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[오토저널] 수소전기자동차의 에너지와 열관리의 필요성

글로벌오토뉴스 조회 수867 등록일 2020.11.25
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친환경, 지능형 자동차에 대한 사회적 관심이 높아지면서, 내연기관과 화석연료에 거의 전적으로 의존했던 기존의 자동차 구동계가 전동기와 전기로 서서히 대체되기 시작되었다. 전기에너지로 구동하는 자동차를 일반적으로 전기자동차라고 부르는데 전기 발전 또는 저장 방법에 따라 세세하게 분류되며, 대표적으로 배터리 전기차(BEV), 플러그인 하이브리드(PHEV), 수소전기자동차(수소차, FCEV)가 있다.

수소전기자동차는 연료전지가 수소 연료의 화학에너지를 전기에너지로 변환시켜 차를 구동시키는데, 이 과정은 수소폭탄과 전혀 무관하다(심지어 연료마저 다르다). 기존 자동차와 비슷하게 연료를 주입하기 때문에 BEV에 비해 충전시간이 짧고 주행거리가 길어 미래교통수단으로써 많은 관심을 받고있다. 하지만 2019년 기준, 배터리 자동차 모델이 230개인 반면 수소전기자동차 모델은 3개인 점만 보아도 수소전기자동차는 배터리 전기차에 비해 높은 기술적 진입장벽을 가지고 있으며, 이를 반영한 듯 아직까지 수소전기자동차는 배터리 전기차에 비해 판매량이 많이 저조한 실정이다. 2019년 기준으로 세계 BEV 판매대수는 약 210만대인 반면 FCEV 판매대수는 7,574대였다. BEV와 수소전기자동차 기술은 서로의 장단점들이 보완되기 때문에 휘발유, 경유차와 같이 서로 공존하는 미래 교통수단이 될 수 있다고 전문가들은 판단하고 있다. 이 글은 수소전기자동차 기술에 대한 올바른 이해를 돕기 위해 수소 에너지 활용 현황과 수소전기자동차의 열관리의 필요성을 전반적으로 소개하고자 한다.


수소 연료의 현황
화학에 관심 없으신 독자들도 대중매체를 통해 수소가 우주에서 가장 흔한 원소라는 사실을 이미 아실 것이다. 태양광을 분석한 결과 태양 질량의 약 71%가 수소로 이루어져 있다고 추정할 수 있고, 이를 토대로 우주의 총 수소량도 추정할 수 있다. 하지만 거의 대부분은 플라즈마 상태로 존재하고 가장 가까운 수소 출처가 태양이기 때문에 가까운 미래에 수소전기자동차 연료로 활용하기 어렵다. 반면에 지구 표면과 바다내 수소가 차지하는 질량 비중은 각각 0.14%와 10.8%로 우주 평균보다 낮은 편이나, 이 또한 대부분 물, 탄화수소, 유기물 등 다양한 형태로 존재하기 때문에 연료로 사용할 수 있는 형태(H2)로 변환하고 정제하는 과정이 반드시 필요하다.


국내 판매용 수소 생산량은 2015년 기준으로 약 210만 톤이며, 그중 140만 톤이 다른 공정의 부산물로 생산되었다. 주요 생산 방법은 총 3가지이며 순서대로 석유화학 나프타분해(54%), 물 전기분해(23%), 그리고 천연가스(메탄) 개질(17%)이다. 제철산업에서도 매우 많은 양의 수소가 부수적으로 생산되지만, 대부분이 공정 중 자체 소비되어 판매할 수 있는 양은 실제로 매우 적다.


생산되는 모든 수소를 차량 연료로 활용한다면 2018년 국내 등록 차량의 약 60%를 수소전기자동차로 대체할 수 있다. 현재 수소 총 생산량의 대부분은 반도체 산업 등 다른 기간산업에 중요한 원료로 사용되고 있으며, 극히 일부만 수송 연료로 활용되고 있는 실정이다. 미래의 수소경제 활성화 계획에 따라 2040년까지 500만톤 이상의 수소를 생산하기 위해서는 현재의 화석연료 기반 생산 방식에서 청정에너지를 활용한 방식으로 전환이 필요하다.


수소 에너지 시스템의 특성
내연기관 연료인 휘발유, 경유와 달리 수소 연료에는 탄소 원자가 없으므로 연소 과정 중 추가적인 일산화탄소, 이산화탄소가 생성되지 않는다는 가장 큰 장점이 있다. 더불어 PM도 배출되지 않으며 공기와 반응 시 NOx와 물만 생성된다. 이 장점을 이용해 자동차 구동용 수소 내연기관 연구를 꾸준히 진행해왔지만 NOx 및 효율 문제로 최근 모든 상용 수소전기자동차는 연료전지 방식으로 전환되었다. 반면 액화 수소와 액화 산소를 연소시키면 매우 높은 비추력을 얻을 수 있기 때문에 로켓 연료로 많이 활용되고 있다.





현재 판매되고 있는 수소전기자동차들은 모두 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 적용되었다. 본 연구실에서 실험용으로 사용하는 수소 연료전지 내부 모습은 <그림 1>과 같다. 그림 왼편에 수소 또는 공기가 흐르는 사형유로, 오른편에 연료전지의 핵심 기술인 고분자막과 막전극접합체(MEA)를 확인할 수 있다. PEMFC는 내연기관보다 작동 온도가 현저히 낮고(100℃ 미만), 다른 연료전지보다 비교적 출력밀도가 높고, 동적특성도 좋다. 반면에 수소 연료에 황, 일산화탄소등 불순물이 극소량이라도 포함되어 있으면 연료전지와 MEA에 있는 촉매제를 영구적으로 손상을 입힐 수 있으므로 높은 순도의 수소가(ISO 14687-2 기준 99.97% H2) 필요하다. 또한, 연료전지의 성능과 내구성을 높이기 위해 여과된(PM 2.5 99.9% 이상 제거) 공기를 사용한다. 공기 대신 순수 산소를 활용하여 성능을 향상시킬 수 있지만 현실적으로 수소전기자동차에 적용하기 어렵다.


PEMFC의 이론적 열역학적 효율은 약 83%, 25℃ 기준 최대 전위차는 1.23V이다. 하지만 실제 연료전지에서는 대표적인 손실 3가지로(활성화전압손실, 저항전압손실, 물질수송손실) 인해 최종 수소 연료전지 효율은 약 45~50% 정도이며 전위차는 일반적으로 1V 미만이다. 하나의 연료전지로는 자동차 구동에 필요한 전위차와 전류가 흐를 수 없어 수백 개의 연료전지를(두께: 1~2mm 정도) 직렬과 병렬로 연결해서 사용한다. 스택의 총 부피는 40~60L, 무게는 55~90kg이며 최대 100kW 이상의 출력을 낼 수 있다.


2016년 발표된 자료에 의하면, 수소전기자동차의 평균 연비는(19.5km/Leq) 휘발유 자동차 평균 연비보다(12.4km/Leq) 다소 높았으며, 앞으로도 재료, 화학, 전기, 기계, 제어 등 다양한 분야의 연구를 통해 꾸준한 연비 향상의 가능성이 많다. 반면, 수소전기자동차 연비와 배터리 전기차 환산연비를 단순하게 효율면에서만 비교하기 어려우므로 사용 목적에 따라 종합적으로 판단해야 한다.


수소 연료 저장장치
배터리 전기차를 포함하여 모든 운송수단으로 활용하기 위해서는 반드시 연료탱크가 필요하다. 수소 연료는 압축 또는 액화시켜 사용하기 때문에 LPG와 LNG 저장 기술과 원리적으로 비슷하다. 화학적 또는 기타 물리적인 기법으로도 수소를 저장하는 기술이 개발되고 있지만 아직까지 미국 에너지부(DoE)가 정한 수소 저장 기준을 만족시키지 못하고 있다.


액화 수소의 경우 매우 낮은 온도에서(1기압에서 -253℃) 저장이 가능하기 때문에 고정형 연료전지 또는 로켓 연료에 주로 사용이 된다. 냉동장치를 가동해야 하는 추가적인 에너지 소비가 필요하지만 압축 수소에 비해 저장 밀도가 1.5~3배 정도 높아 동일한 부피에 더 많은 수소를 저장할 수 있다. 수소전기자동차의 경우 상온 압축 수소를 350bar과 700bar 압력에서 저장하고 각각의 저장 밀도는 약 24kg/m3, 40kg/m3이다. 수소 탱크는 일반적으로 700bar 충전할 수 있도록 설계가 되지만, 충전소 설비가 지원하지 못하면 700bar까지 충전할 수 없다. 350bar로 충전할 경우 저장 밀도가 40% 정도 감소하므로 저장할 수 있는 수소량과 주행거리도 비슷한 비율로 줄어든다.


수소 탱크는 일반 가스 탱크보다 높은 압력을 견디고 혹시 모를 추돌사고를 대비해서 매우 견고히 설계된다. 그러다 보니 5kg 정도의 수소를 저장하기 위한 탱크의 부피는 100L 이상이며 무게가 80~90kg 정도이다. 일반적으로 탱크를 2~3개 정도로 나누어 분산 저장을 한다. 수소전기자동차의 연료전지 스택, 완충된 수소탱크, 그리고 소형 배터리팩 무게 총 합은 200kg 정도로 비슷한 주행거리를 달리는 BEV 배터리팩 무게에(400~500kg) 비해 상당한 경량화를 이룰 수 있다.


수소 연료의 안전성
수소는 주기율표의 첫 원소인 만큼 기존 연료에 비해 독특한 특성을 지니고 있다. 수소 분자는 작고 가볍기 때문에 저장 용기에서 쉽게 샐 수 있고, 금속을 취화하는 성질 때문에 반드시 안전하게 취급해야 한다.


수소 연료는 전미방화협회(NFPA) 704 기준에서 인화성이 가장 높은 4 단계로 분류되어 있다. 참고로 아세틸렌(C2H2)과 프로판(C3H8)도 4단계로 분류되어 있으며, 휘발유는 3단계, 경유는 2단계로 분류되어 있다. 수소 연료는 천연가스와 같이 무색, 무취이지만, 천연가스와 달리 수소 순도 기준 때문에 부취제를 첨가할 수 없다. 수소는 공기중 연소 범위가 4~95% 정도로 넓어 작은 누설도 위험할 수 있으며 화염의 전파속도는 탄화수소 연료에 비해 빠르고, 주로 자외선 빛을 내므로 눈에 잘 보이지 않아 휘발유 화염보다 더 위험할 수 있다. 다행히 공기보다 가벼워 개방된 환경에서는 쉽게 확산될 수 있다. 비록 수소의 자동점화 온도는(536℃) 휘발유와 경유에(각각 260℃, 210℃ 정도) 비해 높지만, 점화에 필요한 최소 에너지는 수소가 0.02mJ, 메탄과 휘발유를 포함한 많은 탄화수소는 0.1mJ 수준으로 상당히 낮은 편이다. 즉, 자연 발화 위험은 적지만, 아주 작은 불꽃으로도 점화될 위험이 있다. 수소가 다른 연료에 비해 인화 성질이 다른 것이지, 더 위험하거나 덜 위험하지는 않다. 해당 안전수칙을 잘 따르면 여느 연료와 같이 편리하게 사용할 수 있다.


수소전기자동차의 열관리
온도는 수소 연료전지를 비롯한 모든 화학에너지 변환 장치의 성능에 크게 영향을 미칠 수 있는 중요한 환경 변수이다. 적절한 열관리를 통해 온도를 제어하면 필요한 반응을 촉진시키고, 방해되는 반응을 억제할 수 있고, 효율을 높일 수 있으며, 장치에 사용된 재료의 수명을 극대화하여 내구성을 향상시킬 수 있다. 수소전기자동차의 경우 주요 열관리 대상은 연료전지 스택이며, 고출력 환경에서도 최고 작동 온도를 초과하지 않고 활성면적의 온도 분포가 최대한 균일하게 냉각 시스템의 제어가 필요하다.


PEMFC의 작동 온도를 결정짓는 두가지 요인은 고분자막(NafionⓇ)의 성능과 열적 과도 응답에 따른 온도 동특성을 고려한 온도마진이다. 첫째, 고분자막이 정상적으로 작동하기 위해서는 어느정도 수분을 유지해야 하므로 100℃ 이상을 초과하면 안되며, 80~120℃에서 있는 유리전이온도 이하에서만 작동되어야 한다. 유리전이온도란 고분자 물질의 강성이 변하는 온도이며, 마치 구겨진 옷을 다리미로 피는 현상과 비슷하다. 이때 다리미의 온도가 섬유의 유리전이온도를 초과하여 유연하게 만들고 다리미의 무게로 섬유 구조를 바꿔주게 된다. 온도가 높아지면 고분자막 주변에서 전기화학 반응을 담당하는 MEA가 손상되어 연료전지의 성능을 영구적으로 손실될 수 있다. 둘째, 고출력 상황에서 연료전지 스택이 적정 온도를 유지하기 위해 수냉 시스템을 사용하는데, 냉각시스템의 반응속도 또는 적절하지 못한 냉각으로 인해 국지적으로 제어 온도를 초과하는 경우가 발생할 수 있다. 온도 마진이 클수록 연료전지 손상을 피할 수 있겠지만 성능이 제한되고 온도 마진이 작을수록 연료전지 성능을 높일 수 있으나 국지적으로 손상이 될 수 있으므로 연료전지와 냉각시스템을 충분히 실험한 뒤 정해야만 한다. 또한 연료전지의 활성영역이 커질수록 온도 분포가 커질 수 있으므로 냉각 시스템의 세밀한 설계가 필요하다. 마지막으로 전기화학 반응으로 생성되는 습증기는 연료전지의 성능을 크게 영향을 줄 수 있으므로 MEA 내 적절한 양을 유지해야한다. 습증기 관리 방법은 다양하지만, 습증기가 온도에도 영향을 받기 때문에 냉각 시스템 제어에 반드시 고려되어야 한다.


수소전기자동차 열관리는 수소 에너지 시스템 성능과 효율을 결정하는데 중요한 역할을 하며 미래의 고성능, 고효율 수소전기자동차 개발을 위해서는 반드시 고려해야할 설계 변수로 자리매김하였다. 이뿐만 아니라 수소전기자동차는 배터리 전기차에 필요한 e-파워트레인의 열관리 마저 함께 고려해야 하기 때문에 통합 열관리 시스템에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이를 해결하기 위한 연구 및 개발 노력이 절실히 필요하다.


글 / 유지형 (한양대학교)
출처 / 오토저널 2020년 10월호 (http://www.ksae.org)


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