수소경제 주목되는 기술·제품 68. 캠프티의 ‘차량용 수소발생기 키트’

월간수소경제 = 성재경 기자 | 일명 ‘HHO 가스’에서 출발했다. HHO는 물(H2O)을 전기분해할 때 나오는 2개의 수소 원자와 하나의 산소 원자를 의미한다. 불가리아 출신 과학자인 율 브라운 박사의 이름을 따서 ‘브라운가스’로도 불린다. 수소와 산소가 2대 1 비율로 혼합된 ‘옥시수소(Oxyhydrogen)’라고도 한다.

내연기관 차량의 연비와 출력, 진동을 개선하기 위해 브라운가스를 시공하는 업체를 본 적이 있을 것이다. ‘HHO 가스 클리닝’ 시공이라고도 한다. 엔진 연소 과정에 카본이 쌓이면 연소 효율이 떨어진다. 엔진 내부로 연료와 함께 브라운가스를 투입하면 연소실 온도가 600℃ 이상 올라가면서 카본 찌꺼기를 깨끗이 제거할 수 있다고 홍보한다. 

“공기흡입구로 HHO 가스를 넣으면 완전연소를 통해 엔진 내부의 실린더와 피스톤, 노즐에 쌓인 카본을 없앨 수 있죠. 바로 이 브라운가스 원리를 적용한 ‘차량용 수소발생기 키트’라고 보시면 됩니다.”

15~25% 연료절감 효과

말로 듣는 것보단 눈으로 보는 게 빠르다. 캠프티(KMPTY) 김건호 대표가 어디론가 전화를 하자 트럭 한 대가 달려온다. 거래처 지인의 1톤 트럭에 수소발생기 키트를 장착해서 운행 중이다. 


오창용 씨가 2019년형 1톤 트럭을 끌고 캠프티를 찾았다. 
수소발생기 모듈은 오른쪽 뒷바퀴 뒤에 달려 있다. 정사각형 단자함 모양의 덮개를 열자 내부가 한눈에 들어온다. 제품의 구조나 작동 원리는 간단하다. 왼쪽 하단에 있는 PEM(양성자교환막) 스택이 심장 역할을 한다. 

이 스택으로 물탱크의 정제수를 전기분해한 뒤 상단의 수분제거기로 보내 수소와 산소만 따로 분리해낸다. 바로 이 HHO 가스를 공기흡입구의 에어필터로 보내 엔진에 투입하게 된다. 


“설치 방법은 간단해요. 키트 모듈을 차량에 고정한 다음 파워스위치를 배터리에 물리고, 수분제거기와 연결된 튜브를 에어필터에 물리기만 하면 됩니다. 기존 차량의 연소시스템을 건드리지 않기 때문에 장착에 아무런 문제가 없어요. 차량의 엔진 배기량에 따라 스택과 BOP(주변장치) 크기만 다르다고 보시면 됩니다.”

따로 배터리를 추가하지 않아도 된다. 시동이 걸린 후 엔진이 돌면 자동으로 작동되고, 물탱크 내 수위센서가 물 부족을 감지하면 자동으로 멈춘다. 키트 모듈 외부에 물 높이를 알 수 있는 튜명 튜브가 있고, 물 보충 주입구도 따로 달려 있다. 

“전극이 전해액에 잠긴 침지형으로 작동하는 알칼라인 수전해로는 이렇게 만들 수가 없어요. PEM 방식을 적용한 덕에 부피와 무게를 작게 가면서 4볼트(V), 15암페어(A)의 작은 전력으로도 구동이 가능하죠.”


6개월 동안 작동 중인 2,500cc용 수소발생기 제품.
2019년형 1톤 트럭에 수소발생기 키트를 처음 장착한 건 지난 2월이다. 근 6개월 동안 차를 운행한 오창용 씨의 말을 들어보자. 

“자영업을 하다 보니 연료비에 대한 만족도가 가장 크죠. 경유 51리터를 기준으로 과거에는 380에서 420킬로미터(km) 정도 운행했어요. 키트를 장착한 후에는 520에서 540킬로미터 정도 운행합니다. 고속주행에서 특히 만족도가 높아요. 진동이 줄고 출력이 좋아진 걸 체감하고 있죠.”

캠프티는 키트 장착 후 연료절감 효과를 15~25%로 본다. 김건호 대표는 수소와 산소가 빠른 연소를 도와 출력이 15% 이상 향상되는 효과를 볼 수 있다고 한다. 

“불완전연소를 예방해 DPF(Diesel Particulate Filter, 배기가스 후처리장치)에 찌꺼기가 남지 않고, 요소수 사용량도 크게 줄일 수 있어요. 연소율을 높여 배기가스 배출량을 50% 이상 줄일 수 있기 때문에 대기 환경에도 큰 도움이 되죠.” 

근 6개월 동안 물보충 횟수는 5회에 달한다. 한 달에 한 번꼴로 수전해용 초순수를 보충한 셈이다. 워셔액이나 요소수를 보충하는 정도의 수고로움을 더하기만 하면 된다. 수위가 최저에 이르렀을 때 알람 기능을 추가하는 개선안도 고민 중이다. 

“0.5바(bar)의 저압으로 분당 500밀리리터(㎖)도 안 되는 소량의 HHO 가스를 엔진 앞단에 넣기 때문에 안전상에는 아무런 문제가 없어요. 배출가스 4, 5등급에 해당하는 노후 차량이나 연료 소모량이 큰 중대형 상용차에 적용하면 연료비를 아끼면서 탄소배출을 줄일 수 있죠. 또 카본 찌꺼기가 쌓이지 않기 때문에 연료첨가제 같은 걸 쓰지 않고도 엔진 내부를 깨끗이 유지할 수 있어요.”

HHO 가스로 완전연소 유도

수소에너지를 차량에 적용하는 데는 이유가 있다. 수소의 확산율은 휘발유의 12배, 화염 전파 속도는 휘발유의 8배에 이른다. 엔진에 수소를 투입하면 차량 가속 시 휘발유의 연소 효율을 높여 유해가스 배출을 줄이는 데 큰 도움이 된다고 한다.

“3,000알피엠(RPM)까지 비교적 낮은 토크로 엔진이 작동할 때 연료 소모가 커요. 도심에서 차량이 가다 서다를 반복할 때 연비가 크게 떨어지죠. 이 단계에 적정량의 수소를 투입하면 완전연소를 효과적으로 유도할 수 있어요. 수소와 산소가 연소를 돕기 때문에 연료 소모량도 그만큼 줄어들게 되죠.”


차량용 수소발생기 키트는 캠프티만의 독자 제품은 아니다. 이미 중국에는 많은 업체들이 PEM 수전해 스택을 활용한 제품을 판매하고 있다. 그 중 대표적인 곳이 광저우에 있는 센자(SENZA)란 업체다. 

센자는 차량, 트럭용 수소발생기 키트를 판매한다. 차량의 엔진 크기별로 분당 150㎖부터 최대 5,000㎖까지 8종류로 세분화한 PEM 스택을 적용하고 있다. 이 외에도 PEM 연료전지, 알칼라인 수전해 스택도 함께 판매한다. 알리익스프레스에도 센자의 ‘HHO 수소발생기 키트’가 올라와 있다. 

호주의 스타트업인 ‘알파 H2(Alpha H2)’도 지난해 10월 차량용 수소발생기 키트를 출시했다. 이 제품도 센자의 키트 제품과 동일한 구성이다. 알파 H2가 지난 5월에 공개한 3자 테스트 결과에 따르면 △연료 사용량 20% 감소 △이산화탄소 배출량 13% 감소 △탄화수소 배출량 16% 감소라는 수치를 얻은 걸로 나온다.

알파 H2는 홈페이지에 제품 가격을 공개하고 있다. 2,000cc 엔진을 적용한 중형 차량용 키트는 1,450달러(약 200만 원), 4,000cc 대형 엔진용 키트는 1,750달러(약 240만 원)에 판매하고 있다.


PEM 수전해 스택 덕분에 장비의 소형화가 가능하다. 
“PEM 수전해 기술이 빠르게 발전하면서 중국에서 먼저 상용화가 된 제품이죠. 킬로와트(kW), 메가와트(MW) 단위의 상업용 수전해시스템만 해도 중국 제품이 유럽보다 서너 배는 저렴한 걸로 알아요. 다만 센자의 PEM 스택만 해도 보증기간이 1년입니다. 스택을 비롯해 전원공급장치 같은 주요부품을 국산화해서 품질과 내구성을 높여야 한다는 숙제를 안고 있죠.”

가격경쟁력도 중요하다. 김건호 대표는 중국산 백금-티타늄 전극 대신 국산 나노튜브 전극을 사용하는 방안을 고려하고 있다. 

“CNT라 부르는 탄소나노튜브(Carbon nanotube)를 활용하면 소재 원가를 크게 떨어뜨릴 수 있어요. 사후 AS를 고려하면 아무래도 국산이 좋고 대응도 빠르죠. 현재 중국산은 진동센서를 엔진 커버에 부착해서 작동하는 방식인데, 진동이 큰 대형트럭에는 적용이 어려워요. 차량용 발전기의 전류를 인식해서 구동하는 제너레이터 구동 방식이 더 효과적이죠.”

물(초순수)을 전기분해하기 때문에 겨울철에 대비한 동파 방지 기능이 꼭 필요하다. 또 장비의 작동 여부를 휴대폰 앱으로 확인할 수 있는 블루투스 무선통신 기능을 추가할 예정이다. 

캠프티는 경남 김해에 머시닝센터(MCT) 기술을 보유한 작은 공장을 운영하고 있다. PEM 수전해와는 무관해 보이지만, 그렇지 않다. 김건호 대표는 수소기술의 전망을 눈여겨보고 2020년부터 연료전지 기술 개발에 매진해왔다. 

2022년에는 법인 전환을 완료하고 두 건의 과제도 수행했다. 2022년에는 중소벤처기업부 과제로 ‘비귀금속성 수전해 촉매 개발’에 참여했다. 산소발생반응(OER)에 해당하는 코발트 산화물 촉매와 스택 제조 기술을 개발하는 과제였다. 

작년에는 중소기업기술정보원의 R&D 과제로 ‘팔라듐 산화물 촉매를 적용한 PEM 수전해 스택 개발’에 주관사로 참여했다. 또 작년 7월에는 인제대학교 산학협력단과 CuTi@Pt 코어쉘 나노튜브를 기반으로 하는 수소발생 촉매 기술이전 계약을 맺기도 했다. 

“지난 4월에는 ‘PEM 수전해 스택을 활용한 내연기관 차량용 연비개선 장치’로 특허 등록도 마쳤습니다. 차량에 장착하는 수소발생기로는 국내 최초라 할 수 있죠. 사업화를 염두에 두고 차근차근 단계를 밟아왔다고 보시면 됩니다.”

상용차, 선박, 발전기 등 활용처 다양

김해시 진영읍에 있는 본사 공장을 나서 주촌면에 있는 김해중소기업비즈니스센터로 향한다. 김해시에서 중소기업을 지원하는 핵심 시설로 김해 골든루트 일반산단에 자리하고 있다. 이곳에 캠프티의 기업부설연구소가 있다. 

캠프티는 ISO9001:2015 인증, 벤처기업 확인서를 받았다. 작년 12월에는 연구소기업에 이름을 올렸고, 올해 7월에는 인제대 산학협력단 미래에너지공학과로부터 ‘수소 PEM 수전해 스택 전이금속 전극 개발’에 관한 노하우 이전 계약을 맺기도 했다. 


김건호 대표는 “수전해 방식으로 만든 수소와 산소를 넣어 연비절감 효과를 낸다”고 한다.
“연료전지 기술을 누구보다 잘 알고 있기 때문에 차량용 수소발생기의 가능성을 앞서서 알아본 거죠. PEM이 나오면서 장치의 소형화가 가능해졌고, 이를 모듈화해서 차량에 장착하는 형태로 발전이 됐어요. 학생들 수업용으로 나온 PEM 수전해 셀 키트와 그 원리나 작동 방식이 동일하다고 할 수 있죠.”

듣다 보니 수소에너지를 일상에서 접하는 가장 손쉬운 방법이라는 생각이 든다. 기존 내연기관 차량에 손쉽게 장착해서 엔진 연소에 활용할 수 있다. 수전해 기술로 연료비를 아끼면서 대기오염물질의 배출을 줄일 수 있다는 점은 상당히 매력적이다. 대량생산으로 가면 가격도 크게 낮출 수 있다.

“트럭을 모는 자영업자에 안성맞춤인 사업 아이템이라 할 수 있죠. 내연기관 엔진은 트럭, 버스뿐 아니라 선박에도 들어가요. 엔진 배기량에 맞춰서 스택을 두껍게 쌓아 수소생산량을 늘리는 방식이라 확장이 쉽죠. 크기를 좀 더 키워서 소형 어선에 적용하는 것도 가능합니다. 앞으로 이쪽으로도 테스트를 해볼 생각이죠.”

그동안 4대의 실차 주행 테스트를 진행했다. QM5 SUV 승용차, 현대 포터2 1톤 화물차, 기아 봉고3 1톤 화물차, 현대 마이티 3.5톤 화물차에 키트를 설치한 바 있다. 배기량 1만3,000cc급 현대 엑시언트 15톤 트레일러에도 설치했지만, 엔진에 붙인 중국산 진동센서 모듈이 하루 만에 고장이 나는 바람에 테스트를 이어가지 못했다.


“국내에서 이 정도 용량의 수소발생기 제품을 낸 회사는 캠프티가 유일합니다. 비록 하루이긴 해도 20% 정도 연비개선 효과를 확인했죠. 아직은 환경에 대한 이점보다는 연비, 즉 연료절감에 관심이 많아요. 탄소배출 저감보다는 ‘연비개선’, ‘연료절감기’라는 키워드로 입소문을 타면서 여기저기서 장착 문의가 쇄도하고 있죠.”


3.5톤 마이티 차량에 수소발생기를 장착한 직후의 모습.(사진=캠프티)
김건호 대표는 사업화에 대한 의지를 숨기지 않는다. ‘청정에너지 수소를 이용한 수소연료 절감기’라는 명확한 콘셉트를 머리에 그리고 있다. 그는 한국자동차환경협회 DPF의 대체품으로 사용 승인 신청을 냈다고 한다. 이 부분은 매연 저감 효과에 대한 공인기관의 인증이 필요해 보인다.

연비를 높이면서 배출가스를 잡는 기술에 대한 수요는 명확하다. 수전해 방식으로 HHO 가스를 만들어 엔진 전단에 넣는 방식으로 두 마리 토끼를 잡을 수 있다. 시중에서 ‘HHO 가스 클리닝’ 시공이 일반적으로 이뤄지는 걸 보면, HHO 가스의 효능을 마냥 부정하기도 어렵다. 

“차량용 수소발생기 키트 기술을 고도화하고 국산화해서 완성도 높은 제품을 출시하는 게 1차 목표입니다. 공인기관의 테스트를 통해서 연료절감, 탄소배출 저감 효과가 실제로 얼마나 되는지 검증도 받아야겠죠. 올해 말까지 이런 절차를 하나하나 마무리할 계획입니다.”

수전해 기술의 적용 분야를 재생에너지와 연계한 수소생산단지에 국한할 필요는 없다. 시야를 넓히면 다양한 활용처가 눈에 들어온다. 실제로 소규모 산소발생기나 수소발생기에 수전해 기술을 널리 활용하고 있다. 디젤발전기에 HHO 가스를 적용하는 것도 가능하다. 

수소와 산소를 분리하지 않고 같이 넣어서 태우기 때문에 시스템 자체는 매우 단순하다. 이 기술을 일반 출시 차량에 적용하면 어떨까, 하는 생각도 해본다. 모쪼록 HHO 가스를 활용한 연소 기술에 대한 연구가 좀 더 면밀히 진행되었으면 하는 바람이다.

 

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출처 : 월간수소경제(https://www.h2news.kr)

수소경제 주목되는 기술·제품 68. 캠프티의 ‘차량용 수소발생기 키트’