3) 전기 자동차
(1) 개요
전기자동차는 내연기관 자동차의 보급에 따른 대기오염, 소음 등 환경공해를 효과적으로 대처할 수 있는 가장 확실한 대안일 뿐만 아니라 원자력, 수력, 풍력 등에 대한 전기에너지를 사용하기 때문에 석유자원의 고갈 시에 수송에너지의 안정적 공급에 크게 기여할 것이라 평가되고 있다. 또한 기존의 엔진에 비하여 연비 특성이 우수하고 충전 부하에 의한 대규모 심야전력 수요의 창출로 전력회사의 1일 부하 변동을 줄이는 데 기여도가 클 것이라 예상하고 있다.
전기자동차의 목적은 값싸고 성능 좋은 축전지 개발에 있으므로 배터리의 에너지밀도와 출력밀도를 높이고 비용을 최대한 줄이는 데 있다. 그러나 경량화에 주력하지 않으면 배터리 소모 증대로 기본 성능을 만족하지 못하므로 각 부품별 경량화 및 차체 경량화, 섀시 경량화, 동력 전달장치의 마찰력 감소, 차체의 공기저항계소 등은 최대한 고려하여야 할 점이다.
(2) 기본원리
전기자동차는 가솔린, 디젤, 다른 연소 형태의 연료 대신에 충전용 배터리를 이용하여 주행하는 모터 차량이다. 전기자동차는 출력의 형태로 보면 내연기관과 유사하며 차체, 섀시, 차량의 내장제 등은 내연기관과 거의 동일하다. 전기자동차는 충전기를 통해 교류전류를 직류로 바꾸어 충전 배터리에 에너지를 저장하고, 모터 컨트롤러에 동력을 공급하며 모터 컨트롤러는 가속페달로부터 전동모터로 공급된 동력을 제어한다.
전동모터에 공급된 전력은 기전력을 발생시켜 전기 모터의 축을 회전시키고 차량의 바퀴에 연결된 축은 회전 방향에 따라 전후 방향으로 움직인다. 또한 충전시간을 배터리 형태 충전기의 출력과 용량 등에 따라서 변한다.
(3) 주요 구성
- 가동 시스템
변속기를 필요로 하지 않으며 차량의 바퀴를 회전시키는 데 모터를 이용한다. 그 형태는 차동 하우징을 통해 두 개의 뒷바퀴(후륜)를 하나의 전동모터로 회전하는 것과 두 개의 작은 전동모터를 통해 각각의 바퀴를 독립적으로 회전시키는 것으로 구분된다.
모터를 이용한 가장 효과적인 설계는 바퀴에 직접 연결하여 구동축과 차 동축을 제거함으로써 모터와 바퀴 사이에 최소 간격 유지로 동력손실을 줄이는 것이다. 전기자동차의 동력시스템은 구동 시스템과 제어시스템으로 나누어지며 컨트롤러는 배터리에서 모터로 동력을 전달한다. 전동모터는 전기에너지를 기계 에너지로 변환하여 직류모터와 교류 모터로 구분된다.
제동 모드 시 컨트롤러는 모터의 필드 코일을 역회전시키고 모터가 발전기가 되어 에너지를 발전기로 되돌린다. 이것은 희생 제동으로 알려져 있고 배터리의 구동 시스템에 의해 소비되는 에너지의 10%나 그 이상을 되돌릴 수 있다. 또한 설계 측면에서 동력, 속도와 배터리 작동 전압, 속도에 따른 필요한 토크의 크기, 모터의 외형 크기, 비용 등을 고려 하여야 한다.
- 제어장치
제어장치는 전기자동차의 작동을 제어하고 피드백 신호를 연속적으로 감지하여 각 시스템의 온도 상승을 감지하고 마이크로 프로세서에 신호를 보내면 모터의 출력을 제한할 수 있다. 페달을 밟을 때 모터 감김부에 전류량을 증대시키도록 마이크로프로세서가 컨트롤러에 지시하게 되면 모터는 빨리 회전하게 된다. 또한 차량의 신뢰성이나 주행 안전성을 확보하기 위해 전자파 장해를 방지하는 연구도 이루어지고 있다.
- 축전지
축전지는 가솔린 자동차의 연료 저장탱크와 같으며 축전지의 평가는 에너지 밀도, 출력밀도, 사이클 수명, 축전지의 가격이다. 에너지 밀도는 축전지의 단위 중량 당 에너지 양으로 나타내고 출력밀도란 단위중량 당 출력의 크기로서 전동기의 성능과 전기자동차의 가속 성능, 등판 성능, 최대속도 등의 주행성능을 결정하는 중요한 지표가 된다. 또한 사이클 수명이란 배터리가 몇 회의 충전과 방전을 반복해서 수명이 다하는지를 알아보는 시험이다. 현재 적용되고 있는 배터리의 종류를 보면 납 축전지, 니켈 카드뮴 배터리, 니켈 메탈 하이드라이드, 리듐 이온 배터리 등이며 그 형태와 크기는 매우 다양한 옵션을 포함한다.
납산 배터리는 비용 측면에서는 어느 배터리보다 유리하지만 성능 측면에서는 불리하고 충전시간이 너무 길며 온도가 빨리 상승하고 천천히 식으므로 온도 상승 시 배터리 토출 캡부로 수소가 새어 나와 효율을 감소시키고 배터리 보수를 요구하게 된다. 이와 같이 전체적인 문제를 고려하여 유효한 배터리를 선정하는 것이 중요하다.
4) 연료전지 자동차
(1) 개요
연료전지 전기자동차 FCEV는 연료전지를 탑재한 전기자동차인 EV (electrical vehicle)가 있다. FCEV는 자동차 주행 시 동력으로 모터, 모터의 출력 조정과 희생 브레이크 등을 제어하는 컴퓨터와 모터에서 발생된 구동력을 타이어로 전달하는 트랜스 미션 등은 EV에는 없다. 또 모터를 움직이는 전기를 EV 차량 배터리로부터 얻을 수 있고 연료전지 전기는 연료 전지로 발전을 통해 얻을 수 있으며 화학적 에너지를 전기에너지로 변환시키는 장치이다.
- 연료전지는 내연기관과는 달리 무연 소 에너지 발생장치이므로 연소 시 발생하는 유해 배출가스가 없다.
- 환경 친화적 동력 발생장치이며 내연기관에 비해 효율면에서 월등히 높기 때문에 무공해 자동차로서 생산 가능성이 높다
- 연료전지를 상용화하기 위해서는 가격, 수소저장방법에 대한 연구 및 공급 시스템 등을 보강하여야 한다.
- 연료전지를 이용하여 엔진 동력과 가정용 전력을 공급하고 그 배열을 이용하여 냉, 난방 및 급탕 등에 적용이 가능하다
(2) 작동원리
연료전지는 배터리와 같은 축전지를 이용하는 것이 아니고 물을 전기분해할 때 발생하는 화학반응의 역반응을 이용한 발전방식이다. 화학반응에 의해 배출되는 물은 무해하여 이때 발생되는 두 전극은 수소이온과 산소이온이다. 수소이온과 산소이온은 두 전해질을 사이에 두고 샌드위치 형태의 스택 내부에서 양자 교환 막을 통과하는 방식인데 양자 교환은 백금촉매를 코팅한 전해 막과 전극이며 거기에 유도되는 수소 (-) 전극인 백금촉매의 작용으로 이온화되어 수소이온 주위에서 전자를 방출한다.
수소이온은 고분자인 얇은 박판 교환 막을 통과하여 양극을 통해 들어온 산소와 결합하여 수증기가 된다. 또 수소로부터 방출된 전자 (-) 극과 (+) 극 사이의 전위차를 생성하여 전기를 흐르게 한다. 그 화학반응이 일어나게 하는 조직을 셀이라 하며 하나의 셀이 발생하는 전압은 약 0.7V이다. 이 셀이 여러 개 결합하여 차량 주행 시 고전압을 만들어 낸다.
(3) 발전방식
연료전지에 사용되는 수소는 그 수소를 저장하여 연료전지에 공급하는 방법과 메탄이나 가솔린과 같은 액체연료를 탑재하고 그것을 개질화하여 연료전지에 공급하는 방법이 있다
- 수소저장과 합장 금법
수소를 그대로 저장하는 방법은 수소원자가 원소 중 가장 작은 원소이므로 큰 입자의 금속용기 사이를 쉽게 빠져나가기 때문에 기체 상태의 저장에 장애가 된다. 저장용기를 분할하여 저장할 수 있는 수소량을 줄이면 차량의 장거리 이동이 불가능하므로 액체상태로 저장하는 것이 바람직하다. 이때 압력용기는 수소를 200 기압 정도로 충전하고 그 연료로 연료전지 자동차를 운행하였다.
수소를 액체 상태로 보관하려면 -253도로 유지해야 하기 때문에 기화되지 않도록 단열성이 큰 용기로 밀봉해야 한다.
수소 합장 금은 금속 원자에 수소원자를 한시적으로 보관하며 수소와 반응 시 가역 반응을 이용하여 온도를 낮추거나 수소 압력을 높이면 수소저장 합금에 수소가 흡수되고, 반대의 경우는 수소를 방출하므로 수소저장 밀고가 높고 안전한 것으로 알려져 있다.
수소 합장 금법은 수소저장을 위해 수소저장용량 및 수소화 반응속도가 우수한 특성을 가진 수소저장 합금을 개발 하는 것이 중요하며 이 소재 개발을 위한 노력이 활발히 진행되고 있다.
- 메탄올과 가솔린의 개질법
물을 250~300도 정도로 가열한 후 개질기 중에 메탄올과 증기 사이에 촉매를 이용하여 수소를 추출하면 이때 이산화탄소가 동시에 배출된다. 장점만 본다면 메탄올은 중요한 것이지만 해결되지 않은 과제가 남아 있다.
메탄올을 가열하여 증기를 얻고 수소를 취할 때 연료전지를 가동하는 시간이 필요하지만 장치가 냉각된 아침에는 시동이 불가능하므로 가솔린차와 같이 30분 정도의 난기 운전이 필요할 수밖에 없었다. 그래서 처음에는 탑재한 배터리로 주행하는 일이 있었으나 난기 시간을 줄이는 데 주력하여, GM은 -20도에서 연료전지를 시동 시험에 성공하였다.
그리고 가솔린 개질법은 가솔린에 공기를 추가 시 개질 과정 중 900도 근처에서 반응을 하므로 반응 후 필요한 열만큼 가솔린 개질 방식에 채운다. 가솔린 개질이 메탄올 개질의 두 배의 수소를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있으며, 그 이유는 가솔린 중 탄화수소 HC의 수소원자가 메탄올보다 많이 포함되어 있기 때문이다. 그러나 가솔린 개질에 해결해야 할 과제 중에 보다 정밀한 온도관리가 필요하고 이에 필요한 장치가 확보되어야 하므로 비용 상승을 초래한다. 또한 가솔린은 황 성분을 포함하고 있기 때문에 연료전지의 스택을 손상시키므로 황 성분을 줄이기 위해 정유 설비투자가 선행되어야 한다.
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