수소연료전지 자동차

본문내용

택 출력에 따라 발생되는 열은 아래와 같으므로
발생열 = 스택출력 X (1.25/셀 전압-1) [watt]
이러한 발생열이 냉각시스템을 통해 냉각되어야 하며, 이때 적절히 조절된 냉각수에 의해 스택이 요구하는 운전온도에서 작동되어야 하는 것이 중요하다.
일반 내연기관의 엔진 온도보다 스택의 운전 온도는 낮기 때문에 대기의 온도가 찬 경우에는 문제가 되지 않지만 여름의 경우 대기가 섭씨 40℃에 이르게 되면 냉각수와 대기의 온도차가 크지 않아 열 교환을 위한 충분한 온도 차이를 확보하기 어렵다. 같은 성능의 라디에이터를 사용한다면 라디에이터 면적이 기존 내연기관의 그것보다 4배 정도의 표면적을 가져야 한다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 고 효율, 고 성능 라디에이터의 개발을 포함하여 라디에이터의 면적을 높이는 연구가 진행되고 있다. 하지만 근본적으로 연료전지 스택의 열 방출 문제를 해결하기 위해서는 약 섭씨 100℃에서 작동할 수 있는 고온 작동 연료전지의 개발이 필수적이라 하겠다.
이러한 고 효율 라디에이터 개발 뿐 아니라 냉각수를 냉가 loopso에서 적절한 유량으로 회전시키기 위한 전동식 물 펌프도 개발하여야 한다.
이 밖에 열 및 물 관리계를 구성하는 부품으로는 이온 및 기포 제거 기능을 가지는 물 탱크, 전자식 써모스텟, 압력 및 온도센서 등이 있다.
2) 공기공급계
공기공급계 구성 부품 중 가장 개발 난이도가 높은 부품은 공기블로워이다. 국내 자동차용 연료전지 스택의 운전 압력 조건이 상압에 가까운 특성이 있다.
또한 공기공급계에서는 공기공급 라인에서 압력 저하가 적은 시스템이 적용되어야 공기블로워의 손실도 적어지고 또한 스택이 요구하는 유량을 공급할 수 있다. 따라서 공기공급라인을 통과하는 공기의 압력 저하가 분석하기 위해서 터보 블로워의 성능 곡선과 같은 해석을 통해 차량에 적용되는 공기공급계에서의 압력 분포를 알아야 한다. Total 압력강하는 1.7Kpa로 나타났다.
< ISO View(Static Pressure) >
3) 수소공급계
어떤 반응에서도 그렇듯이 연료 전지 스택에서도 수소나 공기가 적당한 양이 공급된다고 하더라도 모든 수소가 다 반응하지는 못한다. 이렇게 스택이 공급되는 수소가 100% 반응하지 않고 배기가스에 상당 부분이 섞여 있을 때 그냥 배출해 버린다면 폭발의 위험이 있을 뿐만 아니라 비효울적인 운용이 될 수 있으므로 연료의 효율적인 측면에서 연료 재활용은 꼭 필요하다. 수소 측의 배출구가 스택의 수소 입구와 연결되어 연료의 재순환이 이루어지도록 사이클을 구성해야 할 것이다. 따라서, 이러한 수소 재순환 장치는 스택을 통과하면서 미 반응된 수소를 재순환시켜 수소이용률을 증대시키고, 이를 통해 차량의 연비향상을 꾀하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 이젝터 (ejector)나 재생형 블로어 (regenerative blower)가 그 주요한 수단으로 연구되고 있다.
국내에선 재생형 블로워 타입과 이젝터 타입을 모두 개발 중에 있다.
이 밖에 수소 공급계의 구성 부품으로는 압력 조절기, 솔레노이드 밸브, 수소감지 센서 등이 있다.
6) 연료전지자동차 개발전망
국내외 기술현황을 종합해 볼 때 연료전지자동차가 궁극적으로는 내연기관 자동차를 대체할 것으로 예상된다. DOE는 미국 여러 주에서 시행될 무공해자동차 의무판매 규정에 의해 2010년에 판매되는 연료전지자동차가 전체 판매차량의 50% 이상을 차지할 것으로 예측하고 있다. 고분자전해질 연료전지 스택기술 자체는 자동차 추진에 필요한 성능 및 운전특성을 만족시키는 수준까지 발전하였으며 일부 선진국에서는 이미 원가절감 및 대량생산 기술을 개발하기 시작하였다. 연료전지자동차용 연료로는 저장 및 취급의 용이성 때문에 현재에는 대부분 메탄올을 채택하고 있지만 휘발유 개질기가 개발이 되면 휘발유 개질기의 복잡성과 높은 가격에도 불구하고 휘발유가 메탄올을 완전 대체할 것이다. 수소의 경우는 안전성이 확보된 수소탱크가 개발되면 개질기 대신에 수소탱크가 연료전지자동차에 탑재될 것으로 보인다.
연료전지자동차의 실용화에 있어 가장 큰 어려움은 높은 가격이다. 현재 원재료를 대부분 수입에 의존하고 스택을 개발하는 단계이기 때문에 국내에서의 고분자전해질 연료전지 스택의 제작단가는 $10,000/kW에 이르고 있다. 이러한 가격은 소재개발 및 양산기술 개발로 $20/kW 수준으로 낮추어야만 한다. 즉, 고분자전해질 연료전지 엔진은 크게 3가지 즉, 연료전지 스택, 연료개질기, 주변기기로 구성되는데, 50kW급 연료전지 엔진을 연간 100,000 ~ 200,000 대 규모로 대량생산한다고 할 때 연료전지 스택, 연료개질기, 주변기기의 목표가격은 각각 $20/kW이며 따라서 연료전지 스택, 연료개질기, 주변기기를 포함한 50kW급 연료전지 엔진의 목표가격은 $3,000 ($60/kW)이다.
참고로 고분자전해질 연료전지의 응용분야를 크게 현지설치형 발전 및 자동차 동력원으로 볼 때, 현지설치형 발전의 경우 효율 및 수명 (40,00시간 이상)이 중요하여 가압운전 (2-4기압)을 목표로 하고 있으며 발전단가는 $500/kW를 예상으로 하고 있다. 한편 자동차 동력원의 경우에는 부피, 무게 및 가격이 더 중요한 요소이므로 장치의 단순화를 위하여 상압 운전을 목표로 하고 있으며 수명은 4,000시간, 발전단가는 $60/kW을 목표로 하고 있다. 현재까지 근본적인 해결책은 알려지지 않았으나 향후 2~3년동안 기술적 및 원가적 문제가 해결되고 대량생산이 이루어지면 상기의 목표치가 가능할 것으로 전망하고 있으며 2010년도에는 양산에 의해 연료전지자동차가 보편화될 것으로 예상된다.
무공해 및 고효율 고분자전해질 연료전지자동차가 실용화되면 대기환경오염 방지, 지구온난화 방지 및 수송용 에너지의 절약에 기여할 수 있을 것이다. 또한 선진국에서 무공해자동차의 사용이 곧 의무화되는 것에 대처하여 미리 선진기술을 확보함으로써 자동차산업에서의 국제경쟁력을 확보할 수 있다. 한편 연료전지가 성능, 안전성, 가격 면에서 만족할 만한 수준으로 상용화되면 곧바로 가정용, 이동용, 분산발전용, 방위산업용으로 응용될 수 있을 것이다.

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