자동차상식 + 자동자학과, 자동차정비기능사 등 내연기관 필수과목 자동차기관 요점 104강. 연료전지 자동차의 구조 2

104강. 연료전지 자동차의 구조 2

 

(2) 연료전지의 분리판(separator)

분리판이란 연료전지의 전극 셀을 구획 짓기 위한 부재로서 연료가스와 공기를 차단하
는 역할을 하며 분리판의 양쪽에는 연료극(Anode)과 공기극(Cathode)이 배치된다.
분리판은 연료가스와 공기를 차단하는 역할 이외에 연료가스와 공기의 유로확보, 전
기 전도성, 내식성, 열전도성 둥이 요구되는 부재이다.
분리판은 연료가스와 공기를 전극에 균일하게 공급하기 위한 유로인 홈(채널)이 파여있고, 보통 분리판 양쪽은 Anode측과
Cathode측이 되어있다.
또한 분리판은 전극에서 일어나는 화학반응과 반응열에 의하여 화학적으로나 물리적
으로 변화하지 않아야 하며, 더욱이 외부회로에 전류를 흘리는 역할도 하기 때문에 흑
연이나, 카본, 금속 등의 이용되고 있다. 최근에는 도전성 플라스틱 등을 이용한 제품도
개발되어, 성능향상과 생산비용의 저감이라는 측면에서 개발되고 있다.
분리판은 연료전지의 작동온도에 따라 내열특성이 다르나, 기본적으로는 같다. 가장

작동온도가 낮은 고분자전해질 연료전지에서는 현재 카본계통이 채용되는 경우가 많으
나, 수지형성의 시도도 있다. 금속재료의 이용도 가능하다.

(3) 운전장치(수소, 공기공급, 열 및 물 관리)

연료전지 자동차의 구동은 기존의 엔진 대신 전기모터를 사용하고, 연료는 수소가스
를 이용하며, 동력원으로는 연료전지에서 생성된 전기를 이용하게 된다. 또 여기서 배
출되는 배기는 무공해인 수증기이다.
연료전지 자동차의 구성에서 연료전지 스택은 차량에 대한 동력원을 제공하는 것이
고, 2002년 자체 기술 개발에서는 전체 시스템 효율을 증가시키기 위해 시스템의 운전
압력을 상압형으로 설계하여 개발하였다. 이러한 시스템에서 연료전지 반응의 산화제
인 대기 중의 산소를 공급하기 위한 공기 공급계는 아래와 같은 형태로 구성되어 있다.

공기 공급계

. 공기 공급계 경로

공기 블로워

이러한 형태로 구성된 각각의 공기공급계, 수소저장 및 공급계, 물 및 열관리계의 부
품을 차량에 탑재하기 전에 각각의 구성 단품들에 대한 개별특성과 성능을 확인하는 평

열 및 물 관리 계의 구성

가를 수행한다. 이러한 수행을 위한 연료전지 시스템을 브래드보드(breadboard)라고
부르며, 이러한 브래드보드(breadboard)시스템에 대해서는 차량에서 사용되는 실제 제
어기를 적용하는 것을 원칙으로 하고 있으나, 개발과정에 있어서는 실제 제어기 개발을
위한 설계 변수들을 도출하기 위한 제어도구(lab view)를 사용하기도 한다. 아래의 그
림에서는 차량에 탑재하기 위한 제어기들의 종류와 관련 장치들을 나타내었다.

나. 사용연료

자동차용 고체고분자형 연료전지(PEFC)에 사용되는 연료로서는 수소, 메탄올, 가솔
린을 들 수 있다. 수소를 연료로 하는 경우에는 고체고분자형 연료전지 시스템이 간소
하고, 연료 이용율도 100% 근처로 할 수 있다. 또한 배기도 무공해와 동등하고, 개질기
에서 문제가 되는 시동성, 응답성에도 뛰어나 출력성능이 가장 양호하다. 그러나, 수소
연료 공급인프라의 정비에 소요되는 비용이나 고밀도로 수소를 저장하기 위한 차재시
스템의 중량·체적·안전성 등에 문제가 있다. 메탄올을 연료로 하는 경우는, 수소연
료에 비해 인프라 정비의 부담이 경감됨과 함께, 에너지밀도도 높아서 연료 1회충전당
주행거리도 가솔린차량 수준을 달성할 수 있다. 메탄올연료는 일반적으로 개질기에 의
해 수소로 변환하여 고체고분자형 연료전지에 공급되나, 전극 표면상에서 직접 프로톤

연료전지 시스템의 구성

(수소이온)으로 변환하여 발전을 행하는 다이렉트 메탄올형 연료전지의 연구도 착수되
어 있다. 가솔린을 연료로 사용하는 경우에는 기존의 인프라를 활용할 수 있는 이점이
있으나, 개질 반응온도가 높고(약 1,000℃), 시동성에 문제가 있는 외에, 가솔린에 포
함되는 황분에 의한 촉매 피독, 시스템의 복잡성, 낮은 효율 등이 문제가 되어 해결해
야 할 과제가 많다.

다. 연료의 저장방식

수소는 상온에서 기체이기 때문에 에너지밀도가 낮아서 고밀도화가 차량탑재의 주요
요건이다. 수소의 고밀도 저장방법으로서 고압용기, 액체수소탱크, 수소흡장합금탱크
의 세 가지를 들 수 있다.
이들 방법에 의한 수소의 저장에너지수소를 20∼30MPa정도로 가압하여 고압용기에
충전 저장하는 방법은 이미 천연가스자동차에서 운용되고 있어서 고압용기에 대한 안
전기준이 확립되어 있고 취급도 용이하다. 그러나 체적에너지밀도는 3가지 방법 중에
서 가장 낮아서, 차재공간 확보가 문제가 된다. 또한, 고압으로 압축 충전하는 데에 필
요한 컴프레서의 구동동력도 종합적인 에너지효율의 비교 시에는 고려할 필요가 있다.
수소를 액체로 하여 단열용기에 저장하는 방법은 중량에너지밀도가 3자 중에서 가장
높아서, 연료전지의 높은 에너지변환효율을 고려하면 동일한 연료탱크 중량으로 가솔
린차 이상의 장거리주행도 실현 가능하다. 그러나, 장기간 저장 시에는 1일 1% 이하의
증발손실이 있는 점, -253℃라는 극저온 수소의 액화에는 많은 에너지를 필요로 하고,
이에 요구되는 일량은 수소에너지의 약 30%를 차지하여, 경제성이나 종합적인 에너지
효율을 비교할 때에는 가장 불리한 조건임을 고려해야 한다.
수소저장합금탱크에 저장하는 방법은, 체적에너지밀도가 3자 중에서 가장 커서, 저
장탱크의 탑재 레이아웃이 문제가 되는 소형차에 유리한 조건이다. 또한, 수소저장합
금은 수소방출이 흡열반응이기 때문에, 충돌사고 등에 의해 탱크, 배관이 파손되는 경
우, 열원의 공급정지에 의해 수소의 방출이 자연적으로 정지되므로, 안전성이 높은 수
소저장방식이라고 할 수 있다. 게다가, 1MPa 미만의 저압으로 수소연료의 충전이 가능
하여, 충전에 요하는 동력부담을 낮게 억제할 수 있어서, 종합적인 에너지효율의 비교
시에 가장 유리한 조건이 된다. 한편, 중량에너지밀도는 3자 중에서 가장 낮아서, 차량
탑재 가능한 중량을 배려하면, 1회 충전으로 주행 가능한 거리가 짧아진다는 문제가 있
다. 이상과 같이, 수소의 저장방법은 어느 쪽도 장단점이 있어서 결정적인 것은 없다.
이들은 수소의 제조, 수송, 저장형태라는 인프라와 관계도 깊어서 차량개발과 인프라의
정비가 일체가 되어 진행되어 사용목적에 맞는 최적화가 꾀해질 것으로 생각된다. 최근 에는 카본재료에 의한 경량수소저장방법도 새로이 연구가 추진되고 있어서 금후의 발전이 기대된다.

라. 연료개질방식

수소연료는 고밀도 차량저장이나 인프라 정비의 문제가 있어서, 에너지밀도가 크고
수송·저장이 용이한 메탄올, 가솔린 등의 액체연료를 차량 내에서(On-Board) 개질하
여 수소를 추출해 내는 방식이 유력하다고 평가되고 있다.
수증기개질방식은 CH3OH+H2O→3H2+CO2와 같이 연료에 수증기를 반응시키는 방식
이다. 이 반응은 흡열반응으로서 본래의 연료보다 개질가스 연료의 에너지가 커진다.
이 열은 외부로부터 공급할 필요가 있으나, 연료전지의 잔여가스의 연소열을 이용하므
로 서, 결과적으로 연료의 이용효율을 높일 수 있다. 그러나 기동·정지나 부하변동이
큰 자동차용으로서 사용하기 위해서는 시동성, 응답성에 문제가 있다.
부분산화개질방식은 CH3OH+1/2O2→2H2+CO2의 반응에 의해 수소로 변환하는 방식
이다. 이는 발열반응으로서, 외부로부터의 열 공급은 필요 없으므로 응답성이 뛰어나
나, 연료전지의 잔여가스를 이용할 수 없어서 개질반응 그 자체에서 에너지를 손실하므로 효율이 나쁘다. 또한 산소공급은 공기에 의해 이루어지므로 N2의 존재에 의해 개질
가스중의 수소농도도 저하한다.
복합방식은 수증기 개질의 흡열반응과 부분산화개질의 발열반응을 균형시켜 효율과
시동성, 응답성을 양립시키려는 방식이다. On-Board 개질에 의한 고체고분자형 연료
전지 운전에서는 개질시스템의 복잡성과 체적·중량의 문제, 시동성·응답성의 문제 등
이 있다. 시스템의 컴팩트화에 대해서는 증발기, 개질기, CO처리기, 연소기의 일체화나
모노리스구조 등에 의한 대책이 검토되고 있다. CO피독 문제는 Pt-Ru 합금 계에 의한
내CO 피독성의 향상이나, 개질가스중에 소량의 공기를 주입하는 방법 등의 대책이 추
진되고 있다. 시동성에 대해서는 개질기의 컴팩트화에 의한 열용량의 저감이 중요하나,
개질반응온도까지의 난기는 연료의 직접연소나 보조전원에 의한 전기가열에 의존할 수
밖에 없다. 그럼에도 불구하고 시스템의 시동에는 수분이 소요되어, 키를 돌리면 즉시
운전 가능한 내연기관에 비해서는 커다란 단점이 된다.

마. 보조전원

(1) 이차전지

이차전지는 소형기기와 모바일 단말기가 수요를 중심으로 구성되어 있으나 자동차용
으로 최근 하이브리드자동차에 채용되는 대용량 이차전지가 있다. 연료전지시스템에서
의 이차전지는 연료전지와 하이브리드 시스템의 구성기기로서 중요하여 연료전지 출력
의 안정화와 비상시 예비전력으로서 중요한 역할을 담당한다. 연료전지시스템과의 이
용에 있어서는 현재 이용되고 있는 니켈수소전지 또는 향후에 개발이 기대되고 있는 대
형 리튬이온전지가 있다.

(2) 전지 축전장치(capacitor)

일본의 혼다사에서는 전지축전장치로 슈퍼축전장치(super capacitor)를 채용하고 있
다. 축전장치(capacitor)는 축전지와 마찬가지로 전력을 저장하는 부재로서 특성은 순간
적인 충전과 방전이 가능하고 거의 무한하게 충전과 방전이 가능하다는 데 있다. 2002
년 6월에 일본 Nissan디젤이 출시한 슈퍼축전장치(super capacitor) 하이브리드 트럭
은 축전장치(capacitor)를 자동차용으로 탑재한 상품 세게 제1호가 되어 화제를 모으
고 있다.
연료전지 시스템에서 축전장치(capacitor)는 주로 자동차용으로 이용되는 것으로 생
각되고 있고, 축전장치의 순간방전 특성을 살려 연료전지의 출력부족을 보완하고 시동 시와 가속 시 등의 고출력보조로서 이용되고 있다. 그러나 축전장치(capacitor)는 이차
전지에 비하여 에너지 밀도가 작아 같은 급의 전력용량을 확보하기 위하여는 대형화가
불가피하며, 이를 극복하는 것이 과제이다.

(3) 수소저장탱크

수소를 차량에 탑재하기위한 방법으로는 크게 액체수소저장탱크, 고압수소가스 저장
탱크, 수소흡장물질에 의한 저장, 탄소나노기술에 의한 저장 등 네 가지 방법이 있다.

(가) 액체수소저장탱크
액체수소저장에서는 수소를 액화온도인 -253℃까지 냉각시켜 저장탱크에 저장하
는데, 냉각시키는데 수소가 가지고 있는 에너지의 약 43%를 소비해야 하는 것과 공
급시의 손실이 크고, 10~20%가 증발해 버리고, 증발하지 않도록 단열시켜도 하루에
2~3%정도의 액체수소가 증발하는 문제점이 있다.

(나) 고압수소가스 저장탱크
압축천연가스 저장탱크의 연장선상에 있는 기술로 미국의 “에너지정책 법 1992”의
시행으로 보급된 기술이다. 이음매가 없는 알루미늄봄베 밖을 탄소섬유로 감고 수지
로 굳힌 기법으로 35 MP압력에 100리터 용기에 3.0kg의 수소를 저장할 수 있게 되
었고, 현재 69 MPa에 6.1kg의 고압탱크 실용화를 서둘고 있다.

연료전지자동차의 수소저장 시스템

(다) 수소흡장물질에 의한 저장
화학반응으로 수소를 흡수하고 방출하는 성질을 가지고 있는 물질을 수소흡장물질 이라 한다. 특히 전형적인 금속수소화물을 수소흡장금속이라 하고, 그 밖의 것을 케
미칼 하이드라이드라고 한다. 현재까지 100여종이 넘는 수소흡장합금이 알려져 있
다. 대표적인 것으로 란탄·니켈로 대표되는 희토류계통, 티타늄·철 계통, 마그네
슘·니켈 계통, 그리고 칼슘·니켈 계통이 있다. 각각의 조합에는 장점과 단점이 있
어 어느 것이 좋다고 단정적으로 말하기는 곤란하나, 흡장능력으로서 2 wt%이상의
합금이 실용화 되고 있다. 이보다 방출능력이 낮은(고온을 필요로 한다) 마그네슘계
통은 흡수능력이 놓음에도 불구하고 실용화가 늦어지고 있으나 7 wt%를 초과하는 합
금도 나왔다.

(라) 탄소나노기술에 의한 저장
탄소나노튜브보다 값이 싼 그라파이트 나노파이버에서 상온에서 10 중량%까지 수
소를 흡장하는 것을 알게 되었다. 이소한 그라파이트가 층상으로 겹친 구조로 되어
있는 그라파이트파이버는 수소가 층간에 저장되어 100리터의 탱크에 충전하면 적어
도 5kg의 수소를 저장할 수 있다고 한다. 또한 미국에너지부는 수소 프로젝트에서 탄
소나노튜브를 사용하여 수소 저장능력이 6%가 되도록 하는 연구를 전개하고 있으며,
독일정부도 이 기술의 연구개발을 조성하고 있다. 연료전지에 탑재하여 주행하는 데
에는 아직 시간이 걸릴 것으로 전망된다.

국산 연료전지자동차(현대 투산)

 

국산 수소연료전지 버스