수소탱크

수소탱크(hydrogen tank) 또는 수소연료탱크( 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

수소 연료의 안전성

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 수소탱크와 수소차 충전 용기의 차이

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.

수소차의 안전성

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 에너지의 위험성

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.

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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