Nikkei Automotive_2021.7 Features (p52~55)

도요타, 수소엔진 개발에 착수
FCV와 양립할 것인가?

도요타자동차는 4월 중순, 수소엔진의 개발을 추진한다고 발표했다. 목표로 하는 것은 엔진의 ‘탈(脫)탄소’. 5월 하순에 개최되는 후지(富士) 24시간 레이스에 출전할 차량에 탑재하는 등, 개발을 본격화해 나갈 방침이다. 수소를 이용한 차량으로 연료전지차(FCV, Fuel Cell Vehicle)를 양산하고 있는 도요타는 왜 수소엔진을 개발하는 것일까? 가솔린엔진과 다른 점은 무엇인지, 기술적 과제는 무엇인지에 대해 담당자에게 물어보았다.

Q1: 도요타는 왜 수소엔진을 개발하는 것인가?

A. 세계 각국이 탄소중립을 향해 움직이고 있는 가운데, 유럽과 중국에서 이산화탄소 배출량을 라이프 사이클로 평가(LCA, Life Cycle Assesment)하는 새로운 자동차 환경 규제에 대한 검토가 추진되고 있는 것이 그 배경에 있다. 재생에너지 이용을 기본으로 하며 이동 수단에 이용되는 에너지로 '수소'가 주목받고 있다.

수소엔진은 FCV와 마찬가지로 원리적으로는 CO₂를 배출하지 않는다. 반면 FCV와는 달리 기존 엔진의 연장선 상에 있어, FCV보다 가격을 낮출 가능성이 있다.

일본자동차공업회(JAMA) 회장이자 도요타자동차 사장인 도요타(豊田) 씨는 탄소중립 실현을 목표로 하려면 전기자동차(EV)에만 올인하는 것이 아닌, 엔진 활용의 중요성을 재차 주장하고 있다. 수소엔진 개발은 JAMA의 방향성과도 맞아떨어진다.

도요타는 수소엔진의 개발에서 소형 스포츠차 ‘GR야리스’의 기술을 활용하고 있다. 엔진 배기량은 GR야리스와 같은 1,618cc로, 직렬 3기통 인터쿨러 터보. 레이스에서 이용하는 수소는 후쿠시마 현 나미에마치(浪江町)의 ’후쿠시마 수소에너지연구 필드’에서 제조된 것을 사용한다.

Q2: FCV 대비 수소엔진의 이점은?

A. 파워트레인으로서 저렴하게 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 연료가 되는 수소의 가격도 낮추기 쉽다. FCV용 수소는 순도가 99.97% 이상으로 높아 고가이지만, 수소엔진용은 낮은 순도의 것을 사용할 수 있어 수소의 생성 비용을 낮출 수 있다.

Q3: 배기가스는 깨끗한가?

A. 수소엔진의 경우, 고부하 운전 시 연소 반응 과정에서 질소산화물(NO_x)이 많이 배출된다. 하지만 수소는 가연 범위가 넓기 때문에, 희박한 혼합기(混合氣)를 안정적으로 태울 수 있다. 공기과잉률(λ)=2 이상의 희박 연소와 대량배기가스재순환(EGR)을 조합해 운전하면 NO_x 배출량은 수 십~100ppm으로 낮출 수 있다고 한다.

윤활유가 조금 타기 때문에 CO₂와 탄화수소(HC)를 수 ppm 정도 배출하지만 청정에 가까운 배기가스라고 말할 수 있을 것이다.

Q4: 현재 시판되고 있는 수소엔진이 있는가?

A. 현재 수소엔진으로 시판되고 있는 것은 없다. 과거에 유일하게 시판된 수소엔진차로는 독일의 BMW가 2007년에 양산한 ‘Hydrogen 7’이 있다.

Hydrogen 7의 엔진은 배기량 6L의 대형 레시프로(Recipro) 엔진으로, 수소가 기체가 아닌 액체로 탱크에 탑재되었다. 다만, 탱크를 초고압으로 할 필요가 있어 난이도가 높은 데다 코스트도 많이 든다. 현재는 판매가 중지되었고, BMW는 수소 이용이라고 하는 관점에서 FCV로 사업 방향을 전환했다.

Q5: 세계의 개발 동향은?

A. 수소엔진의 특허 출원 건수를 보면 2000년대 중반에 정점을 찍었지만, 최근 몇 년간 유럽에서 증가 추세에 있다. 유럽이 수소 에너지 정책에 주력하기 시작한 것이 큰 영향을 미쳤다.

실제로 유럽의 완성차 업체와 부품 업체들은 최근 수소엔진 연구 성과를 잇달아 발표하고 있다. 세계적인 부품업체인 독일의 보쉬는 2020년 4월, 파워트레인 국제회의 ‘제 41회 빈 모터 심포지엄(Vienna Motor Symposium)’에서 수소엔진에 대한 연구 논문을 발표했다.

또한 BMW로부터 2015년 말에 스핀아웃을 한 기술 컨설턴트 회사 KEYOU는 빈 모터 심포지움과 독일의 자동차기술 잡지 ‘MTZ’에 새롭게 개발한 대형 상용차용 수소엔진(배기량 7.8L)의 시작기(試作機)를 발표했다.

KEYOU에 따르면 배기량 당 출력, 토크에서 미래의 과급(터보) 직분사 수소엔진의 성능은 디젤을 상회할 가능성이 있다고 한다.

Q6: 일본의 연구수준은 높은가?

A. 일본의 수소엔진 연구 역사는 길고, 기술도 축적되어 있다. 그 한 예로, 1970년대, 당시의 무사시공업대학(武蔵工業大学, 현 도쿄도시대학)의 전 학장이자 명예 교수인 고(故) 후루하마(古浜) 교수가 열정적으로 수소엔진차를 연구했다. 후루하마 교수가 특히 주력한 것은 수소엔진 특유의 조기착화(Pre-ignition, 백파이어)이다. 이후에도 마쓰다가 수소 로터리 엔진 개발을 추진했다.

Q7: 기술적인 과제는?

A. 수소엔진차는 수소를 충전할 초고압 탱크가 필요할 뿐만 아니라 엔진 자체에도 기술적인 과제가 산적해 있다. 특히 어렵다고 알려져 있는 것이 백파이어와 냉각 손실이 크다는 점. 좀처럼 해결될 실마리가 보이지 않고 있다.

백파이어란 가연 범위가 넓은 수소와 공기의 혼합기가 흡∙배기 밸브 등 고온 부품에 닿으면 자기착화(Self-ignition)해 버리는 것을 말한다. 레시프로형 수소엔진이 좀처럼 보급되지 못하는 원인 중 하나이다.

수소엔진의 냉각손실이 큰 이유는 수소 혼합기의 층류(層流) 연소 속도가 가솔린의 약 7.6배로 매우 빠르고, 수소 연소 화염이 연소실 벽면에 강하게 충돌하기 때문이다. 벽면 표층의 혼합기까지 잘 연소되기 때문에 벽면 표층의 온도 경계층(온도 구배층)이 얇아져 벽면에 닿는 화염 온도가 높은 상태에서 많은 연소열이 연소실이나 기통의 벽으로 빠져나가 버린다. 이것이 큰 냉각 손실로 이어지게 된다.

Q8: 기술적 과제 해결의 목표는?

A. 백파이어와 냉각 손실을 해결하는 유력한 방법 중 하나로 생각되고 있는 것이 디젤 엔진과 같은 수소 분류(噴流) 화염의 확산 연소이다. 수소가스를 예혼합(Premixed)하지 않고 기통 내에 고압 직분사해 압축 자기 착화시킨다. 수소가스를 분사하면서 점화 플러그로 불을 붙이는 등, 연소 화염이 연소실이나 기통 벽면에 가능한 한 충돌하지 않도록 하는 것이 중요하다.

최근 확산 연소 연구에서의 대표적인 성과는 산업기술종합연구소가 주체가 되어 가와사키(川崎)중공업 등과 확립한 대형 상용 수소엔진의 새로운 연소 방식 'PCC(Plume Ignition and Combustion Concept: 농후한 혼합기 점화)연소'이다. 고출력, 고열효율, 저NO_x를 실현한다.

PCC연소는 연소실 내에 분사된 수소 가스 분류가 확산되기 전의 덩어리에 점화. 연소 화염의 벽면 충돌을 억제해 냉각 손실을 낮출 수 있다. 점화에 의한 확산 연소라고 할 수 있다.

NO_x 저감에는 분사와 점화 간격의 최적 제어와 EGR(Exhaust Gas Recirculation, 배기 재순환)로 대응. EGR을 늘리면 연소 온도가 떨어져 NO_x가 줄어들게 된다.

또한, 예혼합이 아니기 때문에 백파이어가 발생하기 어렵다. 연구 단계이긴 하지만, 최대 정미 열효율은 54%, NO_x 배출량은 20ppm을 달성했다.

Q9: 수소 로터리 엔진의 가능성은?

A. 마쓰다는 2009년, 수소 로터리 엔진을 전용 발전기로 한 시리즈 하이브리드카 ‘프리머시하이드로겐 RE하이브리드(PREMACY HYDROGEN RE HYBRID)’를 국내 관공서와 기업에 리스 판매했다. 로터리 엔진은 수소 연료와 잘 맞아 백파이어가 발생하지 않는다는 장점이 있다. 수소연료를 분사하는 방과 연소하는 방이 다르기 때문에 수소를 분사하는 방 벽의 온도가 낮아 조기 착화가 발생하지 않는다.

마쓰다의 개발 차량은 흡기 포토로부터 공기를 흡입한 흡기실 내에 수소를 로터 하우징에 설치된 인젝터로 직접 분사한다. 그 혼합기를 로터로 섞으면서 연소실로 이동시켜 2개의 점화 플러그로 연소를 시작한다. 연소 가스는 배기실로 이동되어 배출된다.

리스 판매되는 차량에는 수소 연료가 없어져도 주행이 가능하도록 가솔린 분사로 전환할 수 있는 듀얼퓨얼(Dual-fuel) 시스템이 채택되었다.

Q10: 수소 인프라는 어떻게 될까?

A. FCV와는 인프라 측면에서 양립할 수 있어 같은 수소 스테이션을 활용할 수 있다. 하지만 대량으로 저렴하게 수소를 생성해 수소 스테이션에서 낮은 가격으로 공급하는 방법은 아직 확립되어 있지 않다. 재생에너지로부터의 생성 방법으로는 물의 전기 분해가 가장 알려져 있지만, 효율이 낮고 많은 전기에너지가 필요하다.

또한 수소 스테이션 건설비(약 5억엔)와 유지비가 비싸고, 여기에 제조 비용을 추가한 가격으로 수소를 판매해야 한다. 하지만 현재의 수소 스테이션에서는 정책 상 1,000~1,100엔/kg로 가솔린 HEV의 연비와 동일한 수준의 가격으로 낮춰서 책정되어 있다.

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