특집자동차와물리학 연료전지자동차의소개 배중면 연료전지소개 21세기의인류에게던져진여러화두중에서가장인류문명에지대한영향을줄수있는것을꼽으라고한다면단연에너지와환경문제가그첫번째로지목될것이다. 에너지의사용은점점증가하는추세이지만대표적화석연료인석유의경우 40년이지나면그바닥을드러낼것으로예상되고있고, 환경오염문제도심각하여대기중의이산화탄소의농도는지난수십만년간전례가없을정도로증가하고있어 2100년의대기온도는현재보다약 2 정도상승하여해수면이 50 cm 나상승하게될것으로예측하고있다. 이에 1960년대이후부터각국에서는태양열 / 광, 풍력, 수력, 지열, 조력등의대체에너지원에관심을쏟기시작했다. 그러나이러한에너지원은모두전력의형태로만들어지므로운송수단의에너지원으로사용이곤란하므로에너지매개체로서수소를사용하는방안이현재집중적인관심을끌고있으며, 가까운미래에는수소를사용하는가장효과적인에너지변환기구인연료전지중심의수소에너지체계가이루어질것으로예상되고있다. 따라서현재전체에너지의 3분의 1 이상을사용하고있는운송수단도수소사용에알맞은형태즉연료전지를장착한모습으로바뀌어야할것이다. 이런움직임을단적으로보여주는예가미국의부시대통령이 2003년의회연설에서미국이수소자동차개발에서세계적인리더가되도록 12억달러를투자할것이라는 FreedomCAR Project 를발표한것이다. 여기서차세대자동차의핵심기술인연료전지에대해간단히알아보고자한다. 연료전지는 1839년에영국의 Sir William Grove에의해발명된후오늘에이르고있다. 그당시전기생산방법이특별히발달하지못한상황에서연료전지는발전기구로주목을받았으나연료전지를본격적으로활용한최초의예는긴시간이지난 1960년대에미국 NASA에서추진했던우주개발계획에 서이다. 그림 1은미국 GE사에서개발하여아폴로우주선에 40여일간전력을공급했던 1 kw급의고분자연료전지 (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC) 이다. 중국의우주선에도연료전지가탑재되었다. 이후연료전지기술은여러차례에걸쳐상용화의시도를하게되나풀기어려운여러기술적난제와높은가격이라는장벽에가로막혀성공적으로사회에뿌리내리지못했다. 그러나최근에너지와환경문제가더이상뒤로미룰수없는상황에이르게되어각국의유수자동차회사와선진국정부들은경쟁적으로막대한예산을집행하며연료전지와수소경제의개발및보급을추진하고있다. 그명칭에서알수있듯이연료전지도다른일반전지와마찬가지로전지반응, 즉전기화학반응에의해전기에너지를생산해낸다. 그러나일반전지가에너지저장장치의개념이강한반면, 연료전지는연료 ( 주로수소 ) 를계속적으로공급하는한전기를연속적으로생산하기때문에내연기관과마찬가지로에너지변환기구로볼수있다. 대표적인연료전지인 PEMFC(proton exchange membrane fuel cell) 의원리가그림 2에나타나있다. Anode에는연료인수소가공급되고 cathode에는산화제인산소가공급된다. anode에공급되는수소는전자를잃고양성자 (proton) 가되어전해질을통과하여 cathode로이동하고, 수소가잃은전자는전지외부회로에서전기적일을하고 cathode로이르게된다. cathode에서는 proton이산소원자와전자와결합해물이생성된다. 이를화학반응식으로나타내보면다음과같다. 배중면교수는런던 Imperial College 박사 (1996) 로서일본전자기술총합연구소 ( 현재AIST) NEDO 연구원 (1996-99), 미국 Argonne 국립연구소 Staff Scientist(1999-2002) 를거쳐현재한국과학기술원조교수로재직중이다. (jmbae@kaist.ac.kr) 그림 1. Gemini 에탑재된 GE 사의 1kW 급연료전지. 물리학과첨단기술 September 2004 17
그림 2. 연료전지의원리. 그림 3. 이상적인연료전지와카르노기관의작동온도에따른효율비교. Anode( 연료극 ): H 2 2H + + 2e - Cathode( 공기극 ): ½O 2 + 2H + + 2e - H 2O 전체반응식 : H 2 + ½O 2 H 2O, G = -220 kj/mol 이때생성되는전기에너지는열역학적으로사용가능한일과같고그값은전체반응식의 G(Gibbs free Energy의차이 ) 와같다. 이를식으로나타내면, E = 1.1 volt F: 패러데이상수, E: 기전력 즉수소를사용하는연료전지단전지에서열역학적으로얻을수있는전압은약 1.1 V 정도이며연료전지의효율은전압을측정함으로써알수있다. 필요한전압과전력을얻기위해서는단전지를스택 ( 적층 ) 하게된다. 이때에너지손실이전혀없는이상적인연료전지의효율 ( 열역학적효율 ) 은다음과같이표현된다. 내연기관의이상적인효율은다음식과같이 Carnot efficiency로표현된다. 이를통한작동온도에따른두 energy conversion system의효율을살펴보면그림 3과같다. 그림 3에나타난것처럼이상적인연료전지의열역학적효율은연료전지의사용가능온도범위인 1000 이하에서높다. 반면이상적인내연기관인카르노기관의효율은고온으로갈수록높아진다. 이는연료전지가내연기관보다상대적으로저온에서작동하는이유를잘보여준다. 연료전지는전해질 (electrolyte) 의종류에따라크게다섯종류로구분된다. 표 1은연료전지의다섯가지종류를간략히정리하여표기하고있다. 전해질의종류에따라이온전도성에대응하는작동온도가결정되는데표 1에서보는바와같이가장저온에서작동하는 PEMFC의경우 80 정도이며고온에서작동하는고체산화물연료전지의경우 1000 의고온에서작동한다. 연료전지의가장큰특징이자장점으로는높은효율을들수있다. 연료전지는전기화학반응을통해서비교적낮은온도와압력에서화학에너지를직접전기로변환한다. 따라서화학에너지를고온에서역학적에너지로변환한뒤다시전기에너지로변환하는발전시스템에비해비가역성이적기때문에보다높은효율이가능하다. 즉수소를내연기관에서사용하는것보다는연료전지를통한전기에너지로의변환하는것이보다수소를효율적으로사용하는방법인것이다. 순수한 표 1. 연료전지의종류및특징. 인산형 (PAFC) 용융탄산염형 (MCFC) 고체산화물형 (SOFC) 고체고분자형 (PEMFC) 알카리형 (AFC) 전해질 H 3PO 4 Li 2CO 3/K 2CO 3 ZrO 2+8Y 2O 3 프로톤교환막 KOH 전 극 Graphite+Pt NiO/Ni(Cr) LSM(YSZ) / Ni(YSZ) Graphite+Pt Pt or Ni 작동온도 약 200 o C 약 650 o C 1000 o C-600 o C 700 o C-350 o C 상온- 90 o C 상온- 100 o C 전도종 H + -2 CO 3 O -2 H + OH -1 사용연료 H 2 H 2, CO H 2, CO, CH 4, Hydrocarbon H 2 H 2 발전효율 40-50% 45-55% 45-55% 40-50% 45-55% 활용분야 분산형전원 대형발전시스템 중 ( 대 ) 형발전시스템 이동형전원 ( 자동차 ) 우주선전원 18 물리학과첨단기술 September 2004
수소를직접연료전지에사용하지않더라도기존화석연료를개질 (Fuel Processing) 하여생성된수소를연료전지로사용할경우전체시스템효율또한석유를내연기관에서사용했을때보다더높을수있기때문에비단미래의수소에너지체계에서뿐만아니라과도기에서도기존의화석연료를사용하는효과적인방법으로서도연료전지연구는충분히가치가있다. 이런효율상의장점이외에도연료전지는여러가지실용적인이점을가지고있다. 먼저연료전지는시스템의크기나부하에거의관계없이일정한성능을유지하기때문에스택의구성에따라여러출력에적용할수있는모듈화가능성을가지고있어작게는노트북, 휴대전화등의이동용전원에서부터열병합발전소급의규모까지넓은출력범위에서응용의확장이가능하다. 즉독립적전원을필요로하는어떤분야에도그응용가능성이열려있다할수있겠다. 또한동작부위가없어유지비용이저렴하고, 연료전지자체의소음이전혀없다는등의장점도가지고있다. 연료전지자동차의개괄앞서언급했듯이연료전지는일반적인전지와달리연료를공급하는한충전할필요없이연속적인전기화학반응에의해전력을계속적으로공급하는내연기관과같은에너지변환기구이며전기화학엔진 (Electrochemical Engine) 이라고불리기도한다. 연료전지자동차는내연기관엔진대신에전기화학엔진인연료전지를동력원으로사용하는자동차를말한다. 연료전지는현재의내연기관을대체하는고효율의친환경적인에너지변환기구로여겨지고있다. 내연기관을이용한자동차의경우배출가스의 27% 가이산화탄소로서이것은지구온난화의직접적인원인이되며, 또한내연기관자동차에의한대기오염이전체 85% 를차지하여규제가불가피한실정이다. 이때문에미국캘리포니아의경우 2005년부터주전체자동차판매대수의 10퍼센트를 ZEV(Zero Emission Vehicle) 로판매할것으로의무규정을정해두고있다. 공해문제외에도석유자원의문제에있어서도한정된매장량을보다오래효율적으로사용하기위하여, 근본적으로는미래의수소에너지 체계를대비하기위하여내연기관을연료전지로대체하여고효율의전기자동차를개발하려는국가적기업적노력이선진국을중심으로이루어져있으며개발시기와양산화에세계유수의자동차메이커들은촉각을곤두세우고있다. 연료전지에공급되는연료는순수한수소를저장하여직접사용하거나차내개질기 (on-board fuel processor) 를통하여저장된가솔린이나메탄올을개질하여생성된수소를연료전지에공급할수있다. 순수한수소를저장하는방법으로는액체나기체형태로탱크에넣는방법, 티타늄등의금속내부에넣어메탈하이드라이드 (Metal Hydride) 형태로저장하는방법, 화학반응을이용하여하이드라이드형태를만드는방법이있다. 최근에는탄소나노튜브를이용하여수소를저장하는방법을연구하기도한다. 그러나현재수소저장기술의한계로저장할수있는수소용량이크게제한되어있어, 기존차내개질기를장착하여탄화수소연료인가솔린, 메탄올, 디젤, 천연가스등을개질하는연구가활발히이루어지고있다. 그림 4는연료전지엔진을구성하는요소들을나타낸것으로서크게 fuel cell stack, fuel processor( 수소저장용기를직접사용가능 ), compressor-expender, water management system으로나눌수있다. 연료전지스택 (Fuel cell stack) 은연료수소와산화제인공기가공급되어전기를생산하는부분이다. 연료전지에는앞서표 1에서살펴본것처럼다양한종류가있고, 그중 PEMFC가주로전기자동차에쓰이고있다. PEMFC는높은에너지밀도를가지고저온작동으로시동이빠르며내충격성이좋기때문에자동차및휴대용전원등이동용전원에알맞은것으로알려져있다. 스택의구성은그림 5와같이다수의 MEA(Membrane Electrode Assembly) 를그사이에 bipolar plate를두고적층 (stack) 하여원하는출력값을가지게된다. 연료전지스택에서발생한전기는 DC 형태로 AC로변환하기위하여인버터 (inverter) 를거치게된다. 연료개질부는가솔린이나메탄올과같은화석연료를개질하여연료전지에공급될수소를생성하기위한연료개질기와개질기의생성물에서 PEMFC전극의귀금속촉매를피독시키는 CO를제거하기위한공정으로이루어진다. Compressor-expander는연료전지와연료개질부에필요한공기를공급하기위한장치이다. 현재의내연기관을탑재 그림 4. 연료전지엔진의구성. 그림 5. 연료전지스택구성 물리학과첨단기술 September 2004 19
연료전지자동차의장점과문제점 그림 6. GM의컨셉카 Autonomy. 그림 7. GM의컨셉카 Monaco. 한자동차는발전에발전을거듭하여매우성숙한기술수준을가지고있으며그가격또한매우저렴하다. 이러한내연기관을대체하여연료전지자동차를보급하는것이기술적, 경제적으로결코쉬운일은아니다. 그러나전세계적으로절대다수의비율을차지하는가솔린엔진의경우연료효율이불과 12 ~ 15 퍼센트에불과하며이보다높은효율을자랑하는디젤엔진의경우에도질소산화물이나, 분진 (Particulate Matter, PM) 등의공해배출문제를효과적으로해결하지못하고있는실정이다. 물론사회의에너지기반이수소로옮겨가게되어내연기관에서수소를사용하는경우, 배출하는물질역시수증기만있는 Zero Emission Vehicle(ZEV) 이되지만연료전지보다변환효율이매우낮다. 연료전지자동차는단순히엔진을연료전지와 motor로교체한것이아닌전혀새로운개념을바탕으로디자인될것이다. 그림 6은미국 GM사의연료전지를탑재한컨셉카인 Autonomy이다. 자동차구동부분에해당하는파트는스케이트보드와같은하체부분에전부설치가되며윗부분의탑승자의공간은하체부분과전기적인연결로이루어지게된다. 내부의공간은혁신적으로넓어지며안전면에서도하체부분을충돌에강하게설계하는것으로확보할수있다. 그림 7은 GM의이러한면을이용한또다른컨셉카인 Monaco이다. 자동차의생산방식또한혁신적으로바뀌게되며소비자가자동차의외형을기호에따라윗부분만의교체가가능하며구동부분에문제가생기면하체부분만교체하는것이가능하다. 또한연료전지는스택자체만보면기계적으로움직이는부분이전혀없으며공기공급이나냉각을위한컴프레서나펌프등에서만소음이발생하므로내연기관보다훨씬정숙한승차감을제공할수있다. 연료전지자동차의가장큰장점은친환경적인특성일것이다. 연료전지자동차는저온에서작동하기때문에 NO x 를거의발생하지않는저공해자동차이다. 수소나 methanol을사용할경우표 2에서보는바와같이연료전지는오염물질을전혀, 혹은거의발생하지않는다. 연료전지자동차의개질시스템을가정하더라도개질시스템자체의온도도 1000 이하로그다지높지않기때문에 PM, NO x 등의오염물질은거의발생하지않는다. 표 2의 Methanol FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) 은 NECAR3 (DaimlerChrysler사, 1997) 의실험결과로 CO와 NO x 는거의발생하지않고있고 Hydrocarbon의경우엄격한 California SULEV (Super-Ultra-Low-Emission) 요구사항보다도매우낮은정도의오염물질을배출하는것을알수있다. 사실표 2에서수소를연료로사용하는연료전지와기존의화석연료를사용하는내연기관의배출가스를비교하는것은거시적인관점에서적당치못하다고볼수있다. 수소를사용할경우오염물질이전혀발생하지않는것은연료전지보다는탄소를포함하지않는수소고유의특성으로인한것으로볼수있다. 순수한수소를내연기관에서사용할경우에도부산물은물과약간의 NO x 뿐으로오염물질은거의발생하지않을것이다. 물론낮은작동온도로약간의 NO x 조차발생하지않는것은연료전지의우월성이다. 연료전지의친환경적인특성보다근본적인장점은높은효율이다. 표 3의 Tank to Wheel efficiency를보면현재개발되고있는연료전지자동차들은이미내연기관의약 2배정도 표 2. 기존자동차와연료전지자동차의배출가스비교. (all g/km) CO NO x HC/THC SULEV Standard 0.6 0.013 0.006 EURO 3 gasoline ICE* 2.30 0.15 0.2 EURO 4 Gasoline ICE 1.00 0.08 0.10 Hydrogen FCEV** 0 0 0 Methanol FCEV 0 0 0.004 *ICE (Internal Combustion Engine): 내연기관 **FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle): 연료전지자동차 그림 8. NECAR 2,1,3 ( 왼쪽부터 ). 20 물리학과첨단기술 September 2004
표 3. 일본토요타사의각종자동차시스템의연비비교. Vehicle Efficiency Well to Tank Tank To Wheel Well to Wheel(%) 10 20 30 40 Gasoline 자동차 16 14% 88 Gasoline HV 30 26% Diesel 자동차 22 20% 89 Diesel HV 30 27% Hydrogen FCV 38 22% 58 Hydrogen FCHV 50 29% Target FCHV 70 60 3xGasoline, 1.5xHEV 42% 되는높은효율을보이고있다. 더해서표 2는수소를기존연료에서부터개질하여얻었을때를가정하여내연기관과 Well to Wheel efficiency를비교해보았을때도같은 HV여부일때연료전지자동차의효율이더높음을보여주고있다. 연료전지자동차기술은현재발전중이라는것을감안하여목표치를살펴보면 FCHV의 Well to Wheel efficiency는약 42% 로현재가장효율이높은 Diesel HV에비해 15% 이상높다. 이는기존화석연료를사용하는데있어서도연료전지가매우효과적일수있는가능성을잘보여준다. 표 4는연료선택과그처리과정과자동차의종류에따른에너지변환효율의변화를좀더자세히보여준다. 먼저석유에비해매장량의여분이많고값이싸며오염물질의배출이적은천연가스를자동차의에너지원으로사용했을때의효율이나타나있다. 천연가스를메탄올로변환한뒤이를개질기 를통하여수소를발생하여연료전지자동차에공급하는방법과천연가스를직접개질하여연료전지자동차에공급할때의효율이비교되어있다. 두경우모두효율이 20% 이상으로천연가스의저렴한가격을고려했을때자동차용으로사용될석유의대체에너지원으로서충분히가능성을가지고있음을보여준다. 표 4의그아래도표는원유를에너지원으로사용했을때의연료전지자동차와가솔린내연기관자동차를비교하고있다. 연료전지자동차의경우석유의처리뒤개질과연료전지뒤의전기에너지를역학적에너지로변환하는과정이필요하나전체효율은가솔린내연기관에비해최고두배이상크다는것을보여준다. 이렇듯연료전지자동차의경우기존내연기관에비해높은효율이가능하다. 높은효율은화석연료의절약과이산화탄소배출량의감소를가져오므로연료전지는대 표 4. 자동차연료선택과에너지변환효율. Energy Resource Recovery Processing Reformer Energy conversion Power Management Energy to Wheels 물리학과첨단기술 September 2004 21
표 5. 연료전지버스와기존버스들과의소음비교. Idle At 50 km/h NEBUS 53/57 53/59 Natural Gas Bus 49/58 63/73 Diesel Bus 60/68 65/73 체에너지이전의과도기에서도중요한역할을할수있을것이다. 연료전지자동차는연료전지의높은효율과환경에의이점이외에도성능저하없이전기자동차의편안함과편리함을가지고있다. 연료전지자동차의전기적동력시스템 (Powertrain) 은속도 0에서부터일반주행속도까지최고토크를낼수있게해준다. 이는하나의속도를갖는기어박스의사용을가능하게해주고비슷한출력의내연기관보다더좋은가속으로이어질수있다. 예를들어 55 kw 전기자동차는 160N의토크를 0에서부터최고속도까지낼수있게해주고이는약 15초동안 1200 kg의자동차를 0에서 100 km/h까지가속시킬수있음을의미한다. 연료전지자동차의성능데이터가운전의느낌을좋게하는것은아니다. 연료전지자동차의운전자는내연기관에서와같이낮은속도에서의약한가속력이나기어변환없이시원스러운가속감을느끼게된다. 더해서 FCEV 큰특징은조용하다는것이다. 유일한소음발생가능기구는공기를압축시키는데사용하는공기압축기뿐이다. 표 5를보면연료전지버스가디젤버스에비해소음이거의절반가량이라는것을알수있다. 연료전지스택과연료개질모듈은여러출력레벨을같은 unit을여러개병렬로연결함으로써간단히가능하게해준다. 이는개별적디자인의필요성을줄여주고큰하나의블록보다는작은 unit들을제공한다. 심지어모터도두개혹은각바퀴에한개씩할당하여 4개로나누어질수있다. 이런모듈화디자인개념은생산의효율을높이고유지보수를더욱수월하게할것이다. 또한앞서언급한대로자동차구조의융통성이늘어나다양한개개인의취향, 욕구에맞도록자동차를구성하는것도가능해질것이다. 그러나연료전지자동차가상용화실용화되기위해서는아직많은과제가남아있다. 우선가장실제적인문제로가격문제를들수있다. PEM의높은가격은주로전극에쓰이는귀금속촉매와스택을구성하는데쓰이는분리판때문이다. 가격문제의경우연료전지에서도실제양산체제로가게될경우급속도로떨어질가능성이있으나내연기관에서는 100만원 ( 엔진주요부분 ) 이안되는가격으로우수한성능을나타낼수있으나연료전지는연료전지스택부분만고려해도전체자동차의가격보다비싼가격으로겨우공급이가능한실정이다. 연료전지의출력밀도도아직부족하다고할수있다. 가정용자동차의경우가솔린엔진과이의출력에상응하는연료전지를비교하면단위부피당출력, 무게당출력을비교해보면연료전지는 1 kw/1 L, 1 kw/1 kg 정도의출력을보이고있 으나내연기관은이러한비교에서적어도 20퍼센트이상의앞선출력을보이고있다. 물론출력밀도를높이는노력과발전은계속되고있고보다높은연료전지자동차의효율을위해중요한문제이나연료전지를새로운사고방식의자동차디자인이라는시각에서다시고려해보면출력밀도의부족은자동차구조의근본적인변화로인해충분히해결될수있을것으로보인다. PEMFC의기술적인면에서의난제중대표전인것이 Water management의어려움이다. PEM은높은양성자전도성을위하여항상습기를유지하여야하는반면, 물이너무많으면다공성전극을막아전극반응을막기때문에공기극에서생성된물은적절히배출되어야한다. 물은 ionic drag에의해연료극에서공기극으로이동하여고전류에서 anode쪽의수분이없어질수있다. 반면확산에의해공기극에서물의농도가상대적으로작은 anode로통과, 이동하기도한다. 물은보통공기극에서흐르는공기에의해제거되는데, 65 이상에서는제거되는물의양이생성되는물의양보다항상많기때문에공기혹은연료를가습하여공급하여야한다. 이때공기의흐름에의한습기의변화를잘조절하여전체전해질막에서균일한습기를유지하여높은연료전지의성능저하를막는것은매우어려운문제이다. 열설계도 PEM의효율에영향을주는중요한문제이다. 전류 i에서작동전압 V인 PEMFC에발생되는열은다음과같이표현된다. i : 전류 ΔH : 연료전지전체반응엔탈피차 F : 패더데이상수 V : 작동전압 : 연료사용률 (fuel utilization) PEMFC의효율이 50% 정도라고생각했을때 50 kw의전기출력을가지는 PEMFC는 50kW의열을방출하게된다. 그러나 PEMFC은 80 의저온에서작동되므로열을방출하는것이쉽지않아연료전지자동차와같이수십kW급의스택을사용하는경우보통따로수냉을하고있다. 이는곧전력의손실을의미하며, 낮은작동온도로열교환기가지나치게큰문제점도가져온다. 따라서보다높은효율을위하여는 130 이상에서작동하는 PEM 혹은새로운종류의전해질의개발이요구되며현재많은연구가이루어지고있다. 작동온도의상승은 CO를 20 ppm 이하의매우작은농도로줄여야하는연료개질시스템의부담을덜어주는역할도할것이다. 이와같이현재연료전지자동차의개발및보급에많은장벽이있는것이사실이나그중에서가장주요문제점을꼽자면가격문제다음으로수소저장용기문제와수소공급을위한사회기반시설의부재문제를들수있다. 또한연료전지자동차를위한부수장치 (Balance of Plant, BOP) 들의개발역시동시에이루어져야한다. 이에대해서는추후지면을통해다시기술적경제적문제점을토론할기회를갖고자한다. 22 물리학과첨단기술 September 2004