닛산의 바이오 에탄올 연료전지 시스템, 무엇이 다른가?
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글 : 원선웅(mono@global-autonews.com)|
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승인 2016-06-23 13:27:19 |
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닛산 자동차는 지난 2016년 6월 14일 바이오 에탄올을 통해 발전한 전기로 주행하는 새로운 연료 전지 시스템의 연구 개발 내용을 발표했다. ‘e-Bio Fuel-Cell’로 불리는 이 시스템은 에탄올이나 천연가스 같은 다양한 연료와 산소의 반응을 이용해 고효율로 발전하는 고체산화물 연료전지(SOFC) 발전 장치로, 현재 실차에 탑재되 테스트가 진행 중이다. 언론을 통해 기존 연료전지 시스템과의 비교해 장점만이 부각되고 있지만, 그만큼 아직까지 해결해야 할 숙제들도 많은 상황. 수소를 연료로 사용하는 다른 메이커들의 연료 전지 시스템과는 무엇이 다른지 살펴본다.
토요타 미라이나 혼다 클라리티와 같은 연료 전지 차량의 핵심인 연료 스택은 PEFC (고체 고분자형 연료전지)로 불린다. 순수한 수소가 전해질을 투과해 수소 이온과 산소가 결합하면 전기가 생산되고 물을 배출하게 된다.
이에 비해 이번에 닛산이 발표한 연료 스택은 SOFC (고체 산화물 연료전지)로 불린다. 전해질의 내부를 산소 이온이 투과하고 수소와 결합해 전기를 생산하고 물과 이산화탄소를 배출한다. 즉, 수소와 산소를 사용한다는 것은 같지만, 전극 사이의 이온 전도는 수소 이온이 아니라 산화물 이온으로 PEFC와는 반대인 것이다.
또한 이온을 반응시키기 위해, PEFC는 80℃ 정도의 온도가 필요하지만, SOFC는 700℃ 이상의 고온이 필요하다는 점도 차이점이다. 고온에서 이루어지는 화학 반응으로 백금 등 고가의 촉매가 필요 없으며, 사용되는 수소의 경우도 PEFC에 사용되는 고순도 수소가 아니여도 발전이 가능하다는 특징을 가지고 있다.
또 다른 차이점은 PEFC의 경우는 순수한 수소를 초고압 탱크 내에 저장하게 된다. 차량 내부에 수소를 저장하기 위한 고압탱크가 탑재되는 이유이기도 하다. 이에 반해 SOFC는 에탄올과 물의 혼합액(에탄올 수용액)을 통해 수소와 이산화탄소를 발생시키며, 이때 발생한 수소는 화학반응을 통해 전기를 발생시키고, 이산화탄소는 배출되게 된다.
이러한 차이점으로 인해 PEFC와 같은 고가의 초고압 탱크가 필요하지 않으며, 연료인 에탄올 용액은 불연성으로 취급이 쉽다는 장점이 있다. 에탄올 수용액은 가솔린 탱크보다 작은 30리터의 연료 저장 탱크로로 충분하며, 30리터의 애탄올 수용액을 통해 600km 정도의 거리를 주행할 수 있다. 또한 에너지 효율도 60%에 달하는 등 내연기관은 물론 기존 PEFC보다 효율이 높다. 최근 내연기관 엔진의 트랜드 중 하나인 다운사이징 엔진의 열효율이 38%를 넘을 수 없다는 한계를 가지고 있는 것과 비교하면 큰 장점으로 부각되는 부분이기도 하다.
사실 연료 전지 시스템으로서 SOFC (고체 산화물 연료전지)는 PEFC (고체 고분자형 연료전지)보다 먼저 등장했다. 이미 1980년대에 세계 각국에서 연구되기 시작했다. 그러나 SOFC의 경우 앞서 말한 것처럼 700℃ 이상의 고온에서 작동하기 때문에 멈추고 서는 것을 반복하는 자동차에서는 내부 세라믹 전극이 열피로에 의해 손상되는 문제가 발생해 실용화에 어려움을 겪었다.
현재의 PEFC (고체 고분자형 연료전지)는 고순도 수소를 연료로 사용하고 있다. 수소의 경우 70MPa의 초고압으로 압축되어 자동차 내부의 탱크에 저장된다. 배기구를 통해 배출되는 것은 물뿐이기 때문에 ‘친환경차의 최종 단계는 수소연료전지차가 될 것’이라는 전망이 나오고 있지만, 고순도의 수소 정제와 운송 그리고 초고압의 수소를 공급하기 위해 필요한 대량의 전기 에너지 등 여러 가지 부가적인 문제점도 존재한다.
이에 비해 SOFC (고체 산화물 연료전지)는 에탄올 100% 또는 45% 에탄올/55% 물로 구성된 수용액을 사용하기 때문에 훨씬 다루기 쉽고, 운송을 위한 인프라 구축의 어려움도 훨씬 적다. 하지만, 한가지 단점은 이산화탄소 배출이다. 닛산은 이에 대해 사탕수수와 같은 에탄올 생산을 위한 식물들이 발생한 이산화탄소를 흡수해 궁극적으로는 이산화탄소 배출을 크게 줄일 수 있거나 배출량이 ‘제로’가 된다고 말하고 있지만, 궁극적인 해결방안은 될 수 없다.
현재 브라질에서는 사탕수수를 정제해 생산한 바이오 에탄올 'E100'이 내연기관 엔진용으로 사용되고 있어, 닛산의 'e-Bio Fuel-Cell‘ 연료 전지차의 경우 당장이라도 도입 할 수 있는 환경은 마련되어 있다고 볼 수 있다. 하지만 브라질에서 에탄올의 원료인 사탕수수 재배를 위해 아마존의 삼림이 피폐해지고 있으며, 미국과 같이 옥수수를 에탄올의 원료로 사용하는 경우 옥수수 가격 급등으로 인해 개발도상국의 식량 사정이 악화되는 등 시각을 넓혀 보면 다양한 문제점을 안고 있다는 점도 간과할 수 없다.
이에 대해서도 닛산은 식량 자원을 이용하는 것이 아니라 사탕수수 찌꺼기나 폐목제와 같이 폐재료를 발효시켜 에탄올을 생산하는 등 새로운 기술을 통해 위와 같은 문제를 극복할 수 있을 것으로 전망했다.
닛산의 향후 전동화 전략이 SOFC 시스템만을 추구하는 것은 아니다. 기존의 하이브리드 파워트레인과 수소를 연료로 사용하는 기존의 PEFC (고체 고분자 연료전지)에 의한 연료전지 자동차, 바이오 에탄올 연료를 사용하는 SOFC (고체 산화물 연료전지) 연료전지차 등을 용도나 지역, 국가에 따라 활용한다는 계획이다.
그런 의미에서 EV는 짧은 거리를 운행하는 소형차를 중심으로, 수소를 사용하는 PEFC는 인프라가 잘 정비된 선진국, SOFC 연료 전지차는 바이오 에탄올의 인프라가 정비된 지역에서 운행되는 상용차(낮은 속도로 장시간 주행하는 차량) 등에 적합해 보인다.
닛산에 따르면 SOFC 시스템을 탑재한 연료전지차가 최근 테스트를 시작했다고 한다. 출력 5kW의 연료전지 스택에 80kW의 전기모터가 탑재된 테스트 차량은 향후 연료전지 스택의 출력을 30kW 정도까지 높이는 것을 목표로 하고 있다.
또한 초기의 SOFC의 연료전지 스택은 700℃ 이상의 고온이 필요하기 때문에 예열을 위해 시스템이 시작된 후 30분 이상이 소요되었지만, 지금은 몇 분 안에 작동이 되도록 개선되었다. 물론 이미 배터리에 전력이 저장되어 있기 때문에, 충전된 전력으로 차량은 기다리지 않고 바로 주행이 가능하다.
닛산이 발표한 SOFC (고체 산화물 연료전지)를 탑재한 연료 전지차는 600km 이상의 주행가능 거리를 제공하고 다른 메이커들이 공개한 연료전지 차량들의 단점을 보완하는 시스템이다. 하지만, 나름의 단점 또한 존재하며 운영될 수 있는 시장도 한정되어 있는 만큼 기존의 연료전지 시스템을 완전히 대체하는 것이 아닌 공존하는 방향으로 진행될 것으로 보인다.
