자동차공학 수소자동차 건국대학교 기계공학과 박 정 규.

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1 자동차공학 수소자동차 건국대학교 기계공학과 박 정 규

2 수소연료를 사용하는 저공해 엔진의 개발 기술의 개요
최근 들어 지구환경 보존에 대한 관심이 점점 높여지고 있는 가운데 일반적으로 널리 사용되고 있는 탄화수소계 연료와는 달리 탄소원자를 포함하지 않는 수소에 관한 중요성이 나날이 고조되고 있다. 근본적으로 수소는 재순환이 가능하고 환경에 미치는 영향이 적은 장점으로 인해 세계 각국에서 다양한 용도로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 자동차의 경우 수소를 내연기관의 연료로 직접 사용하는 방법과 연료전지(Fuel Cell)에 사용하여 전기에너지를 얻는 방법의 2가지 방향의 연구가 진행되고 있다.     수소는 무색, 무취, 무비, 무독성의 기체로서 단위 질량당 에너지가 매우 큰 특성을 지니고 있어 연료로서는 우수한 성질을 지니고 있다.  또한 최소 점화 에너지가 작고 소염 거리가 작으므로 취급에 주의를 기울여야 하는 특성도 갖고 있으나, 공기보다 가볍고 확산이 빠르므로 밀폐된 공간만 아니면 누설되는 경우에도 폭발의 위험은 없다. 이러한 수소를 내연기관의 연료로 사용하기 위한 시도는 이미 1800년대 초반에 있었으나 이상연소의 발생으로 인해 무산되었고, 이후 1970년대 유류파동을 계기로 대체연료에 대한 연구가 활성화되면서 수소에 대한 관심도 높아지기 시작하여 현재는 환경보호에 기여할 수 있는 청정연료라는 점에서 주목을 받고 있다.       수소엔진은 운전방법에 따라 다음과 같이 분류될 수 있다.  흡기포트 공급방식의 경우 출력의 저하와 역화(Backfire)의 가능성이 있으므로 현재는 주로 연소실내 분사방식을 사용하고 있다.  이 경우 분사시기는 흡기 밸브가 닫힌 이후의 압축행정중이 되며 수소의 분사압력을 증가시켜 압출 말기에 분사할 경우 확산연소에 의한 연소의 제어도 가능하다.  수소 인젝터의 구동방식은 여러가지가 있으나 현재는 유압식의 인젝터가 일반적으로 사용되고 있고 전자적인 제어가 가능한 솔레노이드 방식의 개발도 널리 진행되고 있다.

3 수소엔진의 개발에 있어 가장 중요한 연구과제는
고부하영역에서 발생하는 이상연소 현상의 억제, 이론공연비 부근에서 다량으로 발생하는 질소산화물의 저감, 고속작동 및 내구성이 보장되는 수소 인젝터 개발의 3가지로 요약할 수 있다. 현재까지의 연구에 따르면 희박연소, 배기가스 재순환장치(EGR), 물분사 방법 및 엔진 운전 조건의 제어를 통해 연소측면의 문제는 대부분 해결가능성이 높은 상태이며, 솔레노이드 또는 압전소자 등의 개발로 인젝터의 성능도 향상시킬 수 있는 것으로 평가되고 있다. 이상에서 기술한 수소엔진을 사용하는 수소자동차의 개발 및 그운용을 위해서는 수소저장장치의 개발이 선결과제로 대두되고 있다. 이는 수소 내연기관뿐 아니라 연료전지를 이용하는 전기 자동차의 경우에도 적용되는 것으로서 소형, 경량으로 다량의 수소를 안전하게 저장할 수 있는 장치가 요구되고 있다.  가장 쉽게 적용할 수 있는 고압 수소 용기의 경우 근래 들어 복합재료 분야의 연구결과에 의해 강도가 향상되면서 전체 체적이 감소하는 경향이어서 차량의 여유공간을 활용하는 경우는 사용 가능성이 있는 것으로 생각되고 있다. 금속수화물(Metal Hydride)탱크의 경우 안전성이 가장 높으나 중량과 내구성에 대해서는 아직 개선의 여지가 있다. 액체 수소 탱크는 중량 및 체적 면에서는 유리하나 자연 증발에 의한 손실과 저온에서 작동하는 펌프등의 부품개발이 연구과제로 남아 있다.

4 기술동향 현재 미래의 에너지원으로서의 수소에너지에 관한 연구는 선진 각국에서 활발히 진행되고 있으며 발전등의 용도 이외에 자동차용 연료로서의 연구도 동시에 진행되고 있다. 미국의 경우 정부의 활발한 지원아래 연구소 및 대학을 중심으로 연구가 진행되고 있으며 최근 Xerox사와 캘리포니아 Riverside대학을 중심으로 차량을 제작하여 시험 운행을 하고 있다.  이는 아직 초기단계로서 고압용기와 단순한 구조의 엔진을 사용하고 있으며 차량 자체보다 태양광으로 발전한 전기를 이용한 수소 전기분해 시설의 운영에 초점을 맞추고 있다. 일본에서는 Mazda등의 자동차회사와 Musashi대학에서 다양한 연구를 수행하고 있다.  Mazda의 경우 로터리 엔진과 Metal Hydride저장장치를 사용하여 시험 차량을 운영하고 있으며, Musashi대학의 경우 액체수소 저장기술과 유압식 인젝터를 사용하여 다양한 형태의 차량과 엔진에 관한 연구를 수행하고 있다. 독일의 경우 BMW 및 연구소에서 액체수소 이용기술과 고성능 인젝터의 실용화 연구에 주력하고 있다.  이밖에 캐나다, 이탈리아, 인도 등에서도 수소 자동차에 관한 기초연구를 진행하고 있다. 현재까지의 연구는 아직 실용화에는 미치지 못하고 있으며 엔진형식, 수소 공급방식, 수소 저장방식에 있어 다양한 시도가 이루어지고 있는 기초연구단계라 할 수 있다. 그밖에 수소를 연료로 사용하는 연료전지 자동차의 경우도 최근 Toyota, Benz등에서 시작 차랑을 발표한 바 있으며 이와 동시에 하이브리드 차량 개념의 수소연료의 이용 방안에 대해서도 미국과 일본을 중심으로 연구개발이 활발히 진행되고 있다.

5 수소 엔진의 개발 개요 및 연구동향                                                                                                       현재의 가솔린, 중유 등의 화석연료를 연료로 사용하는 자동차는 배기가스를 통하여 대기오염원인 NOx(질소산화물), CO(일산화탄소), HC(미연탄화수소) 등을 다량으로 배출하여 심각한 공해문제를 야기하고 있다. 따라서, 선진국에서는 심각한 대기오염의 문제로 인해 화석 연료를 사용하는 기존의 자동차의 운행을 규제하려는 정책(California주 법, Rio 환경협약)을 입법화하고 있으며, 전 세계적으로 대기매연에 대한 규제를 강화하기 위한 법률이 제정되고  있다.   현재의 선진국들을 중심으로 기존의 자동차보다 낮은 수준의 유해배기가스 배출을 요구하는ULEV (Ultra low emission vehicle)나 무공해 차량 같은 ZEV(Zero emission vehicle) 등의 규제법에 대응하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있다. 이와 같은 선진국의 대기오염 방지를 위한 각종 규제 및 기술장벽에 대응하기 위해서는 국내에서도 무공해 자동차의 개발 및 기존자동차의 배기가스량을 줄이기 위한 저공해 기술의 개발이 필수적이다.  특히, 석유계 연료를 사용하는 자동차의 배기가스 정화는 희박혼합기, EGR, 촉매변환기 등의 사용으로 현재의 법규를 충족시키고 있다. 하지만, 날로 급증하고 있는 자동차의 증가 추세로 보면 도심의 대기오염은 한계에 도달할 것이므로, 보다 근본적으로 배기가스의 생성을 억제할 수 있는 대책이 필요하며, 이 방식의 하나가 저공해 대체연료 또는 CO2를 생성하지 않는 연료의 이용이다. 이러한 대체연료는 현재 사용되고 있는 기관의 큰 구조변경 없이 사용 가능하여야 하며, 양적으로 또한 경제적인 면에서도 대체 가능하여야 한다. 고려되고 있는 연료들 중에서 수소는 물로부터 제조 가능하므로 그 양이 거의 무한정이다. 근본적으로 수소는 재순환이 가능하고 환경에 미치는 영향이 적은 장점으로 인해 세계 각국에서 다양한 용도로 사용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 자동차의 경우 수소를 내연기관의 연료로 직접 사용하는 방법과 연료전지(Fuel Cell)에 사용하여 전기에너지를 얻는 방법의 2가지 방향의 연구가 진행되고 있다.

6 수소는 무색, 무취, 무비, 무독성의 기체로서 단위 질량당 에너지가 매우 큰 특성을 지니고 있어 연료로서는 우수한 성질을 지니고 있다. 또한 최소 점화에너지가 작고 소염 거리가 짧으므로 취급에 주의를 기울여야 하는 특성도 갖고 있으나, 공기보다 가볍고 확산이 빠르므로 밀폐된 공간만 아니면 누설되는 경우에도 폭발의 위험은 없다. 2원자 분자로서 배기가스 중의 NOx를 제외한 나머지는 대부분 물로서 다른 연료에 비하여 배기가스에 의한 대기오염이 거의 없는 큰 장점을 가질 뿐만 아니라, 탄소성분을 함유하지 않으므로 CO2 증가에 의한 지구의 온실효과를 방지할 수 있는 이점이 있다. 따라서 수소연료는 인류 궁극의 연료라 해도 과언이 아니며, 이와 같은 연료에너지를 동력에너지로 변환하는 기술의 확립은 절실히 필요하고 재언을 요하지 않는다. 수소엔진에 관한 연구는 1920년경부터 Ricardo, Burstal, Erren, King 등에 의해 시작되었으나, 수소연료의 빠른 연소속도와 적은 점화에너지에도 착화되는 특성으로 인하여 매우 희박한 영역에서도 조기착화와 역화를 방지하지 못하여 수소엔진에 관한 연구는 큰 진전을 보지 못하였다. 그러나 1970년대 석유파동 이후 대체연료로서, 또한 탄화계 연료에 의한 대기오염을 획기적으로 해결할 수 있다는 장점으로부터 미국·일본·독일 등지에서 수소엔진에 관한 연구가 활발히 시작되었다. 그러나, 수소연료는 아직 경제적인 제조와 저장에 관한 연구가 확립되어 있지 않다. 따라서 몇몇의 연구용 기관 및 차량 시스템의 개발이 시도되었을지라도 아직 실용화 단계에는 이르지 못한 실정이다. 그러나 수소연료는 인류의 궁극적인 연료라는 관점에서 최근, 수 년간 수소엔진에 대하여 높은 관심을 보이고 있으며, 많은 연구자들에 의해 활발한 연구가 진행되고 있다.  

7  수소연료의 특성                                                                                 수소는 잘 알려진 바와 같이 무색·무취의 기체이며, 원소기호 1번, 원자량 로서, 지금까지 알려진 원소 중 가장 가벼워 비중이 공기의 1/14.5에 지나지 않는다. 수소는 암모니아, 메탄올 제조용 원료로서 대부분 사용되어 왔으나, 최근에는 석유화학공업의 합성원료로서 그 소비량이 증가되고 있다. 그러나 에너지 매체로서 주목을 받기 시작한 것은 1970년대 석유파동 이후이며, 현대에 이르러서는 탄화수소계 연료에 의한 대기오염을 획기적으로 줄일 수 있다는 면에서 가장 각광을 받는 연료라 할 수 있다. 이러한 수소연료의 수소에너지 연구에 필요한 수소연료의 특성과 환경면, 안정성면에서 기존의 가솔린과 비교하여 나열하면 다음과 같다.      1) 수소연료의 특성   수소연료의 열적특성은 우선 비열이 매우 크다. 표준대기압 상태에서 정압비열은 14.9kJ/㎏·K이므로 공기의 정압비열의 14.5배에 달한다. 비열비는 공기와 비슷한 1.41로 단원자 분자인 Ne, He의 1.667에 비해 낮지만, Ne, He은 불활성원소로서 연료로 사용할 수 없으므로, 비열비 면에서 수소는 사용할 수 있는 연료 중 가장 열효율이 높은 연료라 하겠다. 이러한 수소는 2원자 분자로서 분자식도 단순하고 물리적 성질도 거의 일정하여, 통상의 탄화수소계 연료와는 달리 다소 다른 특성을 갖고 있다.

8 수소와 가솔린이 연료특성 비교

9 2) 장 점 수소는 물로부터 어떤 에너지를 이용하여도 제조가능하므로, 그 양이 거의 무한정에 가까운 연료라고 볼 수 있다. 수소는 2원자 분자로서 연소생성물이 단순하여 물만이 생성되므로 다른 어떤 연료에 비하여도 가장 깨끗한 연료이다.  CO2의 규제강화가 대두되고 있는 시점에서 이것의 해결방안은 탄소성분이 없는 연료를 사용하는 방법이 되며, 이와 같은 것으로는 수소연료가 가장 적합하다. 수소는 가연한계(λ=10∼0.14)가 넓고, 최소 점화에너지가 작으므로 불꽃점화기관에 적합하고, 희박한 혼합기를 사용하는 경우에도 안정된 연소가 가능하다. 수소연료는 무색·무취로 감지하기 힘들며, 작은 스파크에 의해서도 폭발하기 쉽다. 그러나 수소자체는 무독이며, 비중이 작아 공기중에서 쉽게 확산되므로 외부로 누출된 경우 프로판이나 그 외의 가스보다 비교적 안전하다.

10 3) 단 점  (1) 수소가 쉽게 점화하는 성질은 희박혼합기가 사용되는 저부하 영역에서는 열효율의 증대를 가져오나, 농후 혼합기가 사용되는 고부하영역에서는 조기착화를 일으키며, 또한 수소의 연소속도가 크기 때문에 조기착화 및 역화가 쉽게 발생한다.  (2) 수소의 저발열량은 가솔린의 2.7배이지만, 수소의 이론공기연료비는 중량비로 34.1:1이고, 가솔린의 경우 15.1:1이므로, 동일 실린더내에 수소-공기 이론예혼합기를 흡입시킨 경우의 발열량은 가솔린에 비하여 15%정도 감소된다. 그러나 수소가스를 직접 실린더내에 분사하는 경우는 흡입공기량이 증대하게 되어 발열량은 오히려 가솔린의 경우보다 약 20%의 증가를 초래한다.  (3) 수소의 자기착화온도는 디젤유보다 상대적으로 높으므로 압축착화에는 어려움이 있다.  (4) 수소의 배기조성은 단순하여 CO, HC 및 스모크의 배출은 거의 없으나, 수소의 단열화염온도가 다른연료에 비하여 다소 높으므로 질소 산화물 NOx의 생성은 급증한다.  (5) 수소는 전력과 마찬가지로 2차 에너지이기 때문에 수소연료를 사용하는 자동차가 양산되기까지는 탑재성과 같은 자동차측의 문제뿐만 아니라 수소의 대량제조기술과 저장·수송 기술 등의 연료 공급측의 문제도 해결해야 할 과제로 남아 있다. 4) 주의사항  (1) 점화한도가 이론당량비보다 매우 희박하므로 불꽃과 같은 고온원에서는 점화되기 쉽다.   탱크로부터 노출된 수소는 실온에 가까운 온도에서 작용하는 산화 촉매로써 H2O로 하여 방출하는 것이 고려된다.   (2) 분자가 작고, 좁은 틈새로부터도 누출되기 쉬우므로 밸브 등 기밀구의 설계와 가공에는 주의를 요구한다.   (3) 수소는 그 불꽃이 무색·무취이므로 이것의 검출방법에 대한 개발이 필요하다.

11 개발기술의 당면과제 및 애로기술                                       수소연료를 자동차 기관에 사용하고자 하면, 전술한 바와 같이 이상연소, 저출력, NOx의 배출 등에 대한 문제점이 해결되어야 하며, 이에 대하여 현재까지 고려되고 있는 방안은 다음과 같다. 1. 이상연소 수소를 흡기관에 공급하여 공기와 혼합시킨 다음, 실린더에 도입하는 예혼합식에서는 고출력을  얻기 위하여 농후한 혼합기를 형성할 때, 다음과 같은 이상연소가 일어나 운전이 불가능하게 된다.      1-1) 이상연소의 종류     (1) 급격연소:  연소속도가 지나치게 빠르기 때문에 저회전에서는 정적연소에 가까운 급격한 압력상승을 일으킨다.   (2) BF(black fire) : 수소엔진의 가장 큰 문제는 역화가 다른 연료에 비해 일어나기 쉽다는 것이다. 역화는 정상적인 점화시기 전에 고온으로 가열된 부분이 예혼합기를 착화시켜 생기는 조기착화되었을 때, 그 불길이 밸브 틈새를 통해 흡기관내 혼합기에 전파되어, 폭음을 발하는 현상을 말한다. BF의 징조인 조기착화가 어디서, 어떻게 발생하느냐에 대한 연구는 KING(영국)이 이미 1948년 미립자설을 제창하였고, 후루하마 등은 점화전극설을 제한한 바 있다. 그러나 시동과 가속시에 많이 발생하는 현상 등을 정확하게 설명할 수 있는 학설은 아직 나오지 않고 있다.   (3) 조기착화 및 노킹    자발화 온도가 높음에도 불구하고, 특히 고온점화가 형성되는 조건이 없을 때에 오히려 조기착화가 일어나기 쉽다. 또한 종전에는 안티노크성이 높고, 압축비가 15:1까지도 높여진다는 보고가 있었지만 외부혼합으로 옥탄가 90정도의 가솔린하고 대략 같으며 이것은 인디케이터선도에 나타나는 압력진동과 매우 닯은 꼴이다.      

12 1-2) 방지책  이상연소를 억제시키는 방식은 연소온도를 낮추는 방식과 점화시기전에 가연혼합기가 형성되는 것을 억제하는 수소분사방식이 있다. 연소온도를 낮추는 방식은 희박혼합기의 사용이 대표적이다. 압축행정 초기에 수소를 분사시키는 엔진을 대상으로 실험한 결과 당량비ø= 0.67 이하로 유지하는 경우, 조기착화, 역화 등의 이상연소가 억제된다는 것을 Manfred Oehmichen의 연구에서 밝히고 있다. 희박연소에 의한 이상연소 억제방식은 용이한 방법이지만, 근본적으로 발열량의 감소에 의한 출력저하를 피할 수 없다. 따라서 예혼합법에서는 가솔린의 약 절반이하의 토크로 출력이 제한된다.  다음으로 디젤연소와 같이 흡입과정중에는 공기만을 흡입시키고 압축행정 후반에 고압의 수소가스를 직접 실린더 내에 분사하는 방식은, 점화신호전에 가연혼합기가 실린더 내에 존재하지 않으므로 조기착화를 방지할 수 있는 확실한 방법이며 출력면에서도 유리하다. 그러나 수소연료와 공기가 혼합되는 기간이 짧아서 불완전 연소의 가능성이 있으므로 연소안정 대책이 필요하다.

13 2. 저출력    수소-공기 예혼합기의 발열량은 동일체적의 가솔린의 경우에 비하여 15%정도 낮으므로 출력은 약 85%정도이다. 더욱이 이상연소를 억제하기 위하여, 혼합기의 당량비를 ø=0.67이하로 유지하면, 결국 수소엔진의 출력은 가솔린 기관의 경우에 비하여 50-60%정도 밖에 되지 않아 출력면에서 불리한 점을 가지고 있다. 그러나 액체수소(LH2) 흡기관에 넣어 흡입공기를 냉각시키는 방법을 이용하면, 흡입공기량이 냉각효과에 의해 약 30∼40% 증가하므로, 이때의 발열량은 가솔린에 비해 약 15%정도 증가하게 된다. 그렇지만, 이 방식은 흡기관내에 혼합기가 형성되므로 이상연소가 생길 가능성이 있다. 한편, 디젤기관과 마찬가지로 압축행정 중에 수소를 분사하는 경우 흡입공기량이 증대하게 되어 발열량이 가솔린의 경우보다 약 20% 증가하게 된다. 따라서 수소분사방식의 저출력 대책을 해결할 수 있다. 3. NOx의 배출 수소-공기 혼합기의 연소에서는 CO, HC, 그을음, 냄새가 전혀 없는 것으로 보아도 무방하다. 그러나 NOx는 공기속의 O2와 N2가 고온에서 반응하여 생성되는데 가솔린과 기본적으로 마찬가지이다. 수소-공기 혼합기의 공기과잉률 변화에 대한 NOx 생성의 변화를 Fig.1에 보인다. 그림에서 보면 NOx의 생성은 공기과잉률 λ=1.1∼1.2 사이에서 최대를 보이지만 λ>2의 범위에서 NOx는 극히 작아지는 것을 알 수 있다. 다만 현재는 환원촉매가 상용화되지 못했다. 따라서 고부하시의 NOx 경감은 수소엔진에서 해결해야 할 과제 중의 하나로 되어 있다.

14 수소기관에서의 공기과잉률에 대한 NOx의 변화
NOx의 배출을 억제하는 대책은 현재의 기관에 채택되고 있는 방식과 마찬가지로 희박혼합기 사용에 의한 방식, EGR 방식, 물분사방식, 흡입온도 냉각방식, 후처리방식 등이 고려되고 있다. 농후혼합기를 사용하여 NOx를 감소시키는 방법은 조기착화, 역화 등과 같은 이상연소의 가능성이 있으므로 수소-공기 예혼합연소의 경우 적합하지 않다. 배기가스를 재순환시키는 EGR 방식의 경우 NOx 배출의 저감효과는 EGR율이 15%이상이 되어야 나타난다. 배기가스에 물을 섞어 흡입시키는 EGR 방식은 상기방식보다 NOx의 저감효과는 다소 증대하나, 실린더내에 물이 흡입되므로 윤활유의 윤활성이 저하되고, 녹이 생겨서 실용화에는 다소 문제가 있다. 또한 점회시기를 늦추면 NOx는 감소를 보이지만, 원칙적인 억제방법은 아니다. 다만 출력에는 큰 영향을 미치지 않는 특징이 있다. 한편 수소는 연소하기 쉬운 성질을 갖고 있어 100℃ 전후에서 저온촉매 연소가 가능하므로, 출력저하가 생기는 희박혼합기 사용방식보다는 후처리 방식의 저온촉매 연소가 수소엔진의 경우에 있어 유리하다. 단지 수소의 밀도가 대단히 작으므로 공기와 혼합하지 않은 수소가 촉매기의 상부에 축적되어, 부분과열이나 역화가 일어날 수 있는 단점이 있지만 배출가스 중의 NOx만을 저감시키는 것은 현재의 기술로는 큰 문제가 되지 않는다.

15 수소연료의 저장법                                                                            수소 저장법   수소를 자동차와 기타 교통기관용 엔진에 사용할 때는 경량·고출력이 절대요건인데 수소 그 자체는 같은 발열량에서 가솔린의 1/2.7로 가볍지만 대기상태의 수소체적은 3000배나 되므로, 이것을 소형화하기 위 해서는 고압수소가스(GH2), 액체수소(LH2), 금속흡장합금(MH) 등에 의한 방식이 고려되고 있다 고압용기   수소를 15MPa로 압축하여 저장하는 방식으로, 공인되어 널리 사용하고 있는 것으로써 강철제 7N㎥들 이 용기가 있는데, 수소에서는 가솔린 2.3ℓ분의 에너지가 들어가며 전중량이 약 58㎏이다. (2) LH2 20K의 극저온에서 기화열 450kJ/㎏에 저발열량 MJ/㎏의 0.37%로 작고, 단열성이 뛰어난 탱크를 필요로 하는데, 일반적으로 스테인레스제 2중벽 사이를 초진공으로 하고, 여기에 방사율을 차단하기 위하여 그 사이에 종이를 말아넣은 구조로 만든다. 액체수소를 사용하는 경우는 수소가스에 비하여 체적이 현저히 감소되므로 연료탱크의 운반성이 좋다. 그러나 취급에 위험성이 따르며, 비등점이 낮아서 이중 단열탱크에서도 수소의 증발량은 1일당 수%에 이르게 되어 액체수소를 넣은 채로 방치하여 두면 얼마 지나지 않아 전부 증발하여 버리는 결점이 있다. 또한 고압으로 수소를 분사하기 위해서는 작동되는 액체수소 가압펌프가 필요하다.

16 (3) 수소흡장합금(Metal Hydride: MH)
수소화합물을 형성하는 금속에 수소를 접촉시키면 수소분자는 금속표면에 흡착된다. 그 중 일부는 수소원자로 분해되어 금속결정격자 내부의 격자간 위치라고 하는 틈새로 침입한다. 금속 속에 흡수되는 수소의 갯수는 어떤 일정한 값에서 포화된다. 그러나 수소압을 올려주면 수소원자는 금속 안으로 계속 침입하여 결국 전체가 금속수소화합물로 바뀌는데 이것이 수소흡장합금이다. 수소흡장합금이 많은 양의 수소를 저장할 수 있는 것은 원자가 꽉 들어찬 상태인 결정의 틈새로 수소가 끼어 들어가기 때문이다. 금속결정 속에는 수소를 흡수할 수 있는 격자간위치가 많이 존재하고 있는데, 수소흡장합금의 경우는 금속원자수의 1∼2배 정도의 수소원자를 흡수할 수 있다. 이렇게 수소를 저장하는 방법에 비해 부피로 따지면 수소밀도를 매우 촘촘하게 만들 수 있으나 무게로 따지면 금속이 무겁기 때문에 중량비는 상당히 낮아지게 된다. 그러나 수소의 중량당 에너지의 밀도는 매우 높아 에너지 저장법으로서는 매우 유용하다. 금속과 수소의 반응에서 수소가스의 압력과 온도에 따라 흡수 또는 방출이 진행된다. 수소가스의 압력이 평형압력보다 높으면 반응은 흡수쪽으로 진행되고 반대로 그보다 낮으면 방출된다. 이와 동시에 발열 또는 흡열현상이 생기는 데, 흡수할 경우에는 발열하고 방출할 때는 흡열이 일어난다. 그러므로 흡열과 방열을 되풀이할 수 있는 에너지 변환장치로서도 이용할 수 있다. 수소흡장합금으로서는 철·티탄계합금(FeTiHy) 외에도 란탄-니켈계합금(LaNiHx), 마그네슘-니켈계 합금 등이 있다. Benz사가 개발한 흡장합금 탱크는 총중량이 고압수소가스의 경우와 큰 차이를 보이지 않지만, 단위체적당 에너지 밀도가 높고 수소의 저장과 방출이 용이하며 무엇보다도 안정성이 뛰어나다는 점을 고려하면 자동차용 수소 저장법으로써 금속화합물 탱크가 유리하다. 그러나 실용화 되기 위해서는 무엇보다 중량을 감소시켜야 하며, 고압수소 분사방식을 채택할 경우 별도의 가압장치가 필요하다.

17 2) LH2 펌프 이상연소 방지와 고출력화 등을 위해서는 수소의 실린더내 직접분사를 필요로 하는데 그렇게 하려면 고 압수소가 필요하다. 여기서 GH2용기법은 분사에 편리하지만 분사압 이하는 사용할 수 없다. 그리고 MH 에서는 대량의 MH로부터가 아니면 수 기압 이상에서의 방출이 불가능하다. 한편 LH2를 액상에서 가압하 면 극소형 펌프와 작은 동력으로도 100기압 정도의 공압을 얻게 된다. 그러나 LH2 펌프에서는 다음과 같 은 고려가 필요하다. 극저온 :  윤활제가 없고, 저점도이므로 자기 윤활성이 있는 합성재료를 미끄럼면에 사용한다. (2) 열팽창 :  펌프의 실린더와 피스톤간의 간격은 저온에서는 그 간격이 넓어난다. 따라서 열팽창 계수가 적은 재료를 사용해야 한다.

18 주요 관련 기술의 검토                                     혼합기 형성법에 의한 특성       예혼합  가솔린 엔진과 마찬가지로 흡기계의 공기흐름속에 수소를 혼입하여 실린더내에 흡입시켜서, 한결같은 혼합비로 압축시킨 다음 불꽃점화하는 것인데 여기에는 다음과 같은 특성이 있다.   (A) Table 1에서 나타냈듯이 지극히 희박한 혼합비로도 점화할 수 있으므로, 연료에 대응시키는 스로틀 밸브가 없어도 운전은 가능하다. 그러나 스로틀밸브로서 최적의 혼합비를 얻을 수 있다. 다만 정도높은 혼합비 조절을 필요치 않다. 또한 부분부하에서는 희박연소를 할 수 있으므로 열효율이 높다.   (B) 1사이클당 출력은 실린더에 충전되는 혼합기 발열량에 비례하므로, 열효율이 같다면 Table 1에서 처럼 이론혼합기의 발열량에 해당하며 가솔린의 85%이다. 그러나 또다시 그 이하의 출력, 즉 보통 약λ=1.5, 가솔린의 약 절반되는 출력에서는 역화가 발생하여 운전불능에 빠지게 된다. 이 현상의 대책으로서 Benz사는 흡기관에 물을 분사했지만 문제점이 많은 것 같다.   (C) 수소·공기의 연소에서는 CO, HC, 그을음, 냄새가 전혀없는 것으로 보아도 무방하다. 그러나 NOx는 공기속의 O2와 N2가 고온에서 반응하여 생성되는데 가솔린과 기본적으로 마찬가지이다. 수소는 부분부하에서 희박연소가 가능하므로 fig.1에서 나타냈듯이 약 λ>2에서 NOx는 급격히 줄어든다. 다만, NOx의 환원촉매가 상용화되지 못했다. 따라서 고부하시의 NOx 경감은 수소엔진에서의 해결해야 할 과제중의 하나이다.

19 (2) 저압분사 수소를 실린더내에 직접 분사할 때의 첫 번째 장점은 공기만을 흡입하고 흡입밸브가 닫힌 뒤에 분사하면, 조기착화는 일어날 수 있겠지만 역화는 일어나지 않는다는 점이다. 수소가 차지하는 체적은 λ=1로서 행정체적의 30%인데 이것은 혼합기의 체적당 에너지가 낮기 때문이며 이것이 둘째 장점이다. 따라서 일종의 과급으로서, 이상연소가 없으면 가솔린보다 약 20%나 고출력을 낸다. 이 때는 물론 고압수소 가스통안에 분사장치가 필요하다. 이런 분사법의 한가지가 압축과정의 초기에 분사하여 점화시에 대략 균질한 혼합기를 형성하는 것인데, 이것으로 조기착화를 완전히 방지할 수는 없지만 예혼합식 보다는 착화를 방지할 수 있다. 그리고 분사압은 0.5∼1MPa사이의 저압이 좋으며, 분사기간은 크랭크 회전각 100o정도까지 길어도 괜찮고, 분사 시기도 정확성을 필요로 하지 않는 등의 장점을 가지는데 2사이클에서 특히 이것들의 효과가 크게 발휘될 수 있다. (3) 고압분사 디젤엔진과 마찬가지로 압축상사점 부근에서 분사하면 조기착화 등 일체의 이상연소는 일어나지 않는다. 여기서 다음과 같은 특징이 생긴다.   (A) 이상연소가 없으며, 동일한 행정체적에서 석유보다 20%의 고출력을 얻을 수 있다.   (B) 높은 압축비를 채용할 수 있다.   (C) 대형 엔진에도 적용시킬 수 있다.  따라서 엔진 성능상으로는 이 방법이 이상적이다.   한편, 여기에는 다음과 같은 기술적인 문제점들이 있다.   (A) Table 1에서 보듯이 자발화 온도가 높아서 압축점화를 할 수 없으므로 점화장치가 필요하다.   (B) 연소최고압력 이상의 고압수소가 필요하다.   (C) 체적이 크고 누출되기 쉬운가스를 짧은 기간안에 분사하여야 한다. (4) 복합법   이상의 세가지를 조합한 몇가지 방법이 고안되었는데 후루하마 등이 시도한 것은 예혼합으로 안정점화를 얻거나, 다시 희박한 λ`의 혼합기를 흡입하여 상사점앞 θ`에 5MPa의 고압수소를 분사하여 θ``에서 불꽃점화하는 방식이다. 그 결과 이상연소가 없이 smooth한 압력상승을 얻었다.