수소탱크

수소탱크(hydrogen tank) 또는 수소연료탱크(영어: hydrogen fuel tank)란, 수소자동차에서 수소 연료를 저장하는 탱크 장치이다.

개요

수소탱크는 차세대 연료 저장고로서, 고정식 동력, 휴대용 동력 및 운송을 포함하는 애플리케이션에서 수소 및 연료전지 기술을 발전시키는 핵심 기술이다. 이미 압축천연가스(CNG) 탱크용 기술을 개발한 것과 같이 자동차 산업의 요구를 충족시키기 위해 수소탱크의 재료와 설계 원리를 테스트하는 것은 매우 중요하다.

안전

수소는 안전한 연료인가

수소경제 로드맵을 발표하면서 정승일 산업부 차관은 "수소에너지와 수소폭탄은 전혀 다르다"며 "수소는 가장 안전한 연료로 평가받는다"고 말했다. 실제로 수소폭탄(핵융합반응)과 수소탱크 폭발(산화환원반응)은 개념·원리가 다르다. 또 정부는 종합위험도 분석에 따라 가솔린·프로판·메탄보다 수소가 안전하다고 설명한다. 이에 따르면 수소의 위험성을 1이라고 볼 때, 가솔린(1.44)·프로판(1.22)·메탄(1.03)이 모두 상대적으로 더 위험하다. 하지만 이는 4가지 연료를 항목별로 1~4위로 나눠 15개 항목 순위의 평균을 단순히 합산해 상대점수로 변환한 수치다. 예컨대 인화점이 낮은 순서대로 순위를 부여하고, 가솔린에 1점, 메탄에 2점, 프로판에 3점, 수소에 4점을 부여한다. 정부의 설명에 이덕환 서강대 화학과 교수는 “‘수소가 안전하다’는 말은 틀렸다”고 반박한다. 대신 “‘수소를 안전하게 관리할 방법은 있다’는 표현이 정확하다”고 설명했다. 화학을 전공한 대다수의 전문가도 ‘수소는 위험한 물질’이라는 표현에 동의한다. 워낙 폭발범위가 넓고 폭발 규모가 커서다. 공기 중 수소 농도는 많아도(75.6% 이내) 폭발하고, 적어도(4% 이상) 폭발한다. 우리가 위험하다고 생각하는 액화천연가스(LNG·(5.3~15.0%)보다 폭발범위가 7배나 넓다. 또 메탄(0.28 MJ)·프로판(0.25 MJ) 등 다른 연료보다 쉽게 불이 붙고(0.013 MJ·최소착화에너지), 불이 붙으면 LNG보다 10배나 큰 대규모 폭발이 발생한다.

강릉 수소탱크 폭발 사고에서 폭발한 탱크와 수소차 충전 용기와 동일한가

박기영 산업통상자원부(산업부) 대변인은 “전혀 다르다”고 설명했다. 사실이다. 폭발한 수소탱크는 연구실험시설용 용기다. 강철을 용접해 만들었다. 때문에 용접 부위에 이음매가 존재한다. 하지만 시중에서 볼 수 있는 수소차·수소충전소 충전 용기는 탄소 복합섬유로 제작했다. 재질이 강철보다 10배 이상 강력한 데다, 충격을 받으면 폭발하는 대신 찢어지면서 수소가 새어 나간다. 수소는 밀도가 낮아 누출하면 대기 중으로 빠르게 퍼진다. 다만 이 수소는 특별한 압력을 가하지 않아도 작은 불씨를 만나면 대규모 폭발로 이어질 수 있다.

수소차는 안전하다고 봐도 되나

수소탱크도 다르지만, 각종 안전장치도 겹겹이다. 현재 국내서 유일하게 수소차를 시판하는 현대자동차(HYUNDAI MOTOR COMPANY)는 실시간 수소 누출을 모니터링하는 장치(수소누출 감지 센서)를 수소차 연료 공급 시스템 곳곳에 적용했다. 센서가 수소 누출을 감지하면 수소탱크 밸브를 차단하고, 수소탱크 온도가 상승하면 강제로 수소를 배출한다. 또 수소탱크가 폭발하지 않도록 화염방지물질(내화재)을 적용해 차가 완전히 불타도 수소탱크가 폭발할 가능성은 작다.

수소 에너지가 위험하다면 포기해야 하나

안전성과 경제성을 동시에 고려해서 판단할 문제다. 지금 기술로는 안전성이 다소 미흡한 부분도 존재하는 것이 사실이다. 그렇다고 당장 수소를 포기할 문제는 아니다. 수소가 미래의 에너지원으로 부상할 가능성이 있기 때문이다. 위험하더라도 경제성이 뛰어난 기술이 등장한다면 써야 한다. 도시가스가 위험하지만, 대중화한 것과 마찬가지다. 태양광·풍력 등 신재생에너지처럼 수소기술도 장기적 기술 개발이 필요한 미완성 기술이다.

수소 전기차의 수소 탱크 안전 사양

수소전기차 수소탱크의 내피는 수소의 투과를 최소화하는 폴리아마이드 라이너로, 외피는 700bar의 높은 압력을 견디는 탄소섬유 강화 플라스틱으로 만들어졌다. 수소전기차의 수소탱크는 낙하 충격 실험, 총격시험, 화염시험 등 국내외 각종 인증시험을 통해 안전성을 검증받았다. 수소탱크, 연료 공급 시스템, 연료전지 스택에는 실시간으로 작동하는 수소 누출 감지 센서가 마련돼 수소가 조금이라도 누출되면 빠르게 대처할 수 있다. 수소전기차의 연료전지 시스템은 수많은 돌발 상황에 대비해 안전하게 제어할 수 있도록 설계되어 있다. 수소전기차는 내연기관 차량과 동일한 조건의 안전성 평가와 함께 추가로 수소탱크 인증시험까지 받아 안전성을 확보한다.

수소 저장 탱크 구조

부피가 큰 수소를 압축하여 저장하는 용기로 수소차 재료비의 20%, 전체 원가의 12%를 차지하고 수소의 중량당 에너지 밀도는 가솔린의 3~4배지만, 면적당 에너지 밀도는 가솔린의 25% 수준이다. 따라서 최대한 압축하여 저장해야 효율적인 사용이 가능하다 저장 방식으로는 고압 수소가스 저장, 액체수소 저장 등. 대부분의 완성차 업체들은 고압 저장방식을 사용하고 있으며 비엠더블유(BMW)는 액체 수소 저장 방식을 개발 중이다. 수소 저장 용기는 700bar의 높은 압력과 수소가스 충·방전 시 약 -40도~80도까지의 온도를 견뎌야 한다. 수소전기차는 순수한 수소를 연료로 사용한다. 수소는 끓는점이 -252.87℃로 상온에서 기체 상태로 존재한다. 기체는 부피 당 밀도가 낮아 보관에 매우 큰 공간이 필요하다. 연료로서 효용성이 떨어지는 것이다. 따라서 같은 공간에 더 많은 수소를 보관하기 위해선 고압으로 압축해야 한다. 수소전기차가 700bar(약 690기압) 수준으로 압축한 고압 수소를 연료로 사용하는 이유다. 수소전기차에서 이 고압 수소를 안전하게 보관하는 부품이 바로 수소 연료 탱크다. 수소전기차 연료 탱크의 외피는 700bar의 높은 압력을 견딜 수 있는 탄소섬유 강화 복합재로 제작하며, 내부에는 내구 복원력이 뛰어난 폴리이미드(나일론 소재) 라이너를 삽입한다. 연료 탱크에서 고압으로 보관된 수소는 2단계 감압 장치를 거쳐 연료전지 스택에 전달된다. 저장부터 공급까지, 수소를 연료로 사용하기 위한 다양한 기술들이 시스템에 반영된 것이다.

그리고 전기적 신호에 의한 수소가스 차단 및 공급 기술, 외부 충격에 터지지 않는 견고함 등이 요구됨 수소차를 20년 이상 사용할 수 있으려면 내구성과 연비를 고려한 경량화 기술이 필요. 이를 위해 플라스틱 라이너로 탄소를 봉인하고 카본 파이버를 수천 번 감아 용기를 제조한다. 1kg 수소로 100km 정도 주행이 가능하며, 현재 상용화된 수소전기차에는 2개의 용기에 5~6kg의 압축 수소를 실어 500~600km의 주행이 가능하다.

수소차란

수소전기차(FCEV)는 차량에 저장된 수소와 대기 중의 공기의 결합으로 생성된 전기로 운행이 되는 100% 무공해 차량을 말한다.

수소차 개요

수소전기차(FCEV)는 차량에 저장된 수소와 대기 중의 공기의 결합으로 생성된 전기로 운행이 되는 100% 무공해 차량으로 전기 생성 과정 중 배출하는 것은 순수한 물(H2O)뿐이다. 전기를 만드는 과정에서 대기 중에 있는 초미세 먼지 (PM2.5)를 99.9% 이상 제거하는 기능이 있어 ‘달리는 공기청정기’로 불리기도 한다. 내연기관 차량의 연료탱크 대신 수소를 저장하는 탱크를 탑재한 수소전기차는 내연기관 차량과 유사한 수준의 항속거리뿐만 아니라 수소 충전 시간 또한 내연기관 차량의 주유 시간과 동등한 3~5분이면 충분하다. 또한 수소전기차는 전력계통을 상용 전원 발전기로 활용이 가능하여 차량 외부로 전력을 공급할 수 있다.

원리

우선 차량 외부에서 흡입된 공기를 필터로 걸러 산소를 만들어낸 다음 이를 차내 수소탱크에 저장된 수소와 연료전지 스택(전기 발생 장치)에서 결합한다. 이때 연료로 들어가는 수소는 세상에서 가장 가볍고 작은 원소로 상온 대기압에서 무색·무취·무미의 기체 상태이지만 산소와 결합을 통해 연소시키면 물로 생성된다. 수소전기차는 수소의 이런 성질을 이용한 것이다. 수소전기차의 연료전지 음극에 수소를 흘리고 양극에 산소를 공급하면 음극에서 수소 분자가 수소이온과 전자로 분리되고 수소이온이 전해질 속으로 이동해 양극으로 전달된다. 이런 과정을 거치면서 두 전극 사이에 전기가 발생하고, 이 에너지로 모터가 돌아가면서 차량이 구동하게 된다. 양극에서는 수소이온과 산소가 결합해 부산물로 물(수증기)이 생긴다. 이외에 이산화탄소 등 공해 물질이 전혀 나오지 않기 때문에 '궁극의 친환경 차'로 불리기도 한다.

장점

• 배기가스가 없다. : 일반 휘발유와 같은 석유 연료로 움직이는 자동차들(=내연기관)은 주행하면서 '배기가스'를 내뱉는다. 일산화탄소, 탄화수소, 질소산화물 등이 바로 이러한 것들이다. 이들은 스모그, 황사, 미세먼지 등과 같은 대기오염을 발생 시켜 우리의 건강에 해를 끼친다. 그런데 수소연료전지 자동차의 경우에는 이러한 배기가스가 전혀 배출되지 않는다. 주행하면서 내뱉는 부산물로는 단지 '물(H2O)'을 뿐이다.
• 공기를 정화한다. : 실제로 수소차를 '달리는 공기청정기'라고 일컫을 정도로 공기 정화를 잘한다. 이유는, 전기를 발생시킬 때 수소와 산소'가 반응하는데, 이때 들어오는 '산소'는 대기 중의 공기를 받아들여, 차 내부의 필터를 통해 순도 99.9% 산소로 정화해 사용하기 때문이다. 따라서 실제로 공기청정기가 갖추어진 자동차인 셈이다. 실제로 수소연료전지차 '현대 넥쏘(NEXO)'의 경우, 1시간 주행 시 성인 48.9명이 한 시간 동안 호흡하는 공기량을 정화할 수 있으며, 넥쏘를 1만 대 운행 시, 60만 그루의 나무를 심었을 때의 탄소 저감 효과가 있다고 한다.

아래는 현대차 넥쏘의 공기정화 과정이며, 다른 수소연료전지차도 거의 비슷하다고 보면 된다.

1. 대기 중의 공기가 차 내부로 유입이 되면, '공기필터'에서 2.5㎛ 이하의 초미세먼지를 97% 이상 제거한다.
2. 막 가습기에 있는 가습용 막을 통해 2차로 초미세먼지를 제거한다.
3. 마지막으로 연료전지 스택 내부에 있는 미세기공 구조의 탄소섬유 종이로 된 기체 황산층에서 0.1㎛ 이하의 초미세먼지를 제거하는 방식으로 이 3단계를 통해 99.9%의 깨끗한 공기로 정화를 시킬 수 있게 된다.

• 저렴한 수소연료 단가 : 전기차와 비교 시, km당 연료비는 비싸지만, 석유 연료를 사용하는 내연기관과 비교 시 저렴하다. KTB 투자증권의 '수소차 산업의 현재와 미래'라는 보고서를 보면, 현대차의 넥쏘의 경우, 연료비는 km당 73원. 테슬라 모델3 전기차의 연료비는 km당 25원이라 한다. 하지만, 휘발유 가격 1,300원/리터, 15km/l의 연비를 가지고 있는 내연기관의 경우, km당 87원이다. 전기차보다는 높지만, 내연기관보다 낮다는 점에서 수소연료의 단가는 장점으로 나타난다.
• 빠른 충전에도 더 긴 주행거리 가능 : 이는 전기차와 비교했을 때, 장점인데 현대 넥쏘의 경우, 수소 용량 6.33 kg를 완충하는데 충전 시간은 5분 정도이며 609km를 달릴 수 있다고 한다. 반면 전기자동차 테슬라 모델3의 경우 배터리 용량 50kWh를 20분간 급속 충전해 350km를 달릴 수 있다고 한다.

단점

• 안정적인 공급망 부재와 친환경 모순. :

1. 물의 전기분해를 통해 수소를 얻는 방법은, 수소 전환 효율성이 낮아 생산량이 적고, 추가적인 전력 사용이 필요하다는 점에서 생산비용이 비싸다는 단점이 있다.
2. 부생수소를 이용하는 방법의 경우, 국내에서 가장 많이 사용하는 방식이며 수소추출 방식 중 가장 저렴, 이 부생 수소 합은 상당 부분 정유·화학의 원료로 사용되기에, 이 부생수소를 마음껏 끌어쓰기에는 힘든 상황이다. 즉, 이 부생수소로 대량의 수요를 감당하기에는 한계가 있다.
3. 천연가스로부터 수소를 추출하는 방법으로, 세계 총 수소 생산의 절반 이상을 차지하고 있을 만큼 대량 생산이 가능하다. 또한, 이 방식은 수소 생산에서 상대적으로 '저렴한 방법'으로 꼽힌다. 하지만, 탄소에 붙어있는 수소를 떼어내는 것이므로 결과적으로 탄소 유발, 온실가스 발생을 시킨다는 점에서 '친환경 자동차'라는 타이틀에 모순이 발생한다. 물론 이렇게 100% 친환경은 아니라 하더라도, 지금 이용하는 석유화학 연료와 비교 시 친환경적이다.

• 주변 인프라 부족. (전국 수소충전소 개수/현황) : 전기차 배터리 충전소도 지금 인프라가 부족해서 충전에 애를 먹고 있는 상황인데 수소충전소의 경우 이보다 더욱 부족한 상태이다. 수소청전소의 경우, 19년 6월 기준 전국 17개소이며, 2022년까지 수소전기차 6만7천 대 / 수소충전소 310개소 확대, 2040년까지 수소전기차 290만대 / 수소충전소 1,200개소 확대 계획이라고 한다.
• 에너지 효율 : 수소차의 연료전지에서는 산소와 수소를 결합해 열과 전기에너지를 생성한다. 이때 이 열에너지는 운행이 불필요한 에너지이며, 되려 추가로 에너지를 소비하여 냉각수로 식혀줘야 한다. 즉, 버리는 에너지가 많다는 것이다. 실제 수소차 에너지 효율은 전기차보다 절반밖에 되지 않는다고 한다.

참고자료

• 〈수소연료탱크〉, 《위키백과》
• 타민 피터 시디키 박사, 〈강하면서 경량인 전기차용 수소 연료 탱크를 개발하는 방법〉, 《DSM》, 2018-10-02
• 문희철, 〈(팩트체크) 수소탱크 폭발했는데 수소차는 안전합니까〉, 《중앙일보》, 2019-05-28
• 〈All About FCEV(수소전기차) 2수소전기차, 얼마나 안전할까?〉, 《현대모터그룹》, 2019-09-06
• 현대자동차, 〈(다가온 수소사회) 수소전기차는 어떻게 움직일까?〉, 《HMG 저널》, 2020-06-12
• 다이어리, 〈수소차 구조 및 원리 (FCEV / 연료전지 / 스택 / 수소 저장 탱크 / 충전소 / 백금 / MEA / 현대차)〉, 《네이버 블로그》, 2018-12-20
• 글쓴이, 〈자동차의 역사를 바꾸다, 수소전기차〉, 《HMG 저널》
• 윤보람, 〈자원고갈 없고 공기정화 기능까지…수소차의 구동원리는〉, 《연합뉴스》, 2019-01-17
• 정리남 꿈꾸자인생, 〈수소연료전지자동차(수소차) 장점과 단점은?! (공기정화원리, 수소채취방법, 부생수소?)〉, 《티스토리》, 2020-10-09

같이 보기

• 수소
• 연료
• 탱크
• 수소자동차
• 수소에너지
• 수소경제

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