1. 서 론
1)
최근 전 세계적으로 이산화탄소 배출규제 및 지 구온난화에 대응하기 위한 일환으로 신에너지를 동력원으로 하는 자동차에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히, 그중 미래의 에너지원인 수소를 이용 함으로써 동력을 발생시키는 연료전지 자동차 기 술은 오랜 기간 동안 주목받고 있다[1-3]. 국내의 경우, 2019년 세계 최고수준의 수소경제 선도국가 로 도약하기 위한 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 발 표하며 연료전지 자동차 시장 활성화 및 보급을 장려하였다. 특히, 정부는 수소 자동차 누적 생산 량을 2018년 2천대에서 2040년 620만대를 보급하 는 목표를 제시하였다. 수소충전소 또한 기존 14 개소에서 2040년 1,200개소까지 확충하는 보급
저자(E-mail: [email protected])
계획을 제시하였다.
미래형 신에너지 자동차로 주목받고 있는 수소 자동차(FCV: fuel cell electric vehicle)는 전기 자 동차의 일종으로 수소를 스택에 주입하여 발생하 는 전기에너지를 동력원으로 사용한다[4]. 수소 자 동차는 동력 발생 장치인 연료전지 스택이라는 부 품이 탑재되어 운용된다. 연료전지는 수소와 산소 가 스택의 채널로 유입되어 MEA를 사이에 두고 이온이 이동하여 전기화학 반응에 의해 화학적 에 너지를 직접 전기 에너지로 변환하여 전기를 발생 하는 장치이다[5-7]. 연료전지는 작동 온도, 공급 연료, 전해질, 촉매 등의 차이에 의해 고분자 전해 질 연료전지(PEMFC), 인산형 연료전지(PAFC), 알칼리형 연료전지(AFC), 용융 탄산염 연료전지 (MCFC), 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등으로 나 뉜다. 특히 차량용으로 사용되는 PEMFC는 다른
연료전지 내구 특성 예측을 위한 모델 개발 연구동향
한 재 영† 영산대학교 자동차공학부
Recent Research Trend in Fuel Cell Durability Model for Prediction of Stack Degradation
Jaeyoung Han†
School of Automotive & Mechanical Design Engineering, Youngsan University, 288 Junam-ro, Yangsan-si 50510, Republic of Korea
Abstract: 최근 전 세계적으로 이상화탄소 배출규제에 대응하기 위해 신에너지를 동력원으로 하는 자동차에 관심이 증가하고 있다. 그중 이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 내연기관을 대신에 자동차 동력원으로 많이 사용되어지고 있 으며 양산화를 위한 노력을 전 세계적으로 하고 있다. 하지만 이러한 수소 자동차가 시장과 소비자의 요구 조건을 충족하기 위해서는 내구성을 개선하여야 한다. 현재 선진사들을 중심으로 수소 자동차의 내구성을 개선하기 위해 노 력하지만, 대부분 실험적 방법으로 내구성의 분석 및 평가를 수행하고 있다. 하지만, 이러한 방법은 비용과 시간이 많이 들기 때문에 경제적이지 못하다. 본 기고문에서는 내구성에 영향을 받는 인자, 연료전지 시스템 내구성을 예측하 고 평가할 수 있는 수소 자동차 내구성 모델 개발에 필요한 수식에 관한 연구, 그리고 내구성 개선을 위한 해석적 방법(simulation)에 관한 연구 동향을 소개하고자 한다.
Keywords: fuel cells, stack durability, model based simulation, durability model, BOP
Figure 2. Operating principle of fuel cell system.
연료전지보다 상대적으로 낮은 작동온도(80 ℃)에 서 운전되기 때문에 시동이 유리하고, 부하 변동에 따른 응답성이 매우 우수하다[8-12]. 또한 일반적 인 산소와 결합하는 화학반응이 그러하듯이 운전 시 발열 반응을 일으켜 전기와 열이 동시에 생산 되어 스택의 운전 온도를 증가시키게 된다. 이러 한 연료전지는 비록 공급원료의 생산, 수송부터 자 동차 주행까지 전 과정에서 발생하는 well-to-wheel 효율 이슈는 존재하지만, 수소 자동차 단위 주행 중 발생되는 유해배출 가스는 전혀 없는 무공해 자동차이다[13]. 이러한 이점을 바탕으로, 수소 자 동차 양산 자동차 기술의 글로벌 선도 역할을 크 게 기여하는 국내의 현대 자동차는 배터리와 제어 기술 개발에 대한 지속적인 투자의 결과로 2019년
*출처: Department of Energy, Multi-Year Research.
Figure 3. Fuel cell power system 2020 targets.
현재 국내 수소 자동차 국산화율은 95% 수준이다.
특히, 2018년도에는 완성차 업체 중 최초의 두 번 째 양산 모델인 넥쏘를 발표하며 최고 수준의 기 술력을 세계에 공표했다.
하지만, 수소 자동차의 국내 기술력 발전 및 정 부 주도의 정책에도 불구하고, 수소 자동차가 향 후 시장의 소비자를 만족하기 위해서는 해결해야 할 과제가 많다. 수소 자동차의 경우 전술하였듯 이, 국산화는 높은 수준에 도달하였으나, 충전소 부 품 국산화 및 핵심기술의 고도화, 완성차의 가격 경쟁력, 수소 발생 시 발생하는 공해문제, 내구성 등이 주요 해결해야 할 과제이다. 특히, 국내의 내 구성은 세계 선진국에 비해 미흡한 수준으로서 특 히 스택의 내구성 기술은 내연기관차 수준인 2010 년 16만 km의 내구성능을 확보하였지만, 완성차
*출처: 산업통상자원부, 수소경제 활성화 로드맵(2019).
Figure 1. Roadmap for hydrogen economy by 2040 in Republic of Korea.
수준의 전체 차량 내구는 그 이하이다[14-23]. 특 히, 차량용으로 사용되는 연료전지 시스템은 다양 한 동적 환경에 노출되기 때문에, 기술 개발 범주 가 넓고 안전한 작동을 위한 운전 윈도우가 좁아, 고도화된 기술 개발과 함께 차량의 전체 내구성을 높이는 것이 매우 중요하다. 내구성을 향상시키기 위해 보통 완성 스택과 협조 기기류를 통합하여 실 제 차량을 장시간 운전하며 테스트하는 과정을 거 친다. 하지만 이러한 경우, 고가의 장비 비용이 발 생하고 테스트 시간도 오래 걸리는 치명적인 단점 이 존재한다. 이러한 단점을 극복하고자 최근에는, 전체 수소 자동차 모델을 개발하여 차량의 내구 수명을 예측하는 연구가 활발히 진행 중이다. 물 론 개발되는 모델의 정밀도에 따라 영향이 있지만 이러한 기술을 개발하여 부품을 개발하게 되면, 개발 시간을 단축하고 개발 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다. 본 기고에서는 최근에 많은 연구가 되고 있는 수소 자동차 내구 모델 개발 현황 및 연 구방향에 대해서 알아보고자 한다.
2. 연료전지 시스템 구성품
수소 자동차는 아래와 같이 주요 4가지 부품, 즉 스택, 운전 장치, 전장 장치, 그리고 수소저장장치
등으로 구성되어있다. 스택은 수소와 산소를 전기 화학 반응 시켜 전기를 발생시키는 장치로, 수소 자동차의 심장 역할을 한다. 스택은 단위전지(셀) 의 형태로 구성되어 있으며, 이러한 단위전지가 적층된 형태를 통상 스택이라 불린다. 스택은 다 수의 단위전지를 적층하여 차량 구동에 적합한 수 준의 전기를 발생시키는 부품으로 막전극접합체, 기체확산층, 분리판, 가스켓 등으로 구성되어있다.
운전 장치(balance of plant)는 차량의 운전 상태에 맞게 연료(수소)와 공기를 공급하고 열관리를 하 는 장치를 말한다. 즉 연료전지 시스템을 최적 조 건으로 운전할 수 있는 기능을 구현하는 부품 및 시스템으로써, 수소 공급계, 공기 공급계, 그리고 열 및 물 관리계로 구성되어있다. 운전 장치는 보 통 공조장치 범위까지 포함된다. 전장장치는 생산 된 전기를 구동에 맞게 변환하는 장치로써, 차량 주행을 위한 구동 모터, 감속기, 주행과 각종 전자 기기 구동에 적합한 전력의 변화를 위한 전력변환 시스템 등으로 구성된다. 특히 전장장치는 그 기 능과 역할이 내연기관차과 유사하여 공용화가 가 능한 구성품들이 존재한다. 수소저장장치는 연료 인 수소를 저장하는 장치로 보통 고압의 수소를 저장하는 수소 탱크와 안전장치로 구성되어있다.
Figure 4. Fuel cell vehicle components.
3. 스택 내구성에 미치는 요인
연료전지 스택 내구성은 외부요인과 내부요인 으로 크게 분류할 수 있다. 차량의 시동 특성 온 도, 공기 및 연료의 순도, 급가속/급 감속 시 유동 구배와 과량의 물 배출 저하, 주행 도로의 지형 조 건 및 상태 등이 대표적인 외부요인에 속한다. 또 한 공기 공급 장치 내의 공기 필터의 상태, 가습 량, 수소 공급 장치 내의 연료의 공급 온도, 수소 재순환 장치, 열관리 계통의 방열 성능 저하, 냉각 수 이온전도도의 영향, 스택의 전기화학 반응에 의한 열화 현상 및 단위전지 체결 성능, 그리고 제 어부품의 제어 알고리즘의 영향이 대표적 내부요 인이다.
외부요인 중에 대표적인 내구 저하 요인은 차량 시스템의 동결의 영향이다. 수소 자동차의 냉 시 동 특성 개선이 많은 연구가 이루어지고 개선되었 지만, 여전히 촉매층 기공의 증가에 따른 촉매층 과 멤브레인의 접착성 저하 문제, MEA 제조 문제 및 스택 내의 물의 동결 현상 등 개선되어야 할 부 분들이 상당수 존재한다.
내부요인의 대표적인 APS 및 FPS는 가습량뿐만 아니라 불순물의 영향을 많이 받는다. 수소 연료와 공기에 포함된 불순물은 연료전지 성능 및 내구성
저하에 큰 영향을 받는다. 공기필터 등을 사용하 여 불순물을 제거하기 위한 노력을 기울이고 있다.
그 밖에도 차량의 급가속/급감속 시 발생하는 차량의 응답특성도 연료전지 스택의 내구성 감소 요인의 주요 원인이다. 차량 시스템 응답 특성은 정치형 연료전지와는 다르게 가혹 조건에서 빈번 한 부하 변동을 발생시킨다. 이러한 빈번한 부하 변동은 급격한 출력을 발생시키며 스택 내의 촉매 층 및 MEA에 무리를 가하고 열관리 계통에도 무 리를 가하게 된다. 또한 과량의 물 배출을 저하하 게 되는 주요 요인 중에 하나이다. 일반적인 연료 전지 시스템의 내구성 저하는 각종 제어 부품에 의해서도 영향을 많이 받는다. 연료전지의 제어기 는 독립적으로 운전되며 각각의 제어 알고리즘은 독립 운전되어 각 액츄에이터를 구동하게 된다.
이러한 제어기는 제어기 내부에 제어 알고리즘 운 전 전략에 따라서 성능에 상당한 차이를 보이게 된다. 가령 급격한 부하 변동에 따른 스택의 방출 열을 관리하기 위해서는 방열기를 담당하는 제어 기의 성능이 빠른 외란 제거 능력을 가져야 한다.
하지만 빠른 외란의 능력을 가지는 제어기는 액츄 에이터의 큰 에너지 소모를 불러와 전체 시스템의 출력이 감소하게 된다. 이러한 외란 제거 능력과 에너지 소모 측면의 trade-off를 최적화 하여야 내
Figure 5. Critical factors for fuel cell stack durability.
구성에 유리하다.
4. 스택 내구성 확보의 어려움
스택의 내구성의 원인 분석과 개선을 위한 일반 적인 방법은 실험적 방법이다. 연료전지 스택 부 품을 실험 테스트 벤치에 설치하여 산소와 공기를 공급하고 가속 시험을 수행하는 방법과 실제 수소 자동차를 장시간 주행하여 테스트하는 방법이다.
전자는 보통 고온 운전, 낮은 습도, 개회로 전압 (OCV)과 사이클링(상대습도, 온도, 전압, 냉동/해 빙, 시동/정지)과 같은 변수를 변경하면서 테스트 직전의 전압(beginning-of-life)과 운전 종료 시점 의 전압(end-of-life)을 측정하여 스택의 내구 저하 율을 도출한다. 특히, 가속운전 조건에서 연료전지 내구성을 테스트하면 스택의 열화 또한 측정할 수 있다. 스택의 열화는 전 세계적으로 규명을 위해 연구 중이지만, 일반적으로 막 내의 열화, 전극 내 의 열화, 그리고 가스확산층 내의 열화 등으로 규 명 지을 수 있다. 막 내의 열화는 radical이 고분자 전해질 막의 chain을 분해하기 때문에 발생하며 특 히, 전압이 높고 가습이 낮은 조건에서 열화 속도 가 더 빠르게 진행된다. 이 결과 전해질 막 두께가 일부분 감소하며 고전압에서 수소의 crossover율 이 비선형적으로 증가한다. 전극 열화는 CO, SO2, S 등이 백금 촉매에 흡착하여 전기화학 반응면적 을 감소하여 발생하며, 온도와 가습이 낮은 조건 에서 더 빠르게 내구가 저하된다. 이러한 전극 열 화는 시간이 지남에 따라 단위 전지의 전압을 감 소시키며 불순물 발생을 증가시킨다. 또한 전극 열 화는 탄소 부식이 가능한 전압 조건에서 C가 CO2
로 전환되면서 발생하기도 한다. 이러한 현상은 전 압, 가습, 온도가 높은 영역에서 열화속도가 더 빠 르게 증가하며, 촉매활성면적 감소와 전극층 두께 감소를 유발하여 스택의 내구성을 감소시킨다. 기 체확산층의 열화는 기체확산층 내 소수성이 강한 PTFE 손실 및 탄소 부식으로 발수성이 감소하여 발생한다. 그밖에도 분리판 및 가스켓 열화 발생 도 존재하며 이는 여러 가지 원인들로 스택의 내
Figure 6. Degradation of MEA.
구도를 저하시키는 주요 요인들이다. 하지만, 이러 한 스택의 내구도 측정 및 개선 평가는 실험적으 로 수행하면 연속적으로 장시간의 테스트를 운전 하고 운용하여야 한다. 연료전지 스택을 테스트 벤 치에 탑재하여 운전하면 5,000 h 연속으로 운전하 기가 상당히 어렵다. 더구나 시스템을 실제 차량 에 탑재하고 운전하였을 경우 스택 및 스택 외 부 품 및 요인에 의해 3,000 h 이상도 운전이 쉽지 않 다. 이렇듯 테스트 벤치 또는 실제 수소 자동차를 활용한 내구성 측정 및 평가는 고비용과 많은 실 험 시간에 의해 상당한 어려움이 존재하는 것이 사 실이다.
5. 스택 내구 모델
5.1. 연료전지 스택 모델 5.1.1. 습증기 수송 모델
전술하였듯이, 연료전지 시스템 내구성은 실험 적 방법으로 측정 및 평가하는 데에는 한계가 따 른다. 이러한 이유로 많은 연구자들이 연료전지 시스템의 동특성 및 물리적 특성을 반영하는 모델 을 개발하고 상기에 내구도에 영향을 미치는 인자 들을 모델로 개발하여, 시뮬레이션 기법을 활용해 모델 기반 내구도 예측 연구를 수행한다. 모델을 기반한 내구도 예측 및 평가에 앞서, 연료전지의 특성을 정확히 반영하는 고정밀도 연료전지 시스
템 모델이 필요하다. 연료전지 시스템 모델은 스 택, 공기 공급 장치, 수소 공급 장치 및 열관리 모 델로 크게 구성되어진다. 스택 모델은 일반적으로 NafionⓇ 계열 막 전해질을 사용하며 막 전해질에 서의 습증기 농도를 적절히 관리하는 물관리 모델 이 포함되어진다. 이러한 전해질 물의 수송 특성 을 모사하기 위해, Springer 등은 막 전해질의 습증 기 함유도(water content, λ)는 양쪽 전극에서의 습 증기 농도와의 관계에 의해 결정된다고 제안하였 다. 실제 막 내부에서는 양쪽 전극의 전압차에 의 한 전기 삼투(electro-osmotic drag) 현상과 양 전극 의 농도차에 의한 확산력(back diffusion) 현상이 공존한다. 전기 삼투 현상은 습증기를 공기극 쪽 으로 이동시키려 하는 현상이며, 확산력은 습증기 를 연료극 쪽으로 이동시키려하는 힘이다. 전기 삼투 현상과 확산력은 다음과 같이 Fick의 제1법 칙에 의해 구성된다.
=
(electro-osmotic drag) (1)
=
(back-diffusion) (2)
이러한 두 구동력의 종 보존 방정식에 의해서 막을 통과하는 습증기 수송 모델은 다음과 같이 유도할 수 있다. 즉, 막 전해질 내에 반응이 없고 정상 상태를 가정하면:
= (3)식 (3)은 막 내의 습증기 수송양이며, 2차 편미 분 방정식이기 때문에 함유도를 도출하기 위해서 는 경계조건을 알아야 한다. 전극과 촉매층 사이 계면의 습증기 함유도는 일반적으로 습증기 활성 화도와 관계를 갖는다고 알려져 있다.
=
(4a)
≤ = (4b)
여기서 식 (4a)는 습증기 활성도(water activity) 이며, 식 (3)의 습증기 함유도를 유도할 수 있다. 그 리고 습증기가 막 내를 이동할 때 이온의 전도 저 항이 발생하며 이는 막 전해질의 전기 전도도와 막 의 온도에 영향을 받는다. 단위 전지 전체 온도가 막의 온도와 같다고 가정을 하면 막 전해질의 전 기 전도도와 전기 저항은 다음과 같이 도출된다.
=
(5)
=
(6)습증기 수송의 원인은 공기극과 연료극의 채널 에 각각 연료와 공기가 유입되어 전기화학 반응에 의한 물의 이동과 공기극의 물의 생성에 의한 농 도차이다. 전극에서의 종 보존 방정식을 구성하기 위해 각 종의 변화를 고려하면, 산소와 수소는 셀 내에서 소모되며, 질소는 소모되지 않는다. 즉, 공 기극의 습증기량은 연료극에서 수송되는 습증기 량과 반응에 의해 생성되는 습증기 양의 존재로 인해 채널을 따라 증가하며, 연료극의 습증기는 공기극으로 수송되는 습증기량의 감소량에 의해 채널을 따라 계속 감소한다. 이러한 이론을 바탕 으로 셀 내의 채널에서의 종 보존 방정식은 다음 과 같이 구성된다.
=
(7a)
=
(7b)
= (7c)
=
(7d)
=
(7e)
위의 식 (7a~e)의 종 보존 방정식의 해를 도출하 기 위해서는 다음과 같은 채널 입구에서의 경계조 건이 필요하다.
=
(8a)
=
(8b)
= (8c) 5.1.2. 전기화학 반응 모델
습증기 수송 모델과 함께 촉매층의 전기화학 반 응 모델은 화학 반응에 의해 발생하는 전압을 결 정하는데 중요한 역할을 하며, 내구성 저하도 이 전해막과 촉매층의 내구 특성에 의해 지배받는 것 으로 알려져 있다. 특히, 촉매층의 전기화학 반응 모델은 균질 촉매 필름층 모델(pseudo-homoge- neous film model)과 군체 구조 전기화학 반응 모 델(agglomerate structure electrochemical reaction model) 개발 기법이 존재한다. 후자의 모델은 전 자의 모델과는 다르게 촉매층으로 산소의 확산이 충분히 이루어질 수 있는 모델로 촉매층 전 영역 에서 화학 반응이 균일하게 진행되는 것을 모사할 수 있다. Figure 7에서 보듯이 군체 구조 모델은 산소의 촉매층으로 이송이 제한되는 영역에서 기 존의 균질 촉매 필름층 모델과는 다르게 전압 급 강하를 잘 예측할 수 있다는데 있다. 또한 군체 구 조 모델에서는 화학반응률의 유용도(reaction ef- fectiveness)가 포함되어있어 촉매 반응 면적 감소 에 따른 공기극 전압 손실률 증가를 표현하기에도 용이하다. 상기에 기술한 스택 내의 전극, 가스확 산산층, 막 내의 열화 현상을 감안하면, 군체 구조 모델 접근법은 실제 모델에서 모사하기 힘든 열화 조건을 어느 정도 정밀도 있게 모사할 수 있는 장 점을 가지고 있다. 따라서 내구성 모델 개발에 있 어서는 현재 기존의 촉매 필름층 모델보다는 군체 구조 전기화학 반응 모델이 연료전지 시스템 내구
Figure 7. Schematic and responses of agglomerate model along thickness.
성도를 예측하는데 용이하다고 볼 수 있다. 군체 구조 전기화학 반응 모델의 대표 방정식은 다음과 같다.
=
(9a)
= (9b)
Figure 8. I-V performance curve with fuel cell losses.
=
(9c)
,
, 는 각각 노드에서의 전류, 산소 농 도 및 과전압이며,
,
, , ,
등은 촉매층 내의 군체 파티클의 사양이다.5.1.3. 전력과 열 생산
연료전지 시스템은 전기화학 반응에 의해 전기 를 생산함과 동시에 물 그리고 열을 함께 배출한 다. 열의 배출량은 고 부하로 갈수록 증가하며 비 가역적 손실을 고려하면 그 양을 쉽게 구할 수 있 다. 연료전지가 실제 생산하는 전압은 막 전해질 의 저항과 반응 시 비가역적 손실을 고려하여야 하는데, 비가역적 손실은 활성화 손실, 이온 저항 손실, 및 농도 손실로 나눠진다. 단전지 간 변화를 무시한 단전지의 단순 반복이라 가정하면 이론적 인 최대 전압은 다음과 같다.
= ∆
(10)전체 이론전직 전압과 각각의 손실을 고려한 실 제 연료전지 시스템의 작동 전압은 다음과 같다.
=
(11)셀 간의 전압 변동을 무시하면 전력 생산량은
다음과 같다.
=
(12)5.2. 운전 장치 모델 5.2.1. 열관리 모델
일반적으로 수소 자동차는 내연기관에 비해 열 관리가 상대적으로 훨씬 어렵다. 이는 내연기관이 배기가스에 의해 방열 이득을 얻는 것과는 달리 연료전지는 배기가스의 배출 열이 미미해 그 이득 을 취하지 못하기 때문이다. 따라서 연료전지 스 택에서 전기화학 반응에 의해 발생된 열을 효과적 으로 제거하기 위해서는 최적화된 냉각계통의 설 계가 필요하다.
수소 자동차 내의 발열원은 크게 스택, 구동 모 터, 전력 변환기, 공기 공급계 등이 존재하면, 스택 의 방열을 담당하는 냉각 회로는 다른 부가장치를 통과하지 않고 스택의 방열만 담당하고 있다. 스 택 내의 열을 방열시키는 것이 무엇보다도 차량의 내구성에 직결한다. 스택 내에서 발생된 열은 스 택 내 냉각수 채널을 통과하는 냉각수 유량에 의 해 방열된 뒤 라디에이터로 이송되고, 라디에이터 팬과 외기 공기에 의해서 외기로 배출된다. 주행 중인 자동차에서는 라디에이터로 유입되는 냉각 수가 라디에이터로 유입되는 램 에어에 의해 자연 스럽게 냉각이 이루어지지만, 차량의 속도가 작을 경우, 또는 상대적으로 낮은 속도에 고출력이 필 요한 경사를 운행할 경우에는 냉각 성능을 만족시 키기 위해 팬을 구동하여 추가적인 방열을 담당하 게 된다. 수소 자동차의 열관리 계통은 통상 라디 에이터, 냉각수 펌프, 워터 재킷, 3방 밸브(2 way valve), 라디에이터 팬 등으로 이루어져 있으며, 3 방 밸브는 온도 지령 추종에 따른 효율적인 온도 제어를 할 수 있도록 설계되었다. 특히, 적절한 성 능과 내구 보장을 하기 위해서는 적절한 스택의 온도 유지 및 전지 내의 온도 균일도를 달성해야 한다. 적절하지 못한 온도 관리는 전지 내의 다양 한 열화 현상을 유발하는 촉매제가 된다. 따라서 이러한 온도 유지에 따른 스택의 내구성 연구는
활발히 진행 중이다.
5.3. 모델 기반 내구성 예측 기술
전술하였듯이, 내구성 예측 및 개선을 위한 하 드웨어를 적용한 실험적 접근 방법은 고가의 장비 와 장시간 테스트 기간 등 비용과 시간적인 측면 에서 상당한 어려움이 따른다. 그럼에도 불구하고 실험적 방법을 많이 적용하는 이유는 모델의 정밀 도, 전체 차량의 동적 거동을 완전히 모사할 수 있 는 풀 패키지 시스템 모델의 부재, 그리고 각종 독 립적 제어기의 설계 부재 등이 있다. 또한 가장 중 요한 이슈는 내구성은 보통 단전지 내의 각종 열 화 현상에 많은 영향을 받는데, 이러한 열화 현상 을 자세하게 물리적으로 표현하여 모델을 구성하 는데 한계가 따르기 때문이다. 따라서 보통 연료 전지 내구성 모델을 개발하기 위해서는 장시간 동 안의 전압 강하율을 모델에 적용하여 내구 모델을 개발한다. 하지만 군체 구조 전기화학 반응 모델 을 적용하였을 경우에는 촉매층, 가스확산층, 전극 내에서의 산소확산도, 각 층의 온도 등을 수식으 로 표현할 수 있어 더 유기적인 내구 모델을 설계 할 수 있다.
Figure 10. 장기 운전 시 3-cell 전압 강하 곡선 예.
최근 H. Zhang 등에 의한 연구에 따르면, 전력 분배에 따른 연료전지 내구성 향상을 위한 연구를 수행하였다. 연료전지 하이브리드 차량의 전력 분 배 전략에 따른 연료전지 내구성 측정 및 향상 연 구를 위해 상용 소프트웨어를 적용하여 도시 주행 모드(urban driving cycles)를 바탕으로 내구도의 개선 방법을 찾기 위해 노력하였다.
이처럼 스택의 장기 운전에서 주어진 입력에 대 한 요구 출력은 시간이 지남에 따라 점차 감소하
figure 9. 수소 자동차의 냉각 계통 구성 예.
게 되기 때문에 이러한 감소 정도가 최소가 될 수 있도록 능동적 전력 분배 제어 전략 구성이 필요 하다. 능동적인 전력 분배 제어기를 구성하기 위 해서는 제어기 설계가 필수적이며, 이를 위해서는 전체 수소 자동차를 모사할 수 있는 연료전지 시 스템 설계가 우선되어야 한다.
또한, 선진사들은 스택의 내구성뿐만 아니라 운 전 장치(balance of plant)에 대한 내구성 문제에도 연구력을 집중하고 있는데, 기존에 알려진 바로는 대부분의 연료전지 시스템의 고장이 이들 주변 장 치에서 발생되고 있다고 알려져 있기 때문이다.
따라서 스택의 내구성은 장기 운전 시 성능 저하 에 eog나 부분이 주요 관심사이고 주변장치의 내 구성은 각종 BOP의 고장에 의한 문제로 실험적 방법과 해석적(simulation) 방법에 대한 연구 개발 이 동시에 진행되어야 5,000 h (10 years) 내구 특 성을 만족시킬 수 있다. 최근에 비록 연료전지 시 스택의 내구성을 평가하기 위한 실험적 방법과 해 석적 방법들이 개발되고는 있으나, 아직 상용화가 되지 않고 제한적 연구만 진행되고 있다. 선진사 들은 이러한 내구성뿐 아니라 내구성에 취약한 부 품들에 대한 영향성 평가, 내구성 저하에 따른 각 각의 부품의 이상 신호, 또 성능 저하에 따른 영향 등을 평가할 수 있는 별도의 기술들을 개발하고 있으나, 국내에서는 아직 내구성에 대한 깊이 있는 연구를 하기 위한 연구 인력과 노력이 미흡한 실 정이다. 모델 기반 설계 내구성 평가와 내구성에 큰 영향을 미치는 제어기 설계 기술은 스택의 내구
성을 포함한 주변 장치에서 발생할 수 있는 문제 점들의 분석과 대응 전략의 개발에 많이 사용되고 있으며, 더 나아가 연료전지 차량 시스템 전체의 고장 진단을 병행하여 부품 또는 시스템 수준의 내 구성을 더욱 개선하는데 많은 도움이 된다. 요컨 대, 현재 모델을 활용한 내구성 연구는 아직 미비 한 수준이지만, 스택의 내구성에 많은 영향을 미치 는 열화 현상, 셀 간의 온도 불균형 현상, BOP 고 장 문제, 스택의 체결, 물 및 열관리 영향 등의 영 향도 관계를 수식으로 정확히 규명할 수 있다면, 수 소 자동차의 내구성 개선과 함께 수소 자동차 시장 의 활로를 개척할 수 있을 것이다.
6. 결 론
수소 자동차는 청정 연료와 긴 항속 거리, 무소 음, 등으로 차세대 자동차 시장을 이끌 매력적인 후보로 알려져 있다. 하지만 많은 선진 자동차 회 사들이 2020년을 양산 시점으로 발표하고 있는 가 운데 기존 시장을 지배하는 차량과 대등한 경쟁을 위해서는 차량용 연료전지의 가격 경쟁력과 내구 신뢰성을 얻는 것이 매우 중요하다. 특히, 이들 선 진사들은 공격적인 투자를 통해 시장 선도를 위한 노력들을 경주하고 있다. 이런 측면에도 불구하고, 아직 내구성의 개선 및 최소화의 연구는 국내에서 는 미비한 실정이다. 전술하였듯이, 내구성 개선을 보다 유기적으로 하기 위해서는 실험적 방법과 해 석적 방법을 병행 연구하여 서로의 단점을 보완하
*출처: H. Zhang, X. Li, X. Liu, and J. Yan, Enhancing fuel cell durability for fuel cell plug-in hybrid electric vehicles through strategic power management, Applied energy.
Figure 11. Power management control strategy of fuel cells.
여야 한다. 특히 해석적 방법은 테스트 비용과 시 간을 절감할 수 있어 자동차 업계에 큰 이점을 가 져다 줄 것으로 보인다. 스택 내의 내구성을 규명 할 수 있는 모델의 개발 및 전체 시스템의 내구성 영향도를 분석하고 서로 통합하여 모델 내에서 수 소 자동차 장기간 운전이 이루어진다면 개발 비용 및 경제성을 고려한 기술 개발이 이루어질 것으로 예측된다.
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University 방문 연구원 2018~2019 충남대학교 첨단수송체 연구소
연구교수
2019~현재 영산대학교 자동차공학부 조교수
