1. 서 론

 

화석연료의 고갈에 직면하고, 온실가스로 인한 지구 온난화 및 산업화와 도시화로 인한 환경적인 위험에 직면하고 있는 세계는 지금 기존의 석유 연료를 대체할 새로운 연료를 찾기 위해 노력하고 있는 상황이다. 그러나 문제는 그리 간단하지 않다. 미국은 2000년 기준으로 자국에서 생산되는 석유보다도 훨씬 많은 양의 석유를 소비하였는데, 이러한 사실은 미국 내수 소비를 위한 연료 즉, 원유를 수입해 올 수 밖에 없다는 사실을 의미한다.

 

< 그림 1. 2000년 미국 에너지 생산, 소비 및 수입 현황 >

 

그러면 과연 어떤 분야에서 에너지가 많이 소비되고 있는가?

 

  

< 그림 2. 2000년 기준 미국의 에너지 소비 4대 분야 >

 

< 그림 3. 2000년 기준 미국의 산업 에너지 소비 현황 >

 

<그림 2>에서 나타난 바와 같이 미국 에너지 소비의 대부분은 산업분야이며 이는 산업국가에서는 그리 놀라운 사실이 아니다. 이러한 동력산업 부분의 주요 원료는 석유와 천연가스이며, 이들은 모두 화석연료에 해당된다. 궁극적으로 미국은 외국의 석유자원에 의존하여 경제의 동력을 얻고 있는 셈인데 이러한 석유자원의 사용은 또한 지구온난화와 온실가스 배출이라는 결과도 동시에 낳고 있는 상황이다.

 

지난 몇 년 동안 지구표면의 온도는 대기 중의 이산화탄소의 양과 동반하여 점진적으로 상승하였다. 이 두 가지 요소의 점진적인 상승은 환경에 뚜렷한 영향을 미치고 있는데; 한 예로서 극지방 빙산의 해빙현상이라고 할 수 있다. 석유의 연소 및 기타 화석연료로 인해 유지되고 있는 현대사회는 이산화탄소, 메탄, 산화질소 및 기타 여러 가지 온실가스를 배출하고 있다. 이러한 온실가스들은 대기 중에 함유되어 대기온도를 상승시키는 적외선을 방출한다. 만일 이러한 현상을 멈추지 않으면 인류사회는 황폐화 될 것이고 궁극적으로는 인류의 멸종을 불러올 수 있다.

 

< 그림 4. 시멘트, 천연가스, 석탄, 및 석유의 생산 및 연소로 인한 탄소배출량>

 

이 모든 현상들은 이러한 화석연료가 인간의 환경을 파괴하고 있다는 사실을 말해주고 있으며, 우리가 얼마나 화석연료에 의존하고 있는 지를 잘 말해주고 있다. 이들은 값이 싸고 사회를 돌아가게 해 주지만 이러한 화석연료가 먼저 소멸될 것인지 아니면 인간이 이들로 인한 폐해로 인해 먼저 멸종할 것인지 알 수 없다. 이러한 끔찍한 의문에 접하기 보다는 세계적으로 대안을 찾기 위한 노력을 시작하는 것이 현명할 것이다.

 

< 그림 5. 대기중의 이산화탄소 증가량 및 탄소 증가량 >

 

대안은 녹색 에너지이다; 재생가능하고 지속가능한 에너지로서 환경에 악영향을 주지 않는 에너지를 말한다. 녹색에너지는 몇 가지의 형태로 나뉘는데, 풍력, 태양광, 수력, 지열 및 원자력 에너지가 그 대표적인 예라고 할 수 있다. 이러한 녹색에너지들은 테슬라 자동차 회사 및 여러 풍력 터빈 제작사들이 밝히는 바와 같이 가까운 미래에 대부분 기존의 화석 연료에 의한 에너지와 거의 비슷한 용량을 보유하거나 또는 이를 능가하는 잠재성을 가지고 있다.

 

< 그림 6. 석탄, 가스, 태양광, 풍력, 원자력 및 수소 에너지의 의한 탄소배출량 >

 

녹색 에너지들은 기본적으로 거의 탄소를 배출하지 않으며, 이는 지구 온난화에 대한 위험을 경감시켜 주는 효과가 있다. 그런데 이러한 탄소배출량의 관점에서 보면 가장 탄소배출량이 작은 대체 에너지는 수소이다. 수소는 우주에서 가장 풍부한 자원 중 하나이며 연료 전지라는 기구를 통해서 저장이 가능하다. 연료전지는 기본적으로 수소와 산소를 획득하여 이들을 전기와 물로 변환시키는 장치이다. 이 연료전지들은 자동차의 동력으로 사용이 가능하고 현재의 배터리와 같은 전력원으로 대체도 가능하다.

 

자동차에 연료전지를 통해서 동력을 제공하는 것은 휘발유 모터와 전기동력을 혼용해서 사용하는 현대의 하이브리드 자동차의 개념을 뛰어넘는 것으로서 대단히 획기적인 기술이다. 자동차는 현대의 일상생활에서 가장 중요한 요소 중 하나로서 <그림 2 >에서 보는 바와 마찬가지로 교통분야와 자동차 분야는 2 번째로 많은 에너지를 소비하는 분야이고 대부분의 모든 자동차들은 화석연료중 하나인 휘발유를 그 동력원으로 하고 있다.

 

 

< 그림 7. 2000년 기준 미국의 에너지 소비량 >

 

정리하자면 이렇게 기존의 화석연료에서 녹색에너지로 변환함으로서 미래 세대를 위해 지구환경을 보존할 수 있으며 보다 스마트하고 깨끗한 사회를 만들 수 있다. 이러한 노력의 첫 번째 단계가 수소 자동차의 개발이며 이것은 본 보고서의 주된 내용이다.

 

< 그림 8. 수소 트럭의 모형 투시도 >

 

< 그림 9. 수소 트럭의 평면도 >

 

< 그림 10. 수소 트럭의 주 변속장치 및 주행장치 >

 

< 그림 11. 경주용 자동차의 정면도 >

 

< 그림 12. 경주용 자동차 모형의 투시도 >

 

< 그림 13. 경주용 자동차의 조감도 >

 

< 그림 14. 조향장치 전경 >

 

< 그림 15. 모터 및 변속장치 전경 >

 

2. 기술의 이론적 배경

 

수소 연료전지는 전기화학적 기구로서 대기 중의 수소와 산소를 결합하여 전기와 수증기를 생산해 낸다. 이들 연료전지는 열동력학 적으로 개방형 시스템인데, 이러한 의미는 반응을 위해 반드시 필요하며 재 보충이 필요한 외부 반응물질로서 산소를 사용한다는 의미이다. 연료전지는 생산하는 전류 및 전압의 용량에 따라 그 크기가 다양하게 제조된다. 그리고 반응기구에 따라 몇 가지 형태로 나뉘는데, 양자교환 박막 연료전지(PEM) 형태와 2가지 형태의 고온 연료전지 형식인 고체산화 연료전지(SOFC)와 액화탄소 연료전지(MCFC)가 있다. 본 연구에서는 PEM 연료전지를 사용한다.

PEM연료전지는 다른 형태의 연료전지에 비해 상당히 다른 특성을 지니는데, 이들은 대단히 낯은 온도에서 작동하고 특별 제작된 폴리머 자기 박막이 사용된다. 처음에 수소연료는 전지내부의 아노드 또는 음극단자로 투입되고 산소연료는 캐소드 또는 양극단자로 투입된다. 아노드에서는 플래티넘 촉매제가 수소를 이온화하여 궁극적으로 양극성향의 양자들과 음극성향을 가지는 전자들로 변환시키게 된다. 이 양자들과 전자들은 캐소드를 향하여 충전이 되며 이때, 캐소드로 도달하기 이전에 폴리머 전해물 박막과 접촉하게 된다. 이 양극성향을 띤 플래티넘 판은 절연체의 역할을 하게 되어 양자들만이 이 박막을 통과하게 하고 전자들은 박막을 통과하지 못하고 외부 회로를 통해 이동하도록 유도한다. 양전하를 띤 이온들은 캐소드의 산소 원자에 이끌려서 유도되는데, 이들은 강한 음전하를 지니고 있기 때문이다. 이 산소원자들은 산소가 캐소드에 투입될 때 생성되며 캐소드 내부에 있는 촉매제에 의해서 이온으로 분해된다. 캐소드 내부에서는 양자들과 전자들이 외부 회로를 이동하게 되며, 산소이온 들은 서로 반응하여 수증기와 열을 발생시키게 되고 이들은 전지 밖으로 배출되게 된다.

 

 

< 그림 16. PEM 연료전지 내부의 전류 생성원리 모식도 >

 

개별 연료전지들은 많은 양의 전류를 생성할 수 없다. 따라서 이들은 서로 연결하여 연료전지층을 만들고 이 다수의 연료전지층이 서로 연결되어 전류를 생성하도록 하여야 한다. 이러한 연료전지 집적층들은 상당한 양의 전류 생성이 가능하고 기계의 동력으로 사용이 가능하게 된다. 결국 이들은 본 연구에서 사용하는 모형 경주용 자동차의 연료로도 사용이 가능하다.

 

본 연구의 두 번째 중요한 요소는 변속장치이다. 변속기는 원반형태의 판 둘레를 톱니형상으로 가공하여 서로 맞물려서 돌아가게 하는 다수의 장치를 결합한 구조로서 엔진의 토크 회전력을 전달하기 위한 장치이다. 두 개 또는 그 이상의 변속장치가 결합되어 가동할 때 이를 변속기라고 하며 이들은 기어 비라고 하는 기계적인 원리에 의해 힘 전달에 대한 이점을 갖게 된다. 이러한 변속장치는 일반적으로 속도, 토크 및 힘의 전달방향을 동력원으로부터 바꾸어 전달하기 위해 사용된다. 변속장치는 기어의 톱니가 외부에 있는지 또는 내부에 있는지에 따라 여러 가지 형태가 있는데, 일반적으로 주요한 4가지가 많이 적용되고 있다; 박차형, 헬리칼형, 베벨형 및 설골형이 그것이다. 본 연구에서 적용하는 형식은 내부 및 외부형식의 박차형 기어를 사용하는데, 주 변속기의 4개의 외부 기어와 크랭크축의 단부에 적용되는 외부 및 내부 기어로 구성되어 있다.

 

 

< 그림 17. 변속장치의 원리 및 적용 식 >

 

기어비는 간단하게 설명할 수 있다. 반지름이 r 인 원판과 반지름이 3r 인 원판이 있다고 가정하면 이 두 개의 원판의 주변에 줄을 밀착하여 감은 후 두 개의 원판을 이 줄로 연결하면 한 원판을 회전시키면 다른 원판이 같이 회전하게 될 것이다. 다시 말하면, 이 원판을 회전시키거나 줄을 당기게 되면 이 줄은 두 개의 원판에 같은 힘을 전달하게 된다. 이러한 토크 즉, 회전력은 원판의 반지름에 작용력의 곱으로 나타나기 때문에 동일 회전력을 각각의 원판 반지름에 의해 발생하는 토크로 나타내도록 재 배열이 가능하다. 즉, 원판 1 은 반지름 r 의 토크가 작용하고, 원판 2 는 반지름 3r 의 토크가 작용한다. r 의 항을 소거하고 연립방정식을 풀면 원판 2는 원판 1에 작용하는 토크의 3배의 토크가 작용하는 것을 알 수 있다. 따라서 토크의 비는 단순히 각 기어의 비와 같다고 볼 수 있으며 이 경우 3:1 이라고 할 수 있다. 다시 말하면, 이 비율은 작은 기어는 원주의 둘레가 3배 짧기 때문에 긴 기어에 비해 3배 빨리 회전하게 되는 것이다. 본 연구에 적용한 변속기는 기어의 비가 3:1 이어서 토크는 3배가 되지만 속도는 1/3 로 작아지게 된다. 변속기 내부에는 이러한 기어가 3개가 존재한다. 결국 이러한 개념으로 볼 때 만일 동일한 비율로 4개의 기어가 연결되어 있다면 전체 기어비는 1:81 이 되고 만일 첫 번째 원판이 81,000rpm 으로 회전하면 두 번째 원판은 27,000 rpm 으로 회전하고, 세 번째는 9,000rpm, 그리고 네 번째는 3,000 rpm 으로 회전하게 되어 마지막 원판은 1,000 rpm 으로 회전하게 되는 것이다.

 

 

< 그림 18. 수소 트럭에 적용되는 변속기의 감속 변속장치 개념도 >

 

그러나 원격조정 자동차는 변속명령을 라디오 전파로 전달하지 않으면 원격조정 되지 않는다. 이러한 자동차들은 그 제조사 별로 다르나 대부분 4가지의 기본 장치로 구성되어 있다. : 동력장치, 모터, 변속기 및 수신장치 이다. 여기서 동력장치는 일반 충전지로부터 일회용 건전지 등 여러 가지가 있으나 근래에는 수소 연료전지를 사용하는 추세이다. 라디오전파 조절시스템은 제어부와 자동차 부에 부착되어 있다.

  

3. 결론

 

그렇다면 본 보고서에서 지금까지 제시한 PEM 연료전지에 대한 모든 자료들은 반드시 원격조정 자동차에서만 적용이 가능한 것인가? 위의 표에서 본 바와 같이 4가지의 PEM 연료전지 형식으로부터 여러 조합으로 얻을 수 있는 전압과 전류의 최대치는 4개의 연료전지를 직렬 연결했을 때의 수치이다. 이러한 결과는 12W 출력의 연료전지에 대한 실험결과로서도 검증이 되었는데, 여기에서도 모든 연료전지들은 직렬연결이 되어 있었으며, 모두 최대 전류와 최대전압을 갱신 하였다. 혹자는 연료전지를 병렬 연결하는 것이 좀 더 많은 동력을 나타낼 수 있지 않을까 하는 의문을 품을 수도 있겠지만 최대 출력은 항상 직렬연결시 발생하며 이러한 결과는 향후 지동차에 적용할 때에도 유념하여야 할 사항이다.

 

직렬연결이 된 PEM 연료전지는 향후 지구상의 모든 자동차들에 장착될 것이며 이미 많은 주요 자동차 회사에서 시험 및 검증 되었다. 우주에서 가장 풍부한 자원인 수소, 이 수소는 현재는 상상 속에서만 가능한 무한한 에너지를 인류에게 선사할 것이다. 인류가 발전을 거듭할수록 이 수소 연료전지 산업은 점차 지구의 동력공급처로서의 역할을 수행하기 위해 발전을 거듭할 것이다.

 

▣ 원문제목 : The Hydrogen Remote-Control Car: The Future of Transportation

          

▣ 원문의 주요목차********************************************************************

1. 대단한 아이디어

2. 기술의 소개

3. 기술의 역사

4. 도면

5. 이론

6. 결과

7. 결론