[기획] 수소 - 천연가스 자동차의 연구 동향
[기획] 수소 - 천연가스 자동차의 연구 동향
  • 승인 2003.10.20
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수소 - 천연가스, 안정적 연소 및 배기성능 우수
▲ 이종태 성균관대학교 기계공학과부
1. 서론



천연가스는 메탄(CH4)이 주성분인 가연성가스로서 탄소성분이 적을 뿐만 아니라 유황, 분진 등의 불순물도 거의 함유되지 않은 청정 연료이다. 또한 매장량이 풍부하고 세계 각지에 분포돼 있어 장기적으로 안정된 공급이 가능한 전망 밝은 석유계연료의 대체에너지이다.

이러한 연료특성에 의하여 천연가스를 자동차에 사용하려는 계획은 1930년대부터 유럽에서 시도돼 이탈리아와 러시아가 적극적으로 천연가스차량을 보급해 왔다. 1980년도부터는 일본, 캐나다, 미국, 중남미 및 동남아시아 등 세계 각국이 천연가스차량을 보급해 현재 2백만대 이상의 천연가스차량이 운행되고 있다. 천연가스차량은 보급대수가 급속히 증가되고 있는 추세로서 2010년경에는 세계 자동차시장의 약 10%정도를 점할 것으로 예상하고 있다.

국내에서는 최근 대도시 대기질의 조속한 개선을 위해 운행대수가 적은데 반해 상대적으로 유해배출가스의 기여도가 큰 중대형 경유 버스를 정부 주도하에 천연가스버스로 대체하고 있다. 천연가스버스는 현재 주요도시를 중심으로 3,000여대 정도 보급돼 운행 중이다. 2007년까지 전국 도시지역의 경유버스 약 2만대를 천연가스기관으로 교체할 예정이며, 또한 타 차종으로 보급을 확대할 계획이다.

천연가스자동차는 경유자동차에 비해 매연 0%, NO 13%, CO 30%, CO2 80%정도 배출해 EURO IV규제 수준에 대응할 수 있는 것으로 평가되고 있다. 그러나 기존의 천연가스 기관으로는 추후 강화되는 중대형 차량의 배기가스 규제 강화치를 만족시키기 어려울 것으로 보고 있다. 미국 캘리포니아에서는 2007년 중대형 차량의 배기가스 규제치를 2000년에 대비하여 NOx의 경우 95%, PM의 경우 80% 정도 강화시킬 계획이다. 이러한 규제치를 만족시키기 위해서는 천연가스차량에 배기가스 후처리 장치와 저공해 연소기술 등을 도입해야 할 것으로 예상된다. 유해배출가스는 근본적으로 연소에 의한 저감이 바람직하므로 저공해 연소기술에 대한 기술적 개발이 요구된다. 천연가스를 희박 연소시키는 것은 강화되는 배기 규제치를 만족시킬 수 있는 기술로 고려되고 있지만 연소속도 저하 및 연소 불안정에 대한 해결이 급선무이다.

자동차 배출가스 문제에서 어려움을 가중시키고 있는 것은 유해배출가스 규제뿐만 아니라 지구 온실효과의 원인인 CO2의 규제이다. 현재로서는 CO2 자체를 연소나 후처리기술로 저감할 수 있는 명확한 방안이 제시돼 있지 못하는 상황이기 때문이다.

이에 대한 대안으로 현재 미국, 캐나다, 유럽 등에서는 천연가스에 수소가스를 첨가하는 수소-천연가스 혼합연료(HCNG or Hythane) 동력시스템이 유력한 해결기술의 하나라고 제시하고 관련 기술개발과 실증사업에 주력하고 있다.

천연가스와 수소가스는 연소특성과 배출가스에 서로 상반된 특성이 있어 천연가스에 수소를 첨가시킬 경우 연소 및 배기특성을 획기적으로 개선시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 수소는 탄소성분을 전혀 포함하고 있지 않아 수소-천연가스 혼합연료의 사용은 온실효과의 문제가 되고 있는 CO2의 저감효과가 현저한 특징이 있다. 그리고 수소-천연가스 혼합연료의 사용은 수년 내 또는 늦어도 2020년부터 도래할 것이라 예측되는 수소시대를 맞이하여 수소사용에 대한 막연한 불안감 및 불신을 불식시키고 수소사용을 확대시킬 수 있는 부가적인 효과가 있는 신기술 분야이기도 하다.

상기와 같은 관점으로부터 본고에서는 수소-천연가스 혼합연료를 사용하는 자동차의 인식을 높이기 위해 수소와 천연가스의 연료특성, 수소를 천연가스에 첨가한 경우의 배출가스 저감효과 및 연소성능향상효과를 살펴보고 또한 세계 각국의 수소-천연가스 자동차 개발현황 등에 관해 검토하고자 한다.



2. 수소-천연가스의 연료특성 비교



천연가스는 메탄(CH4)을 주성분으로서 탄소원자 하나에 수소원자 4개가 결합돼 비교적 안정된 분자구조를 가지고 있다. 천연가스의 층류화염속도는 40㎝/s정도로 가솔린 연료에 비하여 빠르다. 그러나 연료의 질량이 작은데 따른 난류생성의 감소로 인해 기관내의 난류연소속도는 오히려 가솔린을 포함한 다른 탄화수소계 연료에 비해 느린 경향이 있다. 느린 화염속도는 희박운전영역에서 사이클 변동을 발생시킨다. 이에 반해 수소(H2)의 층류화염속도는 170㎝/s로 매우 빨라서 질량이 가장 작은데도 불구하고 난류화염속도가 비교적 빠른 특징이 있다. 가연한계는 천연가스가 5.3~15인데 반해 수소는 4~74 정도로 매우 넓어 초희박 운전영역에서도 안정된 운전이 가능하다. 수소의 넓은 가연한계와 작은 소염거리로 인해 고부하 운전영역에서 역화발생이 초래될 수 있으나 천연가스 연료와 혼합해 사용할 경우 연소특성이 상호 보완돼 이상연소의 발생을 억제할 수 있다.

수소와 천연가스는 배기가스 배출특성에서도 상반된 경향이 있다. 수소의 연료성분에 탄소성분을 포함하고 있지 않아 CO2, CO, HC 등은 연소실내로 유입된 윤활유에 의해 발생하는 미량을 제외하고는 거의 배출되지 않는다. 수소의 높은 단열화염온도(2384℃)에 의해 NOx는 증가되지만 희박연소를 시키는 경우 거의 문제가 되지 않는 것으로 보고되고 있다. 천연가스는 탄소성분이 비교적 적어 탄소관련 배출가스가 적으나, 강화되는 배출규제를 만족할 수 있는 희박운전영역에서의 좁은 가연한계, 느린 연소속도 등으로 인한 연소불안정에 기인해 유해배기가스가 증가하게 된다.

수소와 천연가스 연료는 상기와 같이 연소 및 배기가스 배출특성에 관한 장단점이 상반되므로 천연가스에 수소연료를 첨가시킬 경우 희박운전영역 확장, 유해배기가스 및 CO2 의 감소, 연소효율 증대, 사이클 변동치 감소 등의 효과를 도모할 수 있다. 또한 수소와 천연가스의 옥탄가(RON)는 각각 130 및 125이므로 수소첨가 시 희박운전영역에서 보다 높은 고압축비의 사용이 가능해져 열효율 향상을 기대할 수 있다. 천연가스에 수소를 예혼합시킬 경우의 혼합기 균질도 유지는 수소와 천연가스의 확산도가 높아 큰 문제가 없는 것으로 보고 있다.

수소와 천연가스는 밀도가 작아 공급되는 연료의 비체적이 크다. 이에 따라 동일 실린더내에 수소와 천연가스를 각각 공기와 혼합, 흡입시킨 경우 발열량은 가솔린에 비해 각각 15%와 7%정도 감소된다. 그러나 수소 또는 천연가스 연료를 실린더내 직접분사 방식으로 공급한 경우 흡입공기량이 증대돼 출력은 가솔린의 경우보다 증대할 수 있다.



3. 수소-천연가스 동력시스템의 성능 특성



가. 배기성능 개선

수소 첨가에 의한 배기성능 향상효과는 성균관대학교에서 개발 중인 수소-천연가스 동력시스템의 기초연구 결과를 바탕으로 검토했다. 사진(上)은 실험에 사용한 수소-천연가스 단기통기관의 실물사진이다. 실험용 수소-천연가스 단기통기관은 보어 111mm, 스트로크 139mm, 행정체적 1345cc, 압축비 10.5인 상용의 천연가스엔진(GE08Ti)의 주요부품을 사용해 개발했다. 수소-천연가스 단기통기관은 크게 크랭크 샤프트와 메인베어링 하우징을 포함한 크랭크 케이스부, 실린더블록 및 플라이휠 부, 실린더 헤드 및 OHC 구동부와 오일공급장치 및 냉각계통으로 구성된다.

기존 base기관의 밸브시스템은 push rod방식이나 개발한 실험용 수소-천연가스 기관은 추후 발화운전 중 압축비를 변경할 수 있도록 캠축을 헤드 상부에 설치하는 over head cam 구동방식을 채택했다. 실린더헤드와 실린더 블록부는 독립냉각방식을 채택했다.

흡기관에는 수소 및 천연가스를 각각 분사할 수 있는 분사밸브를 설치했다. 각각의 분사밸브는 수소가스 및 천연가스의 분사량 및 분사시기 제어시스템에 의해 제어된다.

상기 실험용 단기통기관으로부터 파악된 수소-천연가스 혼합연료와 천연가스의 배기특성을 비교하면(공기-연료 당량비는 λ=1.45이며, 수소첨가율은 0.34%, 기관회전수는 1400rpm).

천연가스만으로 운전한 경우 희박운전에 따른 기관운전의 불안정성에 기인해 HC는 960ppm, CO는 1.02% 정도로 다소 높게 보이나 천연가스에 수소연료를 첨가시킬 경우 HC는 90ppm, CO는 0.08% 정도로 대폭 감소되는 것을 나타낸다. 수소-천연가스 혼합 연료의 배기특성이 현저히 개선되는 것은 전술한 바와 같이 천연가스에 수소연료를 첨가시킴에 따라 혼합기의 연소가 촉진됐기 때문으로 생각된다.

수소-천연가스 혼합연료 기관에서 연료-공기당량비 λ=2.2와 수소첨가량 1.2% 조건으로 운전한 경우의 배기특성을 보면 혼합연료의 HC는 160ppm, CO는 0.03% 정도로 감소돼 연료-공기 당량비 λ=2.2 부근의 초희박영역에서도 수소-천연가스의 배 기성능이 우수함을 알 수 있다.

상기와 같은 배기성능 향상효과는 국외의 관련 연구결과들과 일치한다. 미국 NGV tech에서 8.2L급 Cummins 천연가스 기관을 수소-천연가스 혼합연료 기관으로 개조한 경우의 배기성능을 비교해 보면 여기서 수소-천연가스의 조성비는 30/70이며, weighted 8 모드로 측정한 결과이다. 그림에서 보는 바와 같이 수소-천연가스기관은 천연가스기관에 비해 NOx, THC, NMHC, CO가 현저히 저감되는 우수한 배기성능을 나타낸다.

덴마크 Technical university에서 50% 수소함량의 CO 배출량을 천연가스의 경우와 비교할 경우 수소-천연가스의 CO 배출량은 전반적으로 천연가스에 비해 현저히 적으며 특히 희박영역에서의 CO 저감율이 매우 현저한 것을 알 수 있다.

Florida solar energy center에서는 수소-천연가스기관의 단위 출력당 THC 배출량을 조사한 결과 연료공기당량비 φ=0.7에서 50%의 수소를 혼합시킨 경우 천연가스에 비해 80%까지 감소된다고 밝혔다. 또한 수소를 30%까지 첨가시킬 경우 사이클 변동치는 동일 연료 공기당량비 조건에서 85%까지 저감됨을 나타냈다. Sandia National Lab.에서는 수소 30%, 천연가스 70% 조성의 혼합연료를 사용해 정격운전조건에서 NOx 배출량이 캘리포니아의 무공해 자동차 배출가스 기준치 이하를 만족하고 40% 이상의 고효율 달성이 가능하다고 보고하고 있다.

상기와 같은 실험결과에서 나타난 바와 같이 천연가스 연료에 수소가스 연료를 첨가한 수소-천연가스 혼합연료의 경우 천연가스만을 사용한 경우보다 매우 희박한 연료-공기당량비 조건에서도 안정적인 연소가 가능하고 배기성능 또한 우수한 것이 보여졌다.



나. 연소성능 향상효과

연료-공기 당량비 변화에 대한 천연가스기관의 사이클 변동을 보면 천연가스 기관은 공기-연료당량비 λ=1.432 조건에서 사이클 변동치가 약 12%정도이지만 더 이상의 희박운전조건에서는 안정적인 정상운전이 어려운 것을 나타낸다.

천연가스 기관의 λ=1.8 이상에 해당하는 희박운전조건에서 수소가스 연료를 첨가한 경우의 사이클 변동을 보면( 여기서 수소가스 첨가량은 약 4.88mg/

cycle이다.) 천연가스 연료에 수소를 첨가한 경우는 공기-연료당량비 λ=1.8~2.2의 희박영역에서도 1% 정도의 사이클 변동치를 나타낸다. 전술한 바와 같이 천연가스만으로 운전한 경우는 공기-연료당량비 λ=1.5이상에서 정상운전이 어렵지만 수소를 첨가한 경우는 λ=2.2 이상에서도 안정적인 운전이 가능한 것을 확인할 수 있다.

천연가스 연료에 수소가스를 첨가할 경우의 혼합연료 연소특성을 파악해 보기 위해 천연가스만으로 운전한 경우와 미량의 수소가 첨가된 혼합연료의 연소기간을 비교(여기서 공기-연료 당량비 λ는 1.4이며, 수소첨가율은 질량비로 0.34%에 해당한다.) 천연가스에 수소가스를 미량 첨가한 경우 전연소기간은 천연가스만으로 운전한 경우보다 다소 감소하는 것을 알 수 있다. 첨가되는 수소가스량이 미량이므로 주연소기간과 후기연소기간은 대체로 비슷하지만 수소-천연가스의 초기연소기간이 천연가스에 비해 뚜렷이 감소하는 것을 나타낸다. 수소-천연가스 혼합연료의 초기연소기간이 천연가스 보다 빨리 진행되는 것은 수소의 빠른 연소특성과 넓은 가연한계 특성에 의해 초기화염의 성장이 촉진된다는 것을 의미한다. 수소 혼합량을 증가시키면 연소기간은 전반적으로 현저히 감소된다.

각 공기-연료당량비 조건에서 수소첨가율 증가에 따른 수소-천연가스 기관의 토크를 보면 공기-연료당량비 λ=1.2이하에서는 수소 첨가율이 증가할수록 출력은 감소하는 경향을 나타내나 공기-연료당량비 λ=1.4이상에서는 반대로 증가하는 경향을 나타냈다.

이러한 출력증감 현상을 보다 면밀히 살펴보기 위해 각 수소첨가율에서의 공기-연료 당량비 변화에 대한 이론공급열량을 조사했다. 이론공급열량은 공기-연료 당량비 λ=1.4미만에서 수소첨가율이 증가함에 따라 감소하는 경향이지만 공기-연료 당량비 λ=1.4이상에서 수소첨가율이 증가할수록 공급열량이 증가하는 경향을 나타낸다.

이와같이 공기-연료 당량비 λ=1.4부근을 기준으로 수소첨가율 변화에 대한 공급열량 증감 경향이 상반되게 나타나는 것은 동일 행정체적 내 수소와 천연가스의 몰수 및 발열량 차이 등의 요인이 연료-공기 당량비조건에 따라 상반된 영향을 미치기 때문으로 생각된다.

수소-천연가스 동력시스템은 주로 공기-연료 당량비 λ=1.6 이상의 희박영역에서 운전되므로 동일 공기-연료당량비 조건에서 천연가스기 관에 수소 첨가에 의한 출력감소 문제는 현저하지 않을 것으로 판단된다. 그러나 수소-천연가스 기관의 경우 희박운전영역의 확장으로 공급연료량 자체의 감소에 의한 출력저감이 문제시될 수 있으므로 이에 대한 대책 마련이 필요하다.



4. 수소-천연가스 자동차의 기술개발 현황



현재 세계 각국에서는 정부 및 산학연을 중심으로 수소-천연가스 자동차의 개발을 위한 기술개발 프로그램을 활발히 수행하고 있다. 주요기술개발 선진국의 수소-천연가스 자동차 관련 개발현황은 다음과 같다.

미국의 DOE에서는 수소-천연가스 중대형 기관 개발사업의 일환으로 i)수소-천연가스 전용기관 설계 ii)최적 수소혼합율 iii)수소첨가 희박연소 안정화 기술 등의 세부과제에 대한 개발연구를 진행하고 있다. 수소-천연가스 기관의 성능 개발목표는 CO < 1ppm, NMHC < 0.05 g/hp-hr, NOx < 0.15g/hp-hr으로 집약된다. 현재 DOE는 LA에 2대의 HCNG 버스를 시험운행중이며 추후 5대를 추가할 계획이다. 또한 캘리포니아 세크라멘토에서는 4년동안 1,200만$의 예산으로 연료전지차량을 포함한 수소-천연가스 버스 실증사업을 NRG Tech, Yolo County Transit Authority 등과 공동으로 추진하고 있다. 이밖에도 Clean-City 사업으로 주정부 차원에서 수소-천연가스 차량에 대한 기술개발 및 실증사업을 진행하고 있다.

캐나다에서는 1995년 몬트리올 파일롯트 프로젝트를 통해 2대의 hythane 버스가 대중교통수단으로 실증, 평가되었다. 2003년도 수소-천연가스 기관의 기술개발은 AUTO21 프로젝트하에서 1,00만$ 정도의 기술개발비가 투자된 것으로 알려졌다.

HCI사에서는 HythaneTM 이라는 수소-천연가스 혼합연료를 개발하여 미국과 캐나다에 기술특허와 상표등록를 마친 상태이다.

일본은 1993년부터 시행된 WE-NET 프로그램의 일환으로 수소-천연가스 동력시스템에 관한 기술개발을 진행 중이다. 그리고 21세기 수소에너지 시대의 도래에 대비하기 위해서는 수소-천연가스 혼합연료의 사용이 불가피할 것으로 전망하고 장기적으로 아시아 전역에 걸쳐 hythane가스 공급라인을 구성하는 것을 계획하고 있다.

NRG F150는 Ford 가솔린 5.4L 엔진을 베이스로 개조하였고 200마력 이상의 출력을 발생하면서 캘리포니아의 SULEV 기준치 이하를 만족시켰다. 이러한 배기성능은 초경량 초소형의 67마력급 혼다 하이브리드 자동차 경우보다 우수한 것으로 평가된다. 특히 수소-천연가스 차량은 CO의 배출량에 있어 하이브리드 차량에 비해 절반 정도로 감소됐다. NRG F150은 2002년 국제 저공해 차량 대회인 Michelin challenge bibendum에서 top honor cleanest ice engine으로 수상된 바 있다.

NRG는 미국 네바다주와 공동으로 수소-천연가스 차량의 유용성을 평가하기 1997년 차량 platform을 개발했다.

이 차량은 무공해자동차 수준의 배기성능을 나타냈으며 라스베가스의 clark county에서 운행 중이다.

Nova bus는 hythane(H2:15~25%) 압력저장탱크(392L) 4개를 차량의 지붕에 설치됐고 출력 175㎾, 충전운행거리 400km정도의 성능을 나타낸다. 차량개발에는퀘백정부 지원 2,00만$를 비롯한 총 5,00만$ 정도가 소요됐다.

미국은 Sunline의 대륙횡단 수소-천연가스 충전소를 설치하고 2대의 시험버스를 운전하고 있으며 추가적으로 34대 정도의 시험차량을 운행할 계획이다.

국내의 경우는 대체에너지 기술개발사업의 일환으로 수소-천연가스를 이용한 중대형 동력시스템 이용기술개발에 관한 기초기술 및 요소기술 확립 연구를 2002년에 NGV Tec이 주관하고 대우종합기계, 성균관대학교가 참여하고 있다. 수소-천연가스 중대형 기관의 연료공급 제어장치 및 시작 엔진의 개발과 기초 연소특성을 해석하는 단계이다. 수소-천연가스 차량의 실증연구는 아직 착수돼 있지 않은 상황이다.



5. 개발 가능기술 및 전망



천연가스 차량의 도입으로 인한 배출가스 저감 효과는 경유차 기준으로 약 70%정도이며 매연은 전혀 배출되지 않는 장점이 있다. 이러한 배기특성으로 인하여 서울의 시내버스를 천연가스 버스로 대체하는 경우 20%이상의 자동차공해 저감효과가 있을 것으로 예상하고 있다. 따라서 최근 저공해 차량으로서 천연가스 차량 보급이 국외는 물론 국내에서도 활성화되고 있는 것은 바람직한 것으로 생각된다. 그러나 천연가스차량은 디젤이나 가솔린차량 등에 비해 상대적으로 저공해이지 수소나 전기차량과 같이 거의 무공해에 가까운 차량은 아니다. 특히 온실효과에 관여하는 CO2 발생의 측면에서는 제약이 따른다.

이에 반해 수소를 첨가하는 수소-천연가스 혼합연료 자동차는 유해배기가스 및 CO2 발생을 동시에 해결할 수 있는 신기술이다. 또한 현재 개발 및 상용화 되고 있는 천연가스기관 및 자동차 개발 기술과 각종 인프라등을 적극 활용할 수 있으므로 기술보급에 소요되는 경제적비용을 최소화할 수 있다.

수소-천연가스 혼합연료의 사용에 의한 배기 및 연소성능향성은 수소가 첨가되는데 따른 혼합연료중의 탄소성분 감소, 연소속도와 연료의 비열비 증가와 고압축비사용 등에 의한 영향이 기인할 수 있다. 그러나 수소의 큰 비체적에 의해 흡입공기량이 감소돼 단위질량당의 발열량 큰데도 불구하고 기관출력이 감소하게 된다. 수소-천연가스기관을 공기-연료당량비 λ=1.4이상의 희박운전영역에서 운전시키는 경우에는 약간 기관출력이 증가되는 경향이 있다. 그렇지만 수소-천연가스 자동차는 근본적으로 고희박영역에서 운전하므로 출력저감이 실용상의 문제로 대두된다.

출력저감에 대한 근본적인 해결책으로는 혼합연료를 실린더내에 공급하는 직접분사방식을 들 수 있다. 비체적이 큰 수소를 실린더내로 직접분사 할 경우 흡입공기량의 감소를 회피할 수 있어 고출력을 얻을 수 있다. 이는 직접분사식 및 흡기관 분사식기관의 토크 특성으로부터 확인할 수 있다. 그림에서 보는 바와같이 직접분사식 수소기관의 최대토크는 27Nm로 흡기관 분사식의 15Nm에 비해 약 80%정도 증가함을 알 수 있다. 그러나 실린더내 직접분사방식의 경우에는 혼합기간의 감소로 혼합기의 균질도가 저하되므로 흡기관 분사식에 비해 열효율이 향상 기술개발이 중요하다. 또한 기밀성과 응답성이 우수한 고압가스분사밸브의 개발이 요구된다.

수소-천연가스 혼합연료자동차의 수소공급시스템은 다음과 같은 것을 고려할 수 있다.

첫째로 천연가스에 수소를 일정량 미리 첨가해 공급하는 방식이다. 즉 hythane을 만들어 기존의 천연가스와 동일한 방법으로 연료를 공급하는 것이다. 이 방법은 기관의 개조 및 공급 인프라 부분에서 비교적 용이한 것으로 볼 수 있다. 수소-천연가스 혼합연료 기관은 요구되는 부하 및 기관회전속도에 따라 첨가되는 수소의 양이 제어되는 것이 바람직하다. 그러나 상기의 방식은 미리 일정 비율로 수소가 첨가돼 있으므로 첨가되는 수소의 양을 제어하기 힘든 점이 있다.

둘째는 수소와 천연가스 공급라인을 별도로 하는 방식이다. 이 방식은 운전조건에 따라 수소 첨가량을 제어할 수 있다. 또한 출력을 증가시키기 위해 천연가스는 흡기관 쪽으로 공급하며, 비체적이 크고 연소속도가 빠른 수소가스를 실린더 내에 직접 분사시키는 방법을 사용할 수 있는 장점이 있다. 복수 연료공급시스템을 갖는데 따른 구조의 복잡성, 비용증가와 수소공급 인프라를 천연가스 공급인프라 시설에 동시에 설치해야 한다는 점은 해결해야할 문제이다.

상기의 두 방식은 수소를 미리 천연가스에 첨가하거나 또는 별도의 공급시스템을 갖는데 따라 정도에 차이는 있으나 인프라 시설의 확립이 수소-천연가스 차량의 보급에 주요 관건이 될 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해서는 기존의 천연가스만을 공급하는 방식을 사용하는 것이 가장 바람직하다. 셋째는 천연가스로부터 수소를 발생시켜 천연가스에 첨가하는 방식이다. 이 방식은 기존의 천연가스 인프라를 활용하면 되므로 단기간내 보급을 할 수 있고 경제적 비용의 측면에서 바람직하다.

수소-천연가스혼합연료에 첨가되는 수소의 양은 질량비율로 수%에 지나지않으므로 수소발생기의 효율은 큰 문제가 되지 않을 것이다. 그러나 가능한 효율이 좋고 차량용으로 소형경량인 것이 요구된다. 또한 수소개질기와 같은 수소발생기에서 생성되는 가스는 수소뿐만 아니라 CO 등이 포함되므로 상기와 같이 각종의 가스가 공급되는 경우의 연소성능 최적화 및 고효율화와 관련된 제반기술의 확립이 필요하다.

주지의 사실과 마찬가지로 천연가스 차량은 청정 및 저공해 자동차이나 추후 무공해성능을 이루기 위해서 많은 개선이 필요하다. 기존의 천연가스 자동차의 특성을 유지하고 경제적으로 무공해성능을 확보할 수 있는 것은 수소가스를 첨가하는 수소-천연가스 혼합연료 자동차가 범주 안에 든다. 수소-천연가스기관 및 자동차는 미국을 비롯한 선진국에서 관련 기술개발과 시험차량 평가사업 등을 진행하고 있으므로 향후 단기간 내에 수소-천연가스 자동차의 보급이 거론될 것으로 예측된다.

미래는 수소에너지 시대라는 전망이 지배적으로 수소이용 기술 확립에 관한 연구가 최근 활성화되고 있다. 수소이용기술로서 연료전지가 유용한 것으로 거론되고 있지만 상용화 가능시기의 예측은 다양하다. 이로 인해 수소연료를 사용하는 내연기관은 아직 유력한 기술로 간주되고 있다.

수소이용기술을 대중화시키기 위해서는 수소에너지에 대한 불안감 등과 같이 사회적으로 부정적인 인식을 불식시켜야 된다. 수소-천연가스 자동차는 수소와 천연가스를 동시에 사용하므로 본격적인 수소에너지시대의 도래에 앞선 기술적 완충단계로서 수소에너지에 대한 불신을 불식시키고 수소의 사용을 점진적으로 증가시키는 효과가 있는 기술로 볼 수 있다.

국내의 수소-천연가스 혼합연료 기관 및 자동차 개발 연구는 초기개발 단계이다. 그러나 수소 및 천연가스의 연소기술과 연료공급시스템의 개발과정에서 일정정도의 관련기술을 축적한 상황이므로 선진국과의 기술격차를 단기간 내에 좁힐 수 있다. 수소-천연가스 자동차 개발기술은 수소시대에 대처하며 천연가스의 이용을 극대화 할 수 있고 단기간 내에 국내자체 이용기술개발 마련이 가능한 실용적인 기술로 볼 수 있다. 따라서 천연가스 이용촉진 및 수소에너지 이용기술확립의 측면에서 범국가적인 관심을 두는 것도 바람직 한 것으로 생각된다.


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