수소전기차의 심장 연료전지시스템은 얼마나 안전할까

[송방섭(소방서)]

수소전기차의 심장,
연료전지시스템은 얼마나 안전할까

연료전지시스템은 내연기관 자동차의 엔진과 같은 역할을 합니다. 수소와 공기를 반응시켜 전기를 만듭니다. 감전을 비롯한 위험 요소들은 없을까요? 연구원들은 ‘충분히 안전하다'고 자신 있게 말합니다.

2019/02/07   현대자동차                    

                                                                                                                                                                                                                                                            

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현재의 자동차는 크게 내연기관 자동차(가솔린, 디젤, LPG), 내연기관+전기차(하이브리드, 플러그인 하이브리드), 전기차, 그리고 수소전기차로 나뉩니다. 자동차 업계 전문가 대부분은 전기차와 수소전기차가 곧 시장의 대세가 되리라 예상하고 있습니다. 그럼 전기차와 수소전기차는 어떻게 다를까요? 전기차는 차체 안에 마련해둔 커다란 배터리에 케이블을 연결해 전기를 저장한 뒤, 그 전기를 이용해 달리는 구조입니다.

수소전기차가 전기를 만드는 방법입니다. 수소와 산소를 결합해 전기와 물을 만듭니다

수소전기차는 커다란 배터리 외에 별도의 연료전지시스템을 마련하고 그 안에서 수소와 산소의 전기화학 반응을 일으켜 얻은 전기로 동력을 얻습니다. 전기 대신 수소를 충전한다는 점, 우리 주변의 공기를 이용한다는 점, 수소와 산소가 만나는 과정에서 공기 속 먼지를 걸러내고 순수한 물을 만든다는 점에서 전기차와 다릅니다. 그럼 이 과정에서 사람에게 위험이 될 만한 요소는 없을까요? 수소연료전지시스템의 성능과 안전 및 내구성을 개발하는 수소전기차 연구개발진을 찾았습니다.

안전과 내구 성능 끌어올린 연료전지시스템

현대차 마북환경기술연구소에서 한국일 파트장(오른쪽), 연료전지시스템설계팀 김덕환 파트장(가운데), 연료전지제어개발팀 정성철 책임연구원(왼쪽)을 만났습니다

Q. 수소전기차가 지닌 친환경 성능의 핵심은 연료전지시스템이라 할 수 있을 겁니다. 연료전지시스템의 안전성과 내구성은 어떻게 확보할 수 있나요?

연료전지시스템은 엔진과 달리 수백 볼트의 고전압이 흐릅니다. 사람에게 위험할 수 있기에 전기적 안전성을 확보하는 것이 무엇보다 중요합니다. 전류가 밖으로 새나가지 않도록 절연 저항을 유지하는 건 기본이고, 전류가 새나간다 해도 인체에 해를 끼치지 않고 외부로 잘 흘러나가도록 부품 간에 전기연속성이 확보돼야 합니다. 또한, 기체로 이뤄진 수소를 사용하기 때문에, 수소가 밖으로 누출되지 않도록 하는 것도 중요합니다. 즉, 전기안전성과 수소안전성을 확보하는 것이 매우 중요합니다.

연구소에서는 기본적인 성능뿐 아니라 절연(전류가 통하지 않도록 하는 것), 기밀(기체가 새나가지 않도록 틈을 막는 것), 내구, 진동, 충격, 방수 및 방진, 부식, 환경(저온, 고온, 열 사이클) 평가 등 다양한 테스트를 통해 안전성과 내구성을 확인했습니다. 또한 영하 35도에서 영상 95도까지 고온다습한 환경에서의 시험을 반복하고, 내구성도 깐깐하게 검토했습니다. 넥쏘의 연료전지시스템은 10년, 16만km 내구성을 보장하지만, 연구진은 이 보증 기간을 훨씬 웃도는 내구성을 가질 수 있도록 설계 및 개발하고 있습니다.

넥쏘의 연료전지시스템은 수많은 상황에 대비해 안전하게 제어할 수 있도록 만들어졌습니다

Q. 연료전지시스템의 안전성과 관련해 어떤 종류의 테스트를 진행하고 있나요?

앞서 설명한 테스트 후에도 기밀, 절연, 성능 등이 원하는 기준을 만족하는지 확인했습니다. 또한, 만에 하나 발생할 수 있는 문제 상황에서도 연료전지시스템을 보호하고 제어하는 것을 목표로 하고 있습니다. 사실 제어기가 시스템 오작동을 진단하고 반응하는 경우는 수백여 가지에 달합니다. 작게는 센서의 고장부터 크게는 의도치 않은 수소 누출, 고전압 노출 등 굉장히 많은 케이스가 있죠. 이런 갖가지 상황에 세밀하게 대처하고 제어해야 합니다.

물론 이는 굉장히 정교한 작업이지만, 수소전기차의 높은 안전성을 대중에게 인식시키기 위해서는 필수적인 일이라 생각합니다. 법규적인 양산 기준을 넘어 더욱 완성도를 높이기 위해 노력하고 있습니다.

수소전기차가 알려주는 경고등으로 차의 이상 여부를 알 수 있습니다

Q. 수소 누출이나 전압 문제가 발생했을 때의 제어 방법에 대해 조금만 더 자세히 설명해주신다면요?

수소가 누출되면 수소 센서가 이를 감지해 계기반에 경고문을 띄웁니다. 수소 누출이 더 심해지면 밸브를 차단하는 등 전자적인 제어를 행합니다. 전압 제어도 마찬가지입니다. 연료전지스택 안에는 고전압 부품이 많기 때문에, 이상 증세를 감지하면 계기반에 경고등을 띄워 운전자에게 알립니다. 문제가 생겼을 때 차를 무조건 멈추는 것이 아니라, 차가 멈춘 뒤에 운전자가 고전압 부품에 접근할 가능성이 있는 상황을 판단해 시동을 끄는 겁니다. 고전압을 해소하기 위한 적극적이고 선제적인 안전 전략이라 할 수 있습니다.

Q. 수소전기차는 자동차라기보다 정교한 전자제품이라는 생각이 듭니다. 수소 누출이나 고전압 외에 어떤 상황이 발생할 수 있을까요? 또 어떻게 운전자에게 경고할 수 있을까요?

정말 다양한 상황이 있습니다. 예컨대 연료전지스택에 수소와 공기를 원활하게 공급해줘야 하는데, 둘 중 하나의 공급이 제대로 이뤄지지 않는 경우가 있습니다. 안전과 직결되는 문제는 아니지만 최대한 빠른 정비가 필요합니다. 이럴 때는 일부러 출력을 제한하거나, 비상 운전을 유도합니다.

자동차가 충돌하더라도 연료전지시스템은 외부로 유출되지 않도록 안전하게 보호받습니다

Q. 외부 충돌 상황이 발생했을 때, 연료전지시스템과 운전자를 안전하게 보호하기 위한 방안이 있을까요? 별도의 구조물을 설치한다든지 말이죠.

외부 충돌 상황에서 가장 중요한 것은 운전자를 안전하게 보호하는 겁니다. 물론, 보행자도 마찬가지죠. 운전자 및 보행자의 상해를 최소화할 수 있도록 각종 테스트가 이뤄졌고, 그 결과 넥쏘는 유로 NCAP 충돌 테스트에서 수소전기차 최초로 최고 안전 등급을 받기도 했습니다.

충돌 후 행여 연료전지시스템이 파손되더라도 전기안전성 및 수소안전성 측면에서 운전자 및 구조를 진행하는 주변 사람들에게 피해가 가지 않도록 안전 기준 및 법규를 만족할 수 있도록 개발했습니다. 예를 들어 고전압 시스템 관련 법규 중 ‘자동차가 충돌했을 때 연료전지시스템이 차체와 분리되지 않아야 한다’는 항목이 있습니다. 탑승자나 구조대원들의 감전 위험을 최소화하기 위해서입니다. 이를 위해 충돌 시 연료전지시스템이 차체 밖으로 튕겨 나가지 않도록 차체와 단단히 고정하는 지지 부품(서포트 브라켓)의 재질을 변경하고, 중량 절감과 안전 법규를 동시에 달성하고자 플라스틱과 금속을 함께 적용한 연료전지스택 마운팅을 개발했습니다.

연료전지스택 안에도 충돌 시 변형 및 전기적인 쇼트를 방지하기 위한 구조물(임팩트빔)을 적용해 충돌 안전성을 확보했고, 거친 충돌로 연료전지시스템을 제어할 수 없을 경우를 대비해 주행 중 유지되는 고전압을 충돌 시 빠르게 소모하도록 설계했습니다. 이와 함께 사고 시 더 이상 수소가 공급되지 않도록 모든 밸브를 차단하는 세팅도 마련되어 있습니다. 이 외에도 다 열거하기 힘들 만큼 많은 안전 관련 기술들이 적용돼 있습니다.

Q. 수소전기차를 만드는 제조사들 사이에 통일된 안전 기준이 있나요?

국제적으로 수소전기차의 안전성을 확보하기 위해 국제 기준(GTR, Global Technical Regulation)이 제정되어 있고 꾸준히 개정되고 있습니다. 또한 해당 국제 기준을 기반으로 각 나라마다 안전 법규가 마련되고 있는데, 여기에는 전기안전성, 수소안전성 측면에서 만족해야 하는 여러 항목들이 규정되어 있습니다. 물론 저희도 해당 기준과 법규를 만족시키는 많은 평가 및 검증을 진행하고 있습니다. 아직은 제조사마다 시스템의 구성이 달라 이 같은 기준을 만족시키기 위한 설계가 제각각이지만, 사람의 안전이 최우선이라는 기본적인 생각은 모든 제조사가 같을 것으로 생각합니다.

넥쏘의 연료전지시스템은 탁월한 냉각 성능을 발휘합니다. 이를 위해 극한의 상황에서 수없이 테스트를 거쳤습니다

Q. 전기차는 냉각 성능이 중요하다고 알고 있습니다. 연료전지스택 안에서 전기가 생성되면 열에너지도 많이 발생할 텐데, 내구성에 영향은 없나요?

연료전지는 내연기관보다 더 높은 냉각 성능을 요구합니다. 연료전지스택 내부의 전해질막이 고온에 노출될 경우 성능이 낮아질 수 있기 때문이죠. 넥쏘의 경우 연료전지스택 내부 온도를 최고 85도로 설정하고 그 이상 온도가 올라가지 않도록 냉각 제어에 신경 썼습니다.

고전압 사양에 맞게 라디에이터와 팬의 크기도 키웠고, 미국 모하비 사막처럼 기온이 40도가 넘는 곳에서도 냉각 성능 테스트를 진행했습니다. 넥쏘의 냉각 성능은 토요타 미라이, 혼다 클래리티보다 월등한 수준입니다. 참고로 연료전지스택 내부 온도가 85도 이상이 되면 과열을 막기 위해 출력을 제한하는데, 넥쏘는 다른 수소전기차보다 출력이 제한되는 경우가 훨씬 적습니다.

Q. 저온 상황에서는 문제가 없나요?

기온이 영하로 떨어지면 연료전지스택 내부의 전해질막 주변에 저항이 생깁니다. 전기를 원활하게 만들지 못한다는 얘기죠. 수소와 산소가 반응할 때 배출하는 물이 얼어 연료전지스택의 기체 공급 통로를 막는 것도 문제입니다. 반대로 내부 온도가 100도를 넘기면 전해질막의 수분이 증발해 성능이 떨어집니다. 결국 성능 유지를 위해서는 최적화된 온도 제어가 필요합니다. 넥쏘는 영하 30도의 극한 지역, 여름철 기온이 45~50도를 넘나드는 모하비 사막에서도 시동 및 주행에 문제가 없도록 개발했습니다.

넥쏘는 영하 30도의 외부 환경에 24시간 주차하더라도 30~40초 내에 시동을 걸 수 있습니다

Q. 넥쏘는 저온 시동 성능을 기존 영하 25도에서 영하 30도까지 높였습니다. 어떻게 가능했나요?

연료전지스택의 온도를 빠르게 높이면서 시스템의 전체적인 효율을 고려한 전략적인 제어 방식을 택했습니다. 냉각수 라인에 연료전지스택을 거치지 않는 별도의 바이패스 라인과 히터를 추가해 차가운 냉각수가 연료전지스택에 유입되는 현상을 회피하는 한편, 연료전지스택 발열 시 발생하는 에너지로 고전압 배터리를 충전하는 방식을 병행했습니다. 이로써 극한 지역에서도 시동을 빠르게 걸 수 있을뿐더러, 에너지를 재활용해 효율을 높이는 데 성공했습니다. 그 결과, 넥쏘는 영하 30도 환경에서 24시간 이상 방치되더라도 30~40초 이내에 시동을 걸 수 있습니다.

지금 가장 친환경적인 수소전기차 넥쏘에는 각종 신기술이 적용됐습니다

Q. 넥쏘에는 MEA(막전극접합체)에 신기술을 적용해 비용을 줄이고 내구성을 높이는 한편, 연료전지스택의 성능도 12.5% 높였다고 들었습니다. 어떻게 가능했나요?

연료전지스택은 수백 개의 셀로 이뤄져 있는데, 하나의 셀마다 전해질막과 촉매, 연료전극(수소), 공기전극(산소)으로 이뤄집니다. 이 셀의 성능이 기존보다 12.5% 높아졌습니다. 더 좋은 촉매와 전해질막을 사용하고, 수소와 산소가 지나가는 통로(분리판과 기체확산층)의 형상을 재설계한 게 첫 번째 이유입니다.

연료전지스택을 제어하는 전략도 달리했습니다. 기존에는 상압의 기체를 셀로 공급해줬는데 넥쏘는 상황에 맞게 수소와 공기의 압력을 가변적으로 조절할 수 있었습니다. 내구성도 마찬가지입니다. 셀의 설계를 튼튼히 하는 한편, 연료전지스택 내부를 고전압 환경에 강한 소재로 채워 내구성을 높였습니다. 즉, 넥쏘는 소재와 운전 제어 방식에서 한 걸음 더 나아갔다고 할 수 있습니다.

궁극의 친환경차로 불리는 넥쏘가 많아질수록 우리의 터전도 깨끗해집니다

Q. 수소전기차가 넘어야 할 산 중 하나는 가격일 겁니다. 연료전지스택에 쓰이는 백금 촉매가 높은 가격의 원인인데, 이를 대체할 수 있는 촉매 개발도 이뤄지고 있나요?

기술의 발달은 생산비용을 줄이고 효율성을 높입니다. 예컨대 연료전지는 1967년 아폴로 우주선에 처음 쓰였습니다. 당시 연료전지에 쓰인 백금의 양과 비교하면, 2007년 연료전지에 쓰인 백금의 양은 약 90% 줄었습니다. 넥쏘도 기존 모델 대비 백금 사용량을 25% 이상 줄였고, 차세대 수소전기차는 50% 줄이는 걸 목표로 하고 있습니다.

백금 촉매를 재활용하는 방안도 있지만, 국내 여건상 재활용 비용보다 폐기 비용이 적게 드는 상황입니다. 수소전기차 수요가 더 늘어난다면 백금 촉매를 재활용하는 것도 가능하리라 생각합니다.