 가시화되면 미래형 자동차산업은 더욱 급성장할 것으로 예상된다. 이로 인해 국내 자동차산업의 연평균 부가가치 생산액은 8.7%, 수출은 9.5%, 고용은 2.5% 증가될 것으로 예측된다.
또한 이를 토대로 2012년 국내 자동차 생산 500만대, 내수 220만대, 수출 280만대 달성과 글로벌 생산시스템이 구축되어 세계 5위의 자동차 생산국 위치를 재확보하고 산업공동화를 사전에 방지하면서 주력산업으로서의 위치를 더욱 견고히 하여 일자리 창출과 국민소득 2만달러 달성에 중요한 역할을 담당할 것으로 전망된다.
이 사업의 성공을 위해 자동차산업계와 학계 및 연구계 그리고 정부의 전폭적인 지원을 부탁한다. 단계에서는 사람과 기계와의 상호 조화가 용이한지의 문제, 도로 정보를 이용하는 시스템의 통신규격 문제, ASV 기술을 사회 전체에 정확히 이해시키는 문제, ASV 기술의 표준화 문제 등 충분히 검토되어야 할 사항들이 존재한다. 향후 차량 안전기술은 에어백과 같이 소극적인 승원보호 시스템뿐만 아니라 사전에 충돌 사고를 방지하고 사고 후에도 사고로 인한 피해가 늘어나는 것을 방지하는 시스템 등 다변화된 기술에 대한 발전이 이루어져야 할 것으로 생각된다.

첨부파일 :  연료전지자동차연구.hwp
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