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저장 운반이 어렵고 역화 및 조기점화현상을 보이고 문제점이 있으나 경제성과 환경보전성이 좋다.
석유자원이 점차 고갈되고 있고 환경보전의 문제가 심각하게 대두되고 있는 가운데, 그 해결책으로써 무공해 또는 저공해자동차를 개발하려는 열기가 전세계적으로 뜨겁게 달아오르고 있다. 여기에는 전기자동차 압축천연가스(CNG)자동차 메탄올자동차 태양에너지자동차와 더불어 수소자동차가 포함된다.
먼저 수소를 연료로 하는 엔진 및 자동차의 역사를 살펴보면 이렇다. 수소엔진은 내연기관의 역사와 더불어 시작됐다고 볼 수 있다. 실제로 초창기의 내연기관은 석탄이나 목탄으로부터 얻은 가스를 연료로 이용했는데 수소는 이러한 가스의 주성분이었다.
어뢰의 추진제로도 사용돼
이어서 1920년대 초기에는 유럽을 중심으로 제한적이나마 수소연료의 활용을 위한 연구가 진행됐는데 이러한 기초적인 연구는 그후 1950년대 후반까지 계속됐다. 그러나 수소-공기의 혼합가스를 연료로 사용했을 때 역화현상이 생기는 등 연소상의 문제점으로 인해 실용화에는 큰 진전이 없었다.
그런 가운데 수소연료만의 독특한 성질을 특정한 목적에 이용하고자 하는 시도도 함께 진행됐다. 예를 들면 비행선에서의 응용(육상에서는 연료로, 하늘을 날 때는 공기보다 가벼운 성질덕분에 부상용 가스로)을 들 수 있다. 또 잠수함에서 발사하는 어뢰의 추진제로 쓰이기도 했다(수중에서 물을 전기분해함으로써 얻은 산소와 수소를 사용). 뿐만아니라 1950년대 말에 미국 항공우주국(NASA)을 중심으로 제트엔진에 액체수소연료를 사용하기 위한 연구가 수행되기도 했다.
1970년대에 겪은 두 차례의 석유파동 이후 에너지보존 및 지구환경보전을 중시하는 분위기가 전세계적으로 조성됐다. 그 덕택에 최근에는 미국 일본 독일 등을 중심으로 수소연료자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
수소연료는 석유이외의 1차에너지(풍력 수력 원자력 태양열 지열에너지 등)를 이용해 생산할 수 있다는 점이 자랑거리다. 또한 석유연료, 즉 탄화수소계 연료와는 달리 지구온난화의 주범이라고 알려진 이산화탄소(${CO}_{2}$)를 생성하지 않고, 연소생성물의 주성분이 물이므로 자연의 순환사이클을 교란시키지 않는 점 등이 크게 주목을 받고 있다. 다만 공기를 산화제로 사용했을 때 약간의 질소산화물(NOx)이 배출되나 이는 희박연소기술 촉매 등을 활용하면 충분히 제어할 수 있을 것으로 전망된다.
역화와 조기점화가 문제
게다가 청정연료인 수소의 가격이 현 시점에서 따져 봐도 가솔린과 비슷한 수준이다. 단위열량을 내기 위한 연료비용을 비교해 보면 석탄이 1일 경우, 천연가스는 2, 휘발유와 압축수소는 4.5, 액체수소는 9, 전기는 11 정도로 나타난다. 따라서 수소는 충분히 가격경쟁력이 있는 것으로 보여진다.
수소연료자동차가 아직까지 실용화되지 못한 이유를 살펴보면 다음과 같이 크게 두가지로 설명된다. 첫째로는 저장 및 운반수단과 관련된 기술의 미(未)확립을 들 수 있다. 수소는 압축기체수소와 액화수소의 상태로 저장 운반 이용될 수 있는데 액화수소의 경우 －2백53℃ 이하의 저온을 유지해야 한다는 점이 부담스럽다. 또 압축수소의 경우에도 고압용기의 소형화와 경량화에 많은 어려움이 따르고 있다.
이러한 문제점을 풀기 위한 방법의 하나로 금속수소화합물(metal-hydride)을 이용해 수소를 저장하는 방안이 연구되고 있다. 이 방법은 수소저장합금이라고 불리는 특수한 금속에 수소가스를 반응시켜 금속수소화합물 상태로 수소를 저장하고 있다가 필요시에 가열, 수소와 금속을 분리해 사용하는 방법이다. 그러나 아직 수소저장용량이 작은데다 시스템의 부피가 크고 비싸기 때문에 당장 실용화하기에는 어려움이 있다. 여하튼 이 금속수소화합물은 안정성 면에서는 탁월한 시스템으로 평가된다(수소연료는 가끔 폭발사건을 일으키기도 한다).
둘째로는 연소시스템과 관련된 문제점을 들 수 있다. 수소연료를 내연기관의 연료로 사용할 때 가장 기술적으로 어려운 점은 역화(back fire) 조기점화(preignition) 등 이상(異常)연소다. 이러한 이상연소는 수소연료의 빠른 연소속도와 작은 점화에너지에도 쉽게 착화(着火)되는 특성에 기인한다.
흡기관 내에서 폭발을 일으키기도 하는 역화현상을 방지하기 위해서는 실린더 내로 수소연료가 직접 분사되는 시스템이 개발돼야 한다. 실린더 내의 열면(hot surface) 등에 의해 조기점화현상이 발생하면 점화플러그에 의한 정상적인 점화 및 연소제어가 불가능해진다. 이를 해결하기 위해서 현재 연소현상에 관한 광범위한 연구가 진행되고 있다.
실린더 내로 수소연료를 직접 분사하고자 할 때 필요한 인젝터(injector)는 아직 개발중이다.
다음으로 현재 세계각국에서 진행되고 있는 수소자동차의 연구개발 현황을 살펴보자. 독일의 경우, 1979년 독일항공연구소(DFVLR) 주관으로 BMW 520모델을 개조, 유럽최초의 액체수소자동차를 발표했다. 그 이후에도 독일항공연구소와 BMW사를 중심으로 엔진운전성의 제고, 차량탑재용 액체수소저장시스템의 개발, 연소개선 등을 위한 연구개발을 계속해 오고 있다.
그 결과 1984년에는 BMW/DFVLR 공동으로 BMW 735i모델을 기초로 한 터보(turbo) 3.5ℓ 수소엔진자동차를 개발하는데 성공했다. 지난해에는 수퍼차저(supercharger)를 이용한 액체수소엔진탑재 자동차를 개발했으나 완전한 상태는 아니다. 이를테면 운전성이 나쁘고 주행거리가 짧으며 －2백53℃의 저온액체수소를 연료로 사용했을 때 안정성에 문제가 생긴다.
한편 독일의 벤츠(Benz)사는 벤츠 300 모델에 무게 3백50㎏의 압축수소용기를 탑재했는데 주행거리가 1백20㎞ 밖에 되지 않는 등 많은 문제점을 노출시켰다.
소련에서도 개발중
일본에서는 무사시(Musashi)공대 주관으로 1970년대 초에 상업용 압축수소용기를 탑재한 수소자동차를 제작했다. 이를 시작으로 지속적인 연구가 진행돼 최근에는(1991년 가을 도쿄모터쇼) 닛산사와 공동으로 '무사시 8호'를 발표하기도 했다.
이 차는 닛산의 페어레디(Fairlady) Z-32형을 기본으로 삼아 직접분사식 디젤엔진을 개량한 액체수소엔진을 탑재하고 있다. 연료는 진공단열된 연료탱크에 충진해 사용하고 있는데 시속 1백㎞ 정도의 속도로 주행할 수 있다고 한다.
일본 마쓰다자동차에서는 91년 도쿄모터쇼에 두개의 로터(rotor)를 가진 4백99cc짜리 수소로터리엔진을 탑재한 수소자동차를 발표했다. 이 차는 수소저장수단으로 금속수소화합물 시스템을 사용했으며 주행거리는 2백㎞ 정도로 알려져 있다.
미국에서는 1971년 한 무공해자동차협회(Perris Smogless Automotive Association)에서 포드(Ford) F250 트럭을 개조한 수소자동차를 선보였다. 그 이후 1973년 부터는 로스 알라모스국립연구소(LANL)와 UCLA 등을 중심으로 수소자동차연구가 수행돼 왔다. 최근 미국 GM(General Motors)사는 천연가스와 수소의 혼합연료를 사용하는 GMC 미니 밴(mini van)을 개발중에 있다.
또 소련에서도 금속수소화합물 시스템을 활용하는 수소엔진트럭을 개발하고 있다.
국내에서는 서울대 성균관대 및 과학기술원등에서 수소연료의 저장 및 연소와 관련된 기초연구를 수행하고 있다. 여기서는 주로 수소엔진의 연소현상과 수소의 제조법 그리고 금속수소화합물 시스템 등 저장방법에 대한 연구가 이뤄지고 있다. 또 현대자동차에서도 산학협동을 통해 연구개발에 착수했다.
지금까지 알아본 바와 같이 수소자동차가 실용화되기 위해서는 다방면으로 지속적인 연구개발을 해야만 한다. 이울러 학계 부품업체 자동차회사의 공동협력연구 및 정부의 지원 등이 보조를 맞춰야 가능하리라고 생각한다.
석유자원이 점차 고갈되고 있고 환경보전의 문제가 심각하게 대두되고 있는 가운데, 그 해결책으로써 무공해 또는 저공해자동차를 개발하려는 열기가 전세계적으로 뜨겁게 달아오르고 있다. 여기에는 전기자동차 압축천연가스(CNG)자동차 메탄올자동차 태양에너지자동차와 더불어 수소자동차가 포함된다.
먼저 수소를 연료로 하는 엔진 및 자동차의 역사를 살펴보면 이렇다. 수소엔진은 내연기관의 역사와 더불어 시작됐다고 볼 수 있다. 실제로 초창기의 내연기관은 석탄이나 목탄으로부터 얻은 가스를 연료로 이용했는데 수소는 이러한 가스의 주성분이었다.
어뢰의 추진제로도 사용돼
이어서 1920년대 초기에는 유럽을 중심으로 제한적이나마 수소연료의 활용을 위한 연구가 진행됐는데 이러한 기초적인 연구는 그후 1950년대 후반까지 계속됐다. 그러나 수소-공기의 혼합가스를 연료로 사용했을 때 역화현상이 생기는 등 연소상의 문제점으로 인해 실용화에는 큰 진전이 없었다.
그런 가운데 수소연료만의 독특한 성질을 특정한 목적에 이용하고자 하는 시도도 함께 진행됐다. 예를 들면 비행선에서의 응용(육상에서는 연료로, 하늘을 날 때는 공기보다 가벼운 성질덕분에 부상용 가스로)을 들 수 있다. 또 잠수함에서 발사하는 어뢰의 추진제로 쓰이기도 했다(수중에서 물을 전기분해함으로써 얻은 산소와 수소를 사용). 뿐만아니라 1950년대 말에 미국 항공우주국(NASA)을 중심으로 제트엔진에 액체수소연료를 사용하기 위한 연구가 수행되기도 했다.
1970년대에 겪은 두 차례의 석유파동 이후 에너지보존 및 지구환경보전을 중시하는 분위기가 전세계적으로 조성됐다. 그 덕택에 최근에는 미국 일본 독일 등을 중심으로 수소연료자동차에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
수소연료는 석유이외의 1차에너지(풍력 수력 원자력 태양열 지열에너지 등)를 이용해 생산할 수 있다는 점이 자랑거리다. 또한 석유연료, 즉 탄화수소계 연료와는 달리 지구온난화의 주범이라고 알려진 이산화탄소(${CO}_{2}$)를 생성하지 않고, 연소생성물의 주성분이 물이므로 자연의 순환사이클을 교란시키지 않는 점 등이 크게 주목을 받고 있다. 다만 공기를 산화제로 사용했을 때 약간의 질소산화물(NOx)이 배출되나 이는 희박연소기술 촉매 등을 활용하면 충분히 제어할 수 있을 것으로 전망된다.
역화와 조기점화가 문제
게다가 청정연료인 수소의 가격이 현 시점에서 따져 봐도 가솔린과 비슷한 수준이다. 단위열량을 내기 위한 연료비용을 비교해 보면 석탄이 1일 경우, 천연가스는 2, 휘발유와 압축수소는 4.5, 액체수소는 9, 전기는 11 정도로 나타난다. 따라서 수소는 충분히 가격경쟁력이 있는 것으로 보여진다.
수소연료자동차가 아직까지 실용화되지 못한 이유를 살펴보면 다음과 같이 크게 두가지로 설명된다. 첫째로는 저장 및 운반수단과 관련된 기술의 미(未)확립을 들 수 있다. 수소는 압축기체수소와 액화수소의 상태로 저장 운반 이용될 수 있는데 액화수소의 경우 －2백53℃ 이하의 저온을 유지해야 한다는 점이 부담스럽다. 또 압축수소의 경우에도 고압용기의 소형화와 경량화에 많은 어려움이 따르고 있다.
이러한 문제점을 풀기 위한 방법의 하나로 금속수소화합물(metal-hydride)을 이용해 수소를 저장하는 방안이 연구되고 있다. 이 방법은 수소저장합금이라고 불리는 특수한 금속에 수소가스를 반응시켜 금속수소화합물 상태로 수소를 저장하고 있다가 필요시에 가열, 수소와 금속을 분리해 사용하는 방법이다. 그러나 아직 수소저장용량이 작은데다 시스템의 부피가 크고 비싸기 때문에 당장 실용화하기에는 어려움이 있다. 여하튼 이 금속수소화합물은 안정성 면에서는 탁월한 시스템으로 평가된다(수소연료는 가끔 폭발사건을 일으키기도 한다).
둘째로는 연소시스템과 관련된 문제점을 들 수 있다. 수소연료를 내연기관의 연료로 사용할 때 가장 기술적으로 어려운 점은 역화(back fire) 조기점화(preignition) 등 이상(異常)연소다. 이러한 이상연소는 수소연료의 빠른 연소속도와 작은 점화에너지에도 쉽게 착화(着火)되는 특성에 기인한다.
흡기관 내에서 폭발을 일으키기도 하는 역화현상을 방지하기 위해서는 실린더 내로 수소연료가 직접 분사되는 시스템이 개발돼야 한다. 실린더 내의 열면(hot surface) 등에 의해 조기점화현상이 발생하면 점화플러그에 의한 정상적인 점화 및 연소제어가 불가능해진다. 이를 해결하기 위해서 현재 연소현상에 관한 광범위한 연구가 진행되고 있다.
실린더 내로 수소연료를 직접 분사하고자 할 때 필요한 인젝터(injector)는 아직 개발중이다.
다음으로 현재 세계각국에서 진행되고 있는 수소자동차의 연구개발 현황을 살펴보자. 독일의 경우, 1979년 독일항공연구소(DFVLR) 주관으로 BMW 520모델을 개조, 유럽최초의 액체수소자동차를 발표했다. 그 이후에도 독일항공연구소와 BMW사를 중심으로 엔진운전성의 제고, 차량탑재용 액체수소저장시스템의 개발, 연소개선 등을 위한 연구개발을 계속해 오고 있다.
그 결과 1984년에는 BMW/DFVLR 공동으로 BMW 735i모델을 기초로 한 터보(turbo) 3.5ℓ 수소엔진자동차를 개발하는데 성공했다. 지난해에는 수퍼차저(supercharger)를 이용한 액체수소엔진탑재 자동차를 개발했으나 완전한 상태는 아니다. 이를테면 운전성이 나쁘고 주행거리가 짧으며 －2백53℃의 저온액체수소를 연료로 사용했을 때 안정성에 문제가 생긴다.
한편 독일의 벤츠(Benz)사는 벤츠 300 모델에 무게 3백50㎏의 압축수소용기를 탑재했는데 주행거리가 1백20㎞ 밖에 되지 않는 등 많은 문제점을 노출시켰다.
소련에서도 개발중
일본에서는 무사시(Musashi)공대 주관으로 1970년대 초에 상업용 압축수소용기를 탑재한 수소자동차를 제작했다. 이를 시작으로 지속적인 연구가 진행돼 최근에는(1991년 가을 도쿄모터쇼) 닛산사와 공동으로 '무사시 8호'를 발표하기도 했다.
이 차는 닛산의 페어레디(Fairlady) Z-32형을 기본으로 삼아 직접분사식 디젤엔진을 개량한 액체수소엔진을 탑재하고 있다. 연료는 진공단열된 연료탱크에 충진해 사용하고 있는데 시속 1백㎞ 정도의 속도로 주행할 수 있다고 한다.
일본 마쓰다자동차에서는 91년 도쿄모터쇼에 두개의 로터(rotor)를 가진 4백99cc짜리 수소로터리엔진을 탑재한 수소자동차를 발표했다. 이 차는 수소저장수단으로 금속수소화합물 시스템을 사용했으며 주행거리는 2백㎞ 정도로 알려져 있다.
미국에서는 1971년 한 무공해자동차협회(Perris Smogless Automotive Association)에서 포드(Ford) F250 트럭을 개조한 수소자동차를 선보였다. 그 이후 1973년 부터는 로스 알라모스국립연구소(LANL)와 UCLA 등을 중심으로 수소자동차연구가 수행돼 왔다. 최근 미국 GM(General Motors)사는 천연가스와 수소의 혼합연료를 사용하는 GMC 미니 밴(mini van)을 개발중에 있다.
또 소련에서도 금속수소화합물 시스템을 활용하는 수소엔진트럭을 개발하고 있다.
국내에서는 서울대 성균관대 및 과학기술원등에서 수소연료의 저장 및 연소와 관련된 기초연구를 수행하고 있다. 여기서는 주로 수소엔진의 연소현상과 수소의 제조법 그리고 금속수소화합물 시스템 등 저장방법에 대한 연구가 이뤄지고 있다. 또 현대자동차에서도 산학협동을 통해 연구개발에 착수했다.
지금까지 알아본 바와 같이 수소자동차가 실용화되기 위해서는 다방면으로 지속적인 연구개발을 해야만 한다. 이울러 학계 부품업체 자동차회사의 공동협력연구 및 정부의 지원 등이 보조를 맞춰야 가능하리라고 생각한다.
