21. 수소연료전지차 (Fuel Cell Electric Vehicle)

1. 수소연료전지차 (Fuel cell electric vehicle)의 정의

- 수소연료전지차는 수소를 사용하여 발생시킨 전기 에너지를 동력원으로 사용하는 자동차로서 연료전지 (fuel cell)를 배터리 대신 사용하거나 배터리(battery) 또는 수퍼 커패시터(super capacitor)와 함께 사용하여 온보드 모터(on-board motor)에 전력을 공급함

수소연료전지차의 개념 (KB금융지주 경영연구소(2017)

 

2. 수소연료전지차의 원리

- 전기화학적 반응: 수소와 공기 중의 산소를 결합시켜 물, 전기, 열을 생성함.
- 효율성: 에너지 전환 과정에서 발생하는 에너지 손실이 적고 효율이 높음.

① 기체확산층을 통해 양(+)극에 수소(H2) 공급
② 촉매(백금)반응 작용으로 인한 이온분리 및 전자 방출 (H₂→ 2H⁺ + 2e⁻)
③ 음(-)극으로 생성된 전자(e) 이동
④ 공급된 산소(O2)를 이온화
⑤ 대전된 산소 및 수소 이온의 결합으로 물 생성 (2H⁺+(1/2)O₂+ 2e⁻ → H₂O)
⑥ 전기 발생

 

전기발생과정 개념도 (호라이즌퓨얼셀코리아)

 

3. 수소연료전지차의 레이아웃 및 기능 구조

- 차량주행을 위한 구동모터, 감속기, 주행과 각종 전자기기 구동에 적합한 전력의 변환을 위한 전력변환시스템을 포함하며, 윤활장치, 냉각장치, 진동저감장치 등까지 포함함

- 내연기관차, 전기차(BEV)와 유사하며, 공유(공용화)가 가능한 부품이 있음

 

수소연료전지차 레이아웃 (KISTI data insight, 수소차 글로벌 기술시장경쟁력 비교분석, 제 22호)

 

① 스택(연료전지) : 수소와 산소를 반응시켜 전기를 발생시키는 장치
② 운전장치 : 차량의 운전 상태에 맞게 수소와 공기를 공급하고 열관리를 하는 장치
③ 전장장치 : 생성된 전기를 구동에 맞게 변환하는 장치
④ 수소저장장치 : 연료인 수소를 저장하는 장치

 

수소연료전지차 시스템 레이아웃 (한국산업기술평가관리원, 2015)

 

- 고압탱크 (High pressure tank) : 수소저장용 고압용기와 이를 스택에 공급하기 위한 고압밸브, 배관류로 구성되며, 고온, 고압에서 수소 방출 및 용기파손 방지를 위한 안전장치와 수소충전장치(고압수소 충전 시, 충전소 압축기 압력, 공급유량, 고압용기 상태 등을 모니터링하여 제어하는 시스템) 까지 포함함

- 안전밸브 (TPRD, Thermal Pressure Relief Device) : 안전밸브는 수소 저장용기 내의 환경이 일정 온도나 압력을 초과할 경우 수소가스를 외부로 방출하여 화재와 폭발 사고를 예방하는 장치로 현재 수소 차단밸브와 재순환기술은 우리나라가 기술 면에서 선두를 유지하고 있음

- 배터리 (battery) : 연조전지단셀구성 (활물질, 전해질, 전극, 촉매), 연료전지 스택 구성요소 (분리판, 개스킷, 극판군, 스택)

 

5. 연료전지의 종류 및 특성 (미국 에너지부; DOE EERE)

1) 고분자전해질형 연료전지 (PEMFC; Polymer electrolyte membrane)

- 전해질 : Perfluorosulfonic acid, 120'C, 1kW-100kW 이하

- 출력밀도 높고, 중량 및 부피 적음. 저온 작동에서 빠른 시스템 구동력. 승용차, 버스, 대형 트럭 등 운송수단에 적용.

- 백업전원용(backup power), 휴대용전원(portable power), 분산형 발전(distributed generation), 운송용(transportation), 특수차량(specialty vehicles)

2) 직접메탄올 연료전지 (DMFC)

- 메탄올을 직접 연료로 사용. 시스템 소형화에 유리하며, 휴대용 전원 공급에 적합.

3) 알칼리 연료전지 (AFC; Alkaline)

- 전해질 : Aqueous potassium hydroxide soaked in a porous matirx, or alkaline polymer membrane

- 100'C 이하, 1-100kW 

- 수산화 칼륨 용액 사용, 고성능.CO2에 대한 민감도 높음.

- 군사용(Military), 우주항공산업(Space), 운송용(transportation) , 백업전원용(backup power)

4) 인산형 연료전지 (PAFC; Phosphoric acid)

- Phosphoric acid soaked in a poruos matrix imbibed in a polymer membrane

- 150'C - 200'C, 5~400 kW, 100 kW module (액체 PAFC) 10 kW 이하(polymer membrane)

- 액체 인산과 백금 촉매 사용.고정식 발전 및 열병합발전에 적용.

- 분산형 발전(distributed generation)

5) 용융탄산염 연료전지 (MCFC; Molten carbonate)

- Molten lithium, sodium, potassium carbonates, soaked in a porous matrix

- 600°~700°C, 300 kW~3 MW, 300 kW module

- 고온에서 작동, 비귀금속 촉매 사용 가능.천연가스 및 석탄 기반 발전소용 개발.

- Electric utility(전력산업), Distributed generation(분산형 발전)

6) 고체산화물 연료진저 (SOFC; Solid oxide)

- Yttria stabilized zircon, 500°~1,000. 1 kW~2 MW

- 세라믹 소재 사용, 전력변환효율 60%.고온 작동으로 인한 내구성 및 안전 문제.

- Auxiliary power(보조동력), Electric utility(전력산업), Distributed generation(분산형 발전)

 

4. 수소의 특성

- 수소의 자연발화온도 (Autoignition Temperature) : 수소는 공기 중에서 자동 점화될 가능성이 높으며, 자연 발화 온도는 약 773K에서 850K(공기) 및 773K에서 833K(산소) 사이 임.

- 낮은 최소점화 에너지 (MIE, Minimum Ignition Energy)

- 에너지 밀도가 높음: 화석연료 대비 35.7kWh/kg로 에너지 밀도가 매우 높음.
- 환경친화적: 연료가 산화될 때 CO2 배출이 없어 환경오염과 지구 온난화 문제를 해결할 수 있는 대안

• 점화원은 화재·폭발을 예방하는 중요한 요소로, 폭발한계 범위 내의 가연성 혼합가스가 형성되더라도 점화원이 없으면 화재·폭발이 발생하지 않음.
• 자연발화는 외부 점화원 없이 공기 중에서 자체 발열하여 발화점에 도달해 연소를 일으키는 현상임.
• 수소의 최소점화 에너지는 탄화수소보다 작아 약 0.017 mJ이며, 상대적으로 작은 에너지로도 점화될 수 있음.
  또한, 압력이 낮아지면 최소점화 에너지가 증가하는 경향을 보임.

- 고압의 수소 분출 시 자기발화 (Self-ignition) 위험성

수소 분출 시 연장된 배관의 길이와 분출 압력과의 상관관계

 

5. 수소 연료전지 자동차 시장전망 및 보급 계획

-  “수소 연료전지 자동차 안전성 평가기술 개발”에 대한 연구는 교통체계효율화사업으로 총 5년(2007년 12월 – 2012년 12월)에 걸쳐 연구를 수행하였으며, 사업비는 244억 원(정부 122억 원, 민간 122억 원)이 투자되었음.

- 2018년 대비 2023년에 큰 성장을 보였으며, 수요의 증가 주요 요인으로는 수소연료전지차 상용화 확산이 있음.

연구개발특구진흥재단, 2020, KISTEP 기술동향브리프, 2021-06호

 

- 교통안전공단 자동차안전연구원이 주관기관을 담당하였으며 현대자동차 등 5개 기관이 공동연구기관으로 참여하여 연구를 수행하였음.

- 아시아 지역 중심 성장, 국내 기업 시장 선도, 한국 수소차 판매 점유율 세계 시장의 49%, 정부 주도 정책적 지원과 R&D 투자 확대.

 

표 1. 세계 연료전지 시장 분야별 전망 (단위: 조원) (신재생에너지백서 2020, 한국에너지공단, 2021)

구분	2018년	2019년	2020년	2025년	2030년
가정건물용	0.45	0.51	0.55	1.82	3.86
발전용	0.86	0.94	1.28	2.9	5.09
수소전기차	0.21	0.47	0.59	3.11	19.03
수소모빌리티	0.4	0.53	0.75	3.05	15.39
휴대용전원	0.06	0.06	0.08	0.6	1.32
전자기기용	0	0	0	0.01	0.03
합계	1.98	2.51	3.24	11.48	44.72

 

 

6. 국제 기준 (수소 연료전지 자동차 안정성 규격)

- ISO 23273-3

- SAE J2578

• 연료전지 자동차의 안전성에 관한 규격으로, 충돌 시 절연유지 성능과 고전압 전기 동력 회로의 안전 기준을 제시함.
• 연료전지 모듈은 125 ohms/volt 이상의 절연유지 성능을 요구하며, 고전압 전기 동력 회로는 500 ohms/volt 이상을 요구함.
• 고전압 내압 능력을 유지하기 위해 절연, 인터록, 레이블 등의 조치와 과전류 보호장치, 전체 접합 및 접지 등의 기준을 제시함.

- FMVSS 305

• FMVSS 305는 전기를 사용하는 자동차에서 전해질 누출 제한과 충돌 시 배터리의 안전 고정, 전기절연 조건을 요구하는 안전 기준임.
• 시험은 정면, 후방, 측면 및 옵셋 충돌 조건에서 안전 기준을 충족해야 함.

1. 전해질 누출은 승객실 바깥5리터 이하로 제한, 승객실 내에서는 흔적이 확인되면 안됨.
2. 배터리 모듈은 견고하게 고정되어야 하며 전기적 격리는 500 ohms/volt 이상이어야 함. 
3. 절연 저항은 V1과 V2 전압을 측정하여 계산하며, V1이 V2보다 크거나 같으면 알려진 저항(Ro)을 사용하여 측정.

- UN ECE Regulation No. 100

• 해당 규정은 배터리 전기 자동차의 기능적 안전성과 제작에 관한 세부 요구사항을 다루는 단일 조항임.
• 주요 내용은 탑승자를 전기 쇼크로부터 보호하기 위한 절연저항과 고전압 시스템과의 직․간접 접촉 방지임. 제조 요구사항으로는 환기 시스템과 퓨즈 장착, 파워트레인 및 전기적 물질의 외부 및 전기적 절연, 충전기 시스템의 안전한 절연과 접지, 외부 전도체의 갈바닉 연결 등이 있음. 
• 기능 요구사항으로는 배터리 상태를 표시하고 경고하는 장치 설치, 정상적이지 않은 가속과 감속 방지 등이 있다. 작동전압이 일정 수준 이하인 경우에는 일부 요구사항이 적용되지 않으며, 그 이상인 경우는 절연 커버나 보호 쇠가 필요함. 저항과 내전압 시험에 대한 기준은 명시되지 않았음.

- UN GTR. 13

UN GTR No. 13