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데스크 | 수소 시대, 발등에 불이다 |

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글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com) ㅣ 사진 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)  
승인 2001-11-14 15:41:42

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머지 않아 현실로 다가올 수소시대에 대해 우리는 너무나 무관심하다. 하지만 지구촌은 지금 수소시대로 숨가쁜 행보를 거듭하고 있다. 수소시대를 향한 자동차분야에서의 개발 과정은 수소엔진과 연료전지차 두 가지로 구분된다. 그 중 이번에는 연료전지차에 대해 좀 더 자세히 알아 보자.

연료전지라고 하는 단어에서 무언가 구체적인 것을 떠 올린다는 것은 쉽지 않다. 연료라고 하면 가솔린이라든가 가스라고 하는 것을 생각하는 것이 보통이고 전지라고 하면 배터리를 떠 올린다. 그리고 그 연료와 배터리를 결합해 보아도 구체적인 것이 떠 오르지 않는다.

영어로는 Fuelcell이라고 쓴다. 퓨얼 배터리가 아니다. 하지만 셀이라고 하는 단어는 조그마한 방이라는 의미가 있고 전기 분야에 전지의 의미도 포함되어 퓨얼 셀을 직역해 연료전지라고 해도 별 문제는 없다. 사전을 좀 더 자세히 찾아 보면 셀이 모여 배터리로 된다고 설명되어 있다.

우리가 알고 있는 자동차의 보조 배터리는 2볼트를 발생하는 극판(cell)이 6개 모여 12볼트 배터리로 되어 있다. 연료전지는 약 0.7볼트를 발전하는 셀을 몇 개 모아 스택(stack)이라고 부른다. 그런데 전지를 우리는 전기를 저장해 두는 장치라고 생각하고 있는데 실은 그 내부에서 이루어지고 있는 것은 화학 반응이고 그에 따라 전기를 만들어내는 장치이다. 자동차 배터리의 경우 충전은 전기를 밀어 넣음으로써 역 화학반응을 하게 해 발전의 반응을 일으키도록 내부를 복원하고 있는 것이다.

전지는 발전장치라고 생각하면 연료전지는 이해하기 쉬워진다. 다시 말해 충전을 하는 것은 아니고 연료를 공급해 발전을 하는 장치를 연료전지라고 부르는 것이다. 그 연료란 다름 아닌 수소다. 연료전지에 수소를 넣어 대기중의 산소와 화학반응을 시키면 전기가 일어난다. 동시에 수증기가 발생한다. 이는 우리가 학교에서 배웠던 물의 전기분해의 역작용을 이용하고 있는 것이다.

연료전지 내부는 전해질막을 사이에 두고 플러스와 마이너스의 극이 있고 마이너스극측에 수소를 플러스극 측에 공기(산소)를 공급하면 마이너스측의 수소가 전극의 백금촉매에 접촉해 이온화해 전자를 방출한다. 남은 수소의 양자는 전해질막을 통과해 플러스극측으로 이동해 산소와 반응해 물로 된다. 수소원자에서 방출된 전자는 플러스극과 마이너스극의 사이에 전위차(전압)를 만들어 전기가 흐른다. 이것이 연료전지의 발전 과정이다.

전해질의 막은 두께가 1000분의 20∼30mm라고 하는 엷은 폴리머로 만들어졌다. 이온화해 전자와 양자로 나뉜 수소원자의 양자만을 통과하는 막이기 때문에 양자교환막형(Proton Exchange Membrane)의 연료전지라고 부른다. 엷은 폴리머의 막을 이용하는 것으로 소형화가 가능하고 세계의 각 자동차 메이커들이 개발중인 연료전지는 이 방식을 채용하고 있다.

연료전지차가 지금까지 주목을 모으게 된 것은 1994년에 다이믈러 벤츠(현재의 다이믈러크라이슬러)가 NECAR(New Electric Car)라고 하는 연료전지차를 처음으로 주행시키면서부터다. 연료전지 그 자체는 65년에 미국의 우주선 제미니 5호에 처음으로 사용된 이래 오늘날의 우주선에서도 발전에 이용되고 있다. 하지만 자동차와 같이 소형에서 주행에 따른 진동등 가혹한 사용조건이 주어진 상황에서의 이용은 다이믈러 벤츠가 처음이었다.

최초의 NECAR1은 상용 원박스 짐칸 가득히 장치가 실린 연료전지차였다. 하지만 이후의 개발은 급 피치로 다이믈러 벤츠는 2년 후인 96년에 현재의 V클래스를 베이스로 하는 미니밴 NECAR2를 만들고 이는 6인승으로 화물공간도 확보되어 자동차로서의 실용성을 높였다. 나아가 이듬해인 1997년, A클래스를 베이스로 하는 NECAR3를 탄생시켰다. 동시에 연료전지 버스 NEBUS(New Electric BUS)를 제작해 연료전지차의 공공교통 기관에의 확대가 제시되었다.

3년이라고 하는 짧은 기간에 NECAR1부터 NECAR3까지 출력은 50kW로 같으면서 연료전지 스택의 수가 12개에서 2개가 감소해 중량은 1/10로 가벼워지고 한번 연료보급으로 주행거리는 4배인 400km로 연장되었다. 배터리카라고 부르기도 하는 전기자동차의 주행거리가 최신의 니켈수소를 사용해도 200km 정도의 항속거리에 불과한데 400km는 매력적인 수치이며 연료전지차 개발은 더욱 힘을 얻게 되었다.

또 이 다이믈러 벤츠의 빠른 진보의 배경에는 카나다의 벤처 기업인 발라드사와의 제휴도 크게 작용했다. 발라드사는 양자교환막형 연료전지의 리더격 존재로서 세계 자동차메이커가 발라드사제 연료전지를 한번은 연구하고 있는 것이다.

연료전지의 개발이 진행됨과 동시에 연료전지차에 관해서는 배터리 등 보조전원을 탑재할 것인가 아닌가를 결정해야 한다. 다이믈러 벤츠는 탑재하지 않기로 했고 토요타와 혼다는 탑재하기로 했다. 그러나 혼다는 배터리가 아니라 콘덴서의 기능을 하는 수퍼 커페시터를 사용한다. 다이믈러 벤츠의 주장은 ‘Simple is the best’라는 생각으로 구조는 간소한 쪽이 좋다. 그쪽이 코스트 다운에도 연결되어 있다고 한다. 토요타와 혼다의 생각은 회생에 의한 에너지회수가 가능하게 되고 효율을 올려준다. 하지만 주행성능과 쾌적성의 향상에도 도움이 된다고 주장한다. 어느쪽도 일리가 있다.

그런데 연료전지에는 수소를 어떻게 확보하는가 하는 큰 과제가 있다. 현재 공업적으로 천연가스에서 수소를 취출하는 방법이 채용되고 있고 이것을 250 또는 350기압으로 압축해 탱크에 저장해 운반하는 것이 가장 일반적이다. 이에 대해 다이믈러 벤츠는 97년의 NECAR3에서 메탄올 개질식을 채용하고 있다. 이는 알콜 연료인 메탄올에서 수소를 취출하는 방법으로 가솔린과 마찬가지로 액체연료를 자동차에 탑재할 수 있기 때문에 연료보급과 항속거리의 확보 면에서 유리하다고 생각된다. 또 알콜연료라면 식물과 바이오등 장래 개발이 기대되는 자연에너지의 활용 폭이 넓어지고 지구 전체의 에너지 소비와 CO₂배출 면에서 순환형 사회가 만들어진다고 한다.

그 후 미국의 석유 메이커와 GM, 또는 토요타에서 만들어 낸 것이 가솔린 개질식이라고 하는 것이다. 석유자원에서 수소를 취출하는 쪽이 수소의 함유량이 많은 것과 기존의 가솔린 주유소를 유효하게 이용할 수 있으며 사회기반시설에 손을 대지 않고 가솔린차와의 혼합교통으로 되는 당면의 보급과정에 있어 별도의 사회자본의 투자를 필요로 하지 않는 이점이 이 안의 배경이다. 그런데 이 방식에서는 근본인 석유자원으로부터 벗어나는 것과는 직접 관계가 없다는 점이 있다. 아직 이 가솔린 개질식 연료전지차는 존재하지 않지만 일본 토요타가 곧 내놓을 것으로 알려졌다.

혼다는 수소를 직접 탑재하는 방법이 가장 효율적이고 탈 석유의 관점에서도 논리적으로도 옳다고 주장해 독자적으로 태양광 발전에 의해 물을 전기분해해 수소를 얻고 고압가스로 해 탑재하는 방법의 연구를 진행하고 있다. 그리고 최신의 FCX·V4에서는 350기업의 수소 탱크를 차체 플로어에 탑재해 300km로 항속거리를 연장하고 있다. 또 혼다는 로봇과 보행보조장치로 사용할만큼 초박형 연료전지를 미국의 대학과 공동개발하고 있다.

어쨌거나 연료문제를 어떻게 해결하는가가 확실해지지 않으면 자동차의 개발도 늦어진다. 누가 어떤 방식으로 명확한 리더십을 취할 것인가? 거기에 금후의 연료전지차 개발의 행방이 걸려 있는 것이다.
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