Introduction
우리는 이제 거리에서 현대자동차 넥소를 쉽게 볼 수 있다. 넥소 출시 당시만 하더라도 더 많은 연료전지 자동차를 볼 수 있을 것이라 예상했지만, 안타깝게도 전기자동차에 비해서 성장 속도가 더디다. 왜 그럴까?
수소·연료전지의 기술적 한계
수소·연료전지 기술에 대한 수요가 지속적으로 증가하고 있지만, 모든 방면에서 수소·연료전지가 내연기관보다 뛰어나다고 말할 수는 없다. 수소·연료전지의 확대 적용을 제한하는 대표적인 단점은 다음과 같다.
출력 밀도
에너지 변환장치는 변환 효율이 중요하지만, 출력 밀도도 중요하다. 즉, 에너지 변환장치가 주어진 부피/무게에서 단위 시간당 얼마나 많은 양의 에너지를 변환시키는지가 중요한 성능 변수이다. 현재 세계 최고 수준에서 연료전지는 3~4kW/L 정도의 출력 특성을 가진다. 이에 반해 내연기관의 경우 60~100kW/L까지의 출력 특성을 나타낸다. 이러한 출력 특성은 연료와 산소의 반응속도 차이 때문이다. 연료전지는 연료와 산소의 전기 화학반응을 이용하지만, 내연기관은 연소반응을 이용한다. 계면에서 일어나는 복잡한 전기화학반응의 속도는 공간에서 이뤄지는 단순한 연소반응보다 속도가 느릴 수밖에 없다.
신뢰성
내연기관인 가솔린/디젤엔진은 4~12개의 실린더로 구성되며, 각 실린더의 피스톤은 커넥팅 로드를 통해 크랭크축에 연결된다. 이것은 각 실린더마다 생성하는 동력이 병렬로 상호 연결되어 있다고 볼 수 있다. 그렇기 때문에 실린더 중 하나가 고장나면 엔진 부조화 및 동력손실이 발생하더라도 나머지 실린더에서 생산된 동력으로 내연기관의 운전이 가능하다. 또한 동력을 발생하는 실린더가 4~12개 밖에 되지 않기 때문에 실린더가 고장날 확률도 그만큼 낮다. 이에 반해 연료전지는 음극/전해질/양극/분리판으로 구성된 단위전지 수백개가 직렬로 연결되어 있다. 현대자동차의 넥소의 경우, 단위 전지 440개가 직렬로 연결된다. 따라서 수백개의 단위전지는 모두 유사한 동력이 생산되도록 설계/제어되어야 하고, 단위전지 중 하나만 고장 나더라도 연료전지를 제대로 운전할 수 없을 뿐더러 수리과정도 복잡하다. 이런 이유로 연료전지는 내연기관에 비하여 신뢰성이 낮은 에너지 변환장치라고 볼 수 있다.
연료
내연기관은 연료의 품질에 대해 상대적으로 둔감하지만, 연료전지는 수소의 품질에 직접적인 영향을 받는다. 내연기관의 경우 연료 품질이 에너지 변환 효율이나 출력 성능에 영향을 주긴 하지만, 곧바로 내연기관을 작동 불능상태로 만들지는 않는다. 이에 반해 연료전지는 수소의 품질이 낮을 경우, 연료전지의 치명적인 손상을 일으킨다. 앞서 언급하였듯이 PEMFC는 나피온 전해질 특성 때문에 80℃ 이하에서 작동하고, 낮은 온도에서도 반응성을 확보하기 위하여 귀금속 촉매인 백금을 사용한다. 하지만 백금 촉매는 10ppm 이상의 일산화탄소에 노출되면 피독(poisoning) 현상이 발생하여 촉매 활성도가 현저히 감소하며, 이는 결국 연료전지의 성능에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 수소를 생산하는 모든 과정에서 수소 정제 공정이 필수적으로 필요하고, 고순도 수소를 운반/저장하는 동안에도 연료가 오염되지 않도록 철저한 관리가 필요하다.
그래도 수소·연료전지를 사용하는 이유
상기와 같은 다양한 기술적 한계가 존재하더라도, 정부와 기업들은 수소·연료전지를 지속적으로 연구개발하고 있다. 왜냐하면 수소·연료전지는 친환경적이고, 에너지 변환 효율이 높기 때문이다. 현재까지 나온 기술 중에서 내연기관을 대체할 수 있는 친환경적인 에너지 변환장치는 수소·연료전지가 거의 유일하다.
