수소저장소재 기술 연구 동향 2 (수소의 저장: 기체형태의 수소저장)
1. 수소에너지 저장의 개요 (1) 수소에너지 저장
- 수소전기차, 수소연료전지 등을 비롯한 수소에너지에 대한 관심증가와 생산된 수소를 기반한 수소에너지 경제의 실용화를 위해 수소 연료의 안전하고 효율적인 운송과 저장 그리고 충전소를 통한 공급이 필요하다. 이중에서 수소 저장은 운송 및 충전과 밀접하게 연계되어 있어 수소를 안정적이고 경제적으로 공급하기 위해서는 수소의 저장기술이 필수적이고 이와 관련된 기술 및 경제적 이슈도 함께 있다.
- 수소 에너지 저장기술에서 가장 가볍고 작은 분자인 수소는 기체와 액체 상태에서도 아주 작은 밀도를 가지므로, 수소의 안전하고 효율적인 저장 및 운송을 실현하는 방법은 수소의 대규모 응용에 대한 핵심 문제 중 하나이다. 예컨대, 기체 수소 밀도는 0.0838kg/m³로서, 공기 밀도(1.29 kg/m³)의 약 7% 정도이고, 액체수소의 밀도는 70.8kg/m³로서 비중이 0.0708이며, 물 밀도의 약 7%
정도이다. 단위 무게가 차지하는 부피(비용, specific volume)의 경우, 기체와 액체상태 수소 비용은 각각 11.9m³/kg (기체, 20℃와 1기압)와 0.014m³/kg (액체, -253℃와 1기압)이다. 수소저장압력을 높이면 팽창률이 증가하나, 기체수소를 아무리 압축해도 액체수소의 팽창률에 도달할 수는 없다.
- 수소 에너지밀도(= 연료의 에너지함량 (저위발열량, LHV(Lower Heating Value) X 밀도, 연료무게당 에너지 양 (Joule/m³))는 연료 내에 수소원자가 얼마나 조밀하게 저장되어 있는가를 나타내는 척도이다. 그러나 상기한 바와 같이 작은 수소밀도로 인해 수소의 에너지밀도 역시 작으므로, 단위무게 당 에너지의 비는 어떤 연료보다도 크게 되고, 에너지 연료로 사용되기 위해서 대량의 수소가 필요하므로 수소의 저장에 대한 많은 연구가 진행되었다.
- 특히 대규모 수소 저장은 풍력 및 태양광 발전 등과 같은 신재생에너지 발전에서 장기 간헐적인 전력 생산의 균형을 맞추기 위한 몇 안 되는 저탄소 솔루션 중 하나이고, 기존에 사용되었던 압축 공기 등의 에너지 저장보다 3–100배 더 큰 에너지 밀도를 제공한다. 따라서 현재 100GWh 이상을 저장하고 몇 주 또는 몇 달에 걸쳐 작동할 수 있는 유일한 저탄소 기술로서 각광받고 있는 수소 저장은 낮은 왕복 효율성, 공간제약과 높은 장비 비용 등으로 인해 고압 분산형 저장을 중심으로 한 추가 연구 개발이 필요하다.
(2) 수소의 저장
- 수소의 저장은 고체, 기체 및 액체 저장으로 또는 저장 방법에 따라 화학적 수소 저장과 물리적 수소 저장으로 나눌 수 있고, 운송 방법과 매우 밀접하게 연계되어 있다. 예컨대 현재 자동차에 적용되는 수소 탑재 기술로 압축수소, 액화수소, 및 수소저장 재료가 가장 많이 알려져 있다.
실제 자동차에 탑재하여 이 방법들을 실증 시험한 사례는 많다. 압축가스 및 액화수소 기술은
물리적 원리에 의해 수소를 축적하는 방법이다.
- 화학적 수소 저장은 금속 수소화물, 배위 수소화물 및 유기 액체 수소화물을 포함하는 화학반응 및 화학적 변화 통해 생성되는 수소 화합물에 의해 실현된다. 물리적 수소 저장은 액체 및 고압 수소 저장을 포함하여 수소를 저장하는 전통적 방법이다. 액화수소 저장탱크는 액화 저온수소(약 20K)를 탱크에 저장하는 것으로, 액화수소 저장의 기화를 최소화하기 위한 단열이 필요하므로 고진공 단열저압탱크를 채용하는 경우가 많다.
- 아래 그림 1은 수소저장법을 비교한 수소저장기술의 개략도이다.
그림 1. 수소저장기술의 개략도.
- 수소연료의 물리적, 화학적 저장은 다양한 형태로 존재하며, 물리적 저장으로 압축수소와 액체수소가 있고, 화학적 저장의 경우, 액체 화합물 및 수소흡장합금 등으로 형태로 존재한다. - 현재 수소저장분야에서 수소연료전지와 같은 활용단계에 도달한 기술은 크게 ① 압축수소 ② 액화수소 ③ 고체 금속 수소화물로 구분된다.
- 압축수소의 경우 상온에서 고압, 초경량 탱크를 통해 20~70MPa 수준의 압력으로 저장한다.
장점으로 고질량 수소밀도, 저에너지 소비, 상온저장 및 이미 갖춰진 보급기술 등을 들 수 있고 충전시간은 5~10분 정도이다. 그러나 낮은 수소밀도 (저체적 수소밀도)와 고압으로 하는데 한계가 있다는 점이 존재한다. 소요 동력으로 0.25~0.5 kWh/Nm2이 든다.
- 액체수소 저장의 경우, 상온 단열용기를 이용, 극저온 (-253 oC)의 액체에서 보관하고, 용량은 10~3200 Nm3정도이다. 고질량/고체적 수소밀도를 고순도로 구현할 수 있다는 것이 가장 큰 장점이나, 액화동력과 비용이 크고, 충전시 자연증발에 의한 손실이 발생한다. 소요동력은
압축수소대비 커서 1.2~2.0 kWh/Nm2이 들고, 충전시간은 10분 정도이다.
- 화학적 저장으로서 금속 수소화물 경우, 상온, 상압 근방에서 열교환기 부착용기를 이용, 금속수화물 상태 (LaNi5) 등의 합금을 이용한다. 체적은 기체상태의 수소 대비 1/1000수준이며 용량은 0.03~2000 Nm3의 범위에 있고, 이는 사용하는 합금에 따라 결정되나, 중량 에너지 밀도는 500 bar의 압축가스와 비슷하다. 금속 수소화물 기반 수소저장은 상온에서 고순도 수소를 고체적 밀도로 높은 안전성으로 구현할 수 있다는 장점이 있으나, 합금의 경우 저질량 수소밀도와 피독, 열화현상이 발생할 수 있다. 소요 동력은 압축수소가스와 비슷한 수준으로 0.37kWh/Nm3 정도이고, 충전시간은 아직 길어서 10분 이내로 줄이는 것이 목표이다. 수소흡장합금과 같은 금속 수소화물을 포함한 고체운반체는 잠수함과 스쿠터를 포함한 몇 가지 틈새 분야에서 확립되었으나, 저압에서 작동하므로 고압축 또는 액화 수소보다 낮은 안전 제한과 분리 거리가 필요하다.
- 이외에도 연구단계에 있는 화학적 저장기술로 화학적수소화물 (Chemical hydride) 등이 있고, 수소화물은 압축 또는 액화 수소 저장보다 저렴한 시스템 구성 요소를 가지고 있다. 그러나 이러한 느린 충방전 속도는 온보드 애플리케이션에 대한 적합성을 제한한다. 특히, 액체유기수소 운반체(Liquid organic hydrogen carriers: LOHC)는 6wt%의 수소저장밀도를 나타내고, 수소화물과 마찬가지로 저압 작동과 향상된 안전성을 제공한다. 또한, 수소 에너지 함량의 약 25%가 연료 방출에 필요하나, 수소화 과정에서 방출되는 에너지의 동일양을 포착해 상쇄할 수 있다.
아래 그림 2는 수소저장 기술별 저장 용량을 비교한 것이다.
그림 2. (a) 수소저장 기술별 저장 용량 비교 (b) 여러 연료에 대한 비에너지(질량당 에너지 또는 중량 밀도) 및 에너지 밀도(부피당 에너지 또는 체적 밀도) 비교.
- 현재 사용하고 있는 수소 저장 방식 중 압축수소 저장은 현재까지 가장 성숙한 기술로 인정받고 있다. 또한, 압축수소는 다른 기술들에 비해 기체수소 형태로 서의 상대적 단순성, 빠른 충전 가능성 및 낮은 인프라 영향성으로 인해 모빌리티 시스템의 수소 저장 방안으로 고려되고 있다.
2. 기체형태의 수소저장 (storage of compressed hydrogen)
- 현재의 수소저장기술 중 가장 일반적이고, 보편적인 방법은 고압기체 방식 저장으로서 수소기체를 15-70 MPa 등의 고압으로 압축해 고압 용기에 저장하는 방식이다. 고압기체 수소저장 경우, 무게 밀도가 13%, 부피 밀도가 40 kg/m3으로 낮고 공간상 제약이 많아 높은 수송비의 제약이 있으나 충전방법이 간단해 많이 사용되고 있다. 이에 따라 본 기술의 가장 중요한 점은 고압 하에서 안전하게 저장하는 것이다.
(1) 기체 수소의 압축저장
- 일반적으로 기체형태의 수소는 밀폐된 탱크 시스템에 약 20-50 kg/m3의 부피 밀도와 약 5- 10%의 중량 밀도(kg H2/tank)로 압축해 저장할 수 있다. 실제 수소 충전소에서는 적은 비용으로 대규모 수소 저장 위해 고압 조건에서 수소를 사용하고 있다.
- 이러한 압축수소 저장기술은 수소기체를 100~800기압 정도로 압축해 제한된 압력용기에 저장하는 방식이다. 이때 대량의 수소를 저장하기 위해서는 수소기체를 초고압으로 가압해야 하고, 저장 용기는 이러한 초고압을 견딜 수 있는 구조여야 한다. 압력용기내 수소저장 밀도 향상 위해 고압으로 가압하는데, 저장압력이 높아질수록 용기 두께가 두꺼워져 무게가 증가하게 되므로 다른 연료에 비해 질량 효율(용기를 포함한 질량당 수소의 질량비율)이 저하된다.
- 또한, 기체수소를 고압상태로 가압 저장하는 과정에서 열 발생이 수반된다. 한정된 저장용기의 부피내로 지속적인 기체수소의 유입은 저장용기 내 기체의 압축을 유발하고 이 과정은 온도 상승을 동반한다. 또 다른 열발생 원인은 유입되는 수소 기체의 엔탈피가 저장용기 내에서 속도가 0이 되는 상태로 정지하며 내부에너지로 전환되는 과정에서 발생하므로 이에 대한 조절이 필요하다.
- 그럼에도 불구하고, 압축 수소저장 방법은 저장 장치의 구성이 단순하고 중량면에서 이점이 많기 때문에 수소연료전지 자동차나 기타탑재용 수소연료 저장 방법으로 가장 실용화에 근접된 방법으로 사용되고 있다.
(2) 고압 기체수소의 저장기술
- 일반적으로 실제 가스의 압력, 온도 및 용적은 다음과 같이 압축인자(압축계수) z는 z=pV/RT (p:
압력, T: 절대온도, V: 체적)로 표시된다. 압축인자는 이상기체에 대한 실제기체의 편차를 나타내며, 이상기체에서 z=1이다. 이를 실제로 적용시 다음과 같다. 예컨대 국가 프로젝트의 목표인 5kg의 수소를 수소자동차에 탑재하기 위해서 용기가 각각 212ℓ(압력 35MPa), 혹은 127ℓ(압력 70MPa)의 내용적을 가져야 된다. 즉 압력을 35MPa에서 2배인 70MPa로 올려도 같은 내용적이면 66%밖에 수소 저장량이 증가하지 않는다. 따라서 이 수식을 통해 고압 수소용기에서 탱크 내 압력계가 표시하는 35MPa보다 작은 압력인 28MPa 정도의 에너지만 용기에 들어 있음을 의미한다. 고압에 대응하기 위해 용기 두께를 키우는 효과를 고려하면, 외체적당의 수소저장용량 증가는 일반적인 기대 값에 비해 훨씬 작다고 할 수 있다.
- 이러한 압축수소기체의 수소저장을 위해 현재 적용되고 있는 저장용기는 사용 재료와 복합재료
강화 구조/방법에 따라 표 1에서 나타난 바와 같이 Type 1부터 Type 4까지 4종류 형태로 구분된다.
표 1. 다양한 압축수소 저장 용기 비교
(3) 수소차용 고압수소 저장기술
- 현재 고압수소 저장기술이 가장 활발하게 적용되는 곳은 수소자동차이다. 수소차의 경우 수소 저장 용기의 사용 압력은 대략 35~70MPa이다 (국제기준 차량용 기체수소 저장 표준 압력: 70 MPa (700 bar)). 70MPa 용기를 사용하면 부피 저장 밀도가 35MPa에서 23kg/m3에 비해 약 38kg/m3로 증가하고 압축에 필요한 에너지는 무시할 수 있을 정도로 증가한다. 수소자동차는 전 세계적으로 수소 4~7kg을 탑재하여 480km 이상의 주행거리를 도달하기 위해 700기압의 고압수소 (5.7wt % 수소저장용량)를 이용하는 것이 추세이다 (예: Toyota Mirai). 대략 수소 1kg으로 100km주행이 가능하며, 수소차 보급 위해선 비용, 무게, 내구성 등 수소저장시스템에서도 여러가지 해결 난제들이 있고, 향후 경제적으로도 현재 kWh당 $33에서 kWh 당 $8로 비용 절감을 통해 7.5 wt%로 개선을 목표(미국 DOE)로 하므로 아직은 압축수소 기술의 추가적 개선이 필요하다.
- 그러나 저장 시스템 중량 측정 효율은 고압에 의해 작용하는 인장 강도를 유지하기 위해 필요한 증가된 벽 두께로 인해 용기의 더 큰 중량으로 인해 감소할 것이다. 전반적으로 중량 밀도의 감소는 체적 저장 밀도 증가로 인한 약점으로 작용한다.
3. 기체형태의 수소저장의 압력용기 (1) 수소 저장 압력용기
- 압축수소 저장용기 기술은 천연가스 자동차 연료장치용 용기기술의 연장선상에서 기존 기술을 사용한다. 압축수소 저장용기의 구조는 용기의 몸통부분과 내측(라이너) 부분을 제작하는 재질 및 구성, 강도에 따라 복합 용기를 Type 1-4와 같이 대별되고, 이들 4개 분류는 미국 [ANSI/NGV], 캐나다 [CSAB51], 국제표준 [ISO 11439] 및 일본 [고압가스보안법 예시 기준] 등이 거의 비슷하고,
표준화가 진척되고 있는 연료전지자동차연료용기의 국제표준 [ISO/CD 15869 Gaseous Hydrogen and Hydrogen blends-Land Vehicle fuel tank]에서도 같은 분류를 사용한다.
- 압축수소의 핵심기술은 저장 탱크로서, 탱크에 사용되는 재료에 대한 요구사항은 안전성, 신뢰성 및 비용효율성이다. ANSI HGV-2 Tanks 부문에 따르면 고압 수소 저장 탱크는 네가지 기본 유형 (Type-1: 모든 금속 탱크, Type-2: 내부 용기가 있는 후프 포장 탱크 (Hoop wrapped tank), Type-3: 재료(라이너, 복합 쉘), Type-4: 탄소 섬유 강화 폴리머)으로 구분할 수 있다. Type 1과 Type 2의 탱크는 무거워서 높은 수소 저장 밀도를 얻기 어렵고, 수소 충전소에 적합하지만 차량 탑재 탱크에는 적합하지 않다. Type 3 및 4의 탱크는 저장탱크의 질량을 감소시킬 뿐만 아니라 더 높은 압력을 견디는 경량 및 고강도 섬유를 채택해 제작됐다. 그림 3은 4가지 유형의 수소 저장 탱크(Type 1~Type 4)를 나타낸 것이다.
그림 3. 4가지 유형의 수소 저장 탱크 비교.
(2) 수소저장 압력용기의 타입별 특징
① Type 1 압력 용기
- Type 1 압력 용기는 강철 또는 알루미늄으로 만들어진 금속제 용기(인장강도 900 N/mm2급 크롬/몰리브덴강)로 복합재료에 의한 구조적 강화 없이 금속재료의 강도와 용기의 직경에 따라 사용압력이 결정되며, 무겁고 수소 저장용기의 소재의 제약이 따른다.
- 200bar 이하의 Type1 용기를 사용하는 기존 산업용 수소 저장용기(주로 튜브 트레일러가 저장용기 대체해 사용)의 경우 국산화 되었지만 수소가격 절감을 위해서는 대용량 고압용기 튜브 트레일러를 사용하여 1회 운송량의 증대와 경량화가 필요하다. 따라서 튜브 트레일러용과 수소 충전소 저장용 400 bar 이상의 Type 1 용기 개발도 진행되고 있다.
- 아래 그림 4는 450~990 bar의 저장압력 수준을 나타내는 Type 1 압력용기에 대한 것이다.
그림 4. (a) 일본 JSW사의 990bar급 Type1 차압용기 (b) 국내 엔케이사가 개발한 충전소용 450bar급 Type1 용기.
② Type 2 압력 용기
- Type 2 압력 용기는 강 또는 알루미늄으로 만들어진 금속제 Type 1 용기의 몸통 부분에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향으로 감아서 보강해 만든 복합재 용기로서, 몸통 부분에 복합재료를 사용하여 금속용기의 벽 두께를 감소시켜 무게를 절감하였다. Type 2 압력 용기는 Type 1 용기 대비 고압을 견딜 수 있게 제작한 것으로, 용기의 금속재료가 강도에 지배적 역할을 하므로 금속재료 용기 범주에 포함한다.
- Type 2 용기는 라이너재료로서 인장강도 900 N/mm2 크롬/몰리브덴강을 기본으로 금속라이너의 원주방향을 유리/탄소섬유강화(hoop wrapped)한 플라스틱강화용기를 통해 제작된다.
- 아래 그림 5는 Steel 재질에 Hoop-wrapped된 Type 2 압력용기에 대한 것이다.
그림 5. Type 2 압력 용기 (Steel 재질, Hoop-wrapped된 복합재, Type 1 대비 25% 경량).
③ Type 3 압력 용기
- Type 3 압력용기는 강 또는 알루미늄으로 만들어진 얇은 금속제 라이너(내측 용기)의 전체면(동부, 경부) (fully wrapped)에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향과 길이방향으로 충분히 감아서 적층/보강해 만든 용기이다. Type 3 압력용기의 금속제 라이너는 내압하중을 부담하지 않거나 극히 일부분만을 부담하고, 대부분의 내압을 복합재료인 외측에 보강된 탄소 섬유층이 감당하므로 내부 금속 라이너 부분에서는 가해지는 하중이 비교적 작아지는 특징을 나타낸다.
- Type 3용기는 알루미늄 합금라이너는 주로 AA6061와 탄소섬유강화 플라스틱으로 강화한 용기(C-FRP용기)를 사용해 금속재료 용기 (Type 1, 2)에 비해 무게는 가볍지만 큰 직경 용기의 경우 내구성이 높지 않다.
- 아래 그림 6는 알루미늄 라이너에 탄소섬유 복합재를 보강한 Type 3 압력용기에 대한 것이다.
그림 6. (a) Type 3 composite cylinder, (b) 알루미늄 라이너에 탄소섬유 복합재를 보강한 Type3 용기.
④ Type 4 압력 용기
- Type 4는 압력 용기는 용기의 경량화를 목적으로 고밀도 폴리에틸렌(high-density polyethylene, HDPE)과 같은 비금속 재료 라이너의 전체면(fully wrapped)을 에폭시 계열의 함침 수지를 탄소섬유나 유리섬유와 복합화해 원주 방향과 길이 방향으로 감은 후 가열해 제작한 용기이다.
비금속 재료로 만들어진 라이너(알루미늄합금 AA6061)는 하중을 거의 부담하지 않고, 가스가 새지 않도록 하는 역할만 하며, 탄소 섬유층이 내압을 감당한다.
- Type 4 용기는 무게가 가장 가볍고 내구성이 우수하며 대형용기 제작이 용이하다. 수소전기차용 저장용기 경우, 최대 충전압력이 820 bar, 최대 충전양이 6㎏로 정해져 있어 본 Type 4 용기를 적용시 수소전기차 보급 증가에 따른 저장용기 제조원가 하락 등을 예상할 수 있다. 또한, 수소 수요 증가를 위해 수소 버스 등의 보급을 확대하고 있어 버스·트럭용 대용량 수소 저장용기 개발이 필요하다.
- 고압수소저장용 Type IV 압력용기 제조의 선두 기업 중 하나인 NPROXX가 현재 500bar의 압력에서 1000Kg 이상의 수소를 저장할 수 있는 새로운 용기를 개발하고 있고, 저장 시간에 비추어 볼 때 압축 수소 가스 저장은 폐쇄형 시스템(Closed system)이므로 적절한 재료와 치수
고려해 장기간 손실 없는 수소 가스 저장이 필요하다.
- 아래 그림 7은 Type-4 압력용기 및 구성요소에 대한 개략도이다.
그림 7. (a) 기체수소저장을 위한 Type-4 압력용기 및 구성요소 개략도(Quantum Technologies). (b) Type-4 압력용기의 가스유출부위 재료분석.
4. 압축 수소저장용기 적용 복합소재 (1) 복합재 기반 수소 저장 용기
- 알루미늄 및 플라스틱 소재 내측용기에 저밀도, 고강도, 고강성 탄소섬유를 에폭시 수지 함침 후 경화 통해 제작한 Type 3와 Type 4를 복합재 압력용기라고 한다. 압력용기내 탄소섬유 복합재 층이 내압하중의 대부분을 견디며 라이너는 기밀 유지와 복합재 층을 감기 위한 기본형상을 제공하는 구조로 돼 있고, 이러한 재료 조합 기반의 복합재 압력용기는 초경량 압축가스저장을 구현할 수 있는 시스템으로서 안전성과 성능면에서 가장 각광받고 있는 형태이다.
- 이러한 복합재 압력용기는 기존 금속재질 압력용기 대비 경량이며, 더 높은 압력에 견딜 수 있으므로 반복사용수명이 매우 길고, 부식에 강한 특성을 나타낸다. 특히 금속재질의 압력용기는 결함 발생시 폭발의 위험이 있으나, 복합재 압력용기는 폭발전에 압력이 누출돼 폭발되지 않고 안전하다. 실제, 복합재 압력용기는 우주 발사체의 각종 고압가스를 저장하는 경량 고성능의 압력용기로 개발되었으나, 최근 압축천연가스 자동차용 연료저장 탱크뿐만 아니라.
수소연료전지자동차용 연료 탱크로 개발되면서 널리 사용되고 있다. 연료전지 자동차의 수소저장 용기로는 가볍고, 부피가 작으며, 보다 안전한 고성능의 압력용기가 필요하므로 탄소섬유 복합재로 만들어진 복합재 압력용기가 가장 적절한 수단으로 인정된다.
- 실례로 현대자동차에서는 세계 최초로 350기압 수소저장시스템을 개발했고 (2001년), 최근에는 더 많은 수소를 저장하기 위해700기압의 초고압으로 수소를 압축하여 저장할 수 있는 복합재 압력용기를 개발, 넥쏘(NEXO)를 비롯한 다양한 수소전기자동차에 적용중에 있다. 또한, 국제 기술검증 컨소시엄을 통해 저장탱크, 레귤레이터 및 각종 부품들을 평가했고, 이를 바탕으로 고압 수소저장 시스템(>700 기압)을 개발했다. 이중 압축수소탱크는 고압가스 압력조절기를 탱크의 내부에 장착해 탱크의 외부에는 저압의 부품들만이 사용하도록 한 기술(In-Tank Regulator기술)이 적용돼 안전성을 확보하였다.
(2) 탄소섬유 소재기반 수소저장용기
수소의 고압충전용으로 경량, 고강성의 탄소섬유를 적용한 다양한 형태의 복합재료 압력용기 개발 및 개발 압력용기의 타당성 실증작업이 수행되고 있다. 특히, 700기압까지의 고압으로 수소저장을 할 수 있는 type 3, type 4 수소저장용기를 경량화 제작하는데 탄소섬유는 필수적으로 사용되고 있으며, 이때 탄소재가 차지하는 가격이 고압용기 가격의 80%대까지도 이를 것이라고 추산되고 있다. 현재 고압용기 가격 중 탄소재의 가격이 차지하는 비중이 상당하므로, 저가화와 대량생산이 필요하다. 미국의 에너지부도 PNNL (워싱턴주)이 주도하고 포드자동차 (Ford Motors), 링컨 콤포짓 (Lincoln Composite), 토레이 카본파이버 아메리카 (Toray Carbon fiber America), AOC 등이 참여하며, 고압수소저장 용기의 가격저감이 목적인 프로젝트에 투자하며 탄소섬유 복합소재 개발과 수소저장탱크의 설계제조기술 개선으로 현재 예상 가격을 낮출 수 있을 것으로 기대하고 있다. 우리나라에서도 효성을 중심으로 탄소섬유를 생산하고 있고 (2021년 기준 2,000톤) 국내의 도레이첨단소재는 일본 도레이(TORAY)의 기술력을 바탕으로 탄소섬유를 생산하고 있다 (2021년 기준 4,700톤). 현재 700기압 이상급에 사용 가능한 탄소섬유의 경제적 생산에 대한 연구는 계속 진행중이다.
5. 수소 전기차용 압력 용기 (1) 수소전기차용 저장용기
- 고압 수소기체 저장 방식은 물리적 압력차로 수소를 충전하고 방전하게 되므로 다른 수소 저장방식에 비해 저장방법이 간단하고, 응답성도 빨라 연료전지자동차에 적용하기 용이하다. 기존 보급된 천연가스 자동차에서 207기압 용기를 사용해본 경험이 있다는 것도 장점이다. 하지만 압력용기를 자동차에 적용시 체적이 크고, 형상의 변경이 용이하지 않아 공간 제약을 받으며, 수소기체의 저장 밀도를 높일수록 압력용기가 무거워지는 단점도 가지고 있다. 따라서 연료전지 자동차가 기존의 휘발유나 경유 자동차와 동등 성능을 내기 위해서는 높은 수소저장 밀도를 갖는 경량 고압 수소기체 저장 용기를 사용해야 한다.
- 수소전기차용 저장용기는 최대 충전압력이 820bar, 최대 충전양이 6㎏로 정해져 있고, 현재 연료전지 기반 수소전기차(넥쏘, 미라이 등)에 사용되는 수소저장용기는 경량화를 위해 주로 Type 3이나 Type 4의 압력 용기가 사용된다. 이러한 복합재 압력 용기는 알루미늄 또는 플라스틱 소재의 라이너에 가볍고 강도와 강성이 뛰어난 탄소 섬유와 에폭시 수지를 경화시켜 만들어지는 것으로 탄소섬유 복합재 층이 내압하중의 대부분을 견디며 라이너(내측용기)는 기밀유지와 복합재 층을 감기 위한 기본형상을 제공한다. 복합재 압력 용기는 금속 재질의 압력 용기에 비해 가볍고, 고압에 견딜 수 있으며, 반복사용수명이 길고, 부식에 강하다.
- 또한, 경량 수소연료전지 차량은 70 MPa의 수소저장을 위해 Type IV의 저장 탱크가 사용된다.
Type IV 수소 저장 탱크는 플라스틱 라이너를 포함하고 있는 복합소재로 제작된다. 이 때문에 라이너인 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)의 성능저하를 방지를 위해 수소충전과정에서 -40~85℃로 안정적인 온도가 유지돼야 한다. 즉, 차량내 수소저장 탱크 온도를 제한조건 이내로 맞추기 위해
충전소에서는 수소 온도를 미리 낮추고 유량을 일정 수준 이하로 조절하게 된다.
- 차량 내로 수소 충전을 비롯한 압축수소 저장에 대한 안전성 확보를 위해서 압축수소의 거동을 정확히 모사해야 하며, 온도와 압력에 따른 수소의 부피와 엔탈피 및 내부 에너지 모사를 통해 압축수소 저장을 효과적으로 할 수 있다.
(2) 수소전기차의 충방전과 저장용기
- 수소를 고압으로 급속 충전시, 압축효과에 의한 열로 고압용기의 온도가 올라가기 때문에 이를 보완하지 않으면 밀도가 줄게 되어 주행거리가 짧아지는 경과를 낳게 된다. 즉, 수소 기체의 주기적 압축, 운동 에너지의 내부 에너지로의 변환, 음의 쥴-톰슨 효과 (Negative Joule–Thomson effect)로 인해 충전 중 수소의 온도가 급격히 상승해 온도 변화가 중요하다. 실제로, 고압충전 공정(high-pressure filling process)에서는 탱크 내부 압력이 상승하고, 수소의 온도 상승으로 인해 열응력이 발생할 수 있으므로 수소 안전을 위해 온도 상승과 수소 충전량에 대한 연구도 함께 진행중이다. 특히, 급속 충전 시 온도 상승에 관한 연구에서는 국내외 많은 연구기관과 학자들이 이론과 시뮬레이션의 관점에서 연구를 진행해 왔다. 이전의 연구는 수소 가스 충전의 발전을 위한 길을 열었다. 이론 연구는 질량과 에너지 법칙, 실제 기체 방정식을 결합하고 충전 후 온도와 압력의 표현을 받는 단순화된 모델을 기반으로 한다.
- 독일, 미국, 일본 등 선진외국에서는 수소의 충전방법에 대한 연구도 수행되고 있으며 이를 충전기의 개발과 표준화 자료로 활용하고 있다.
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