오늘은 수소저장용기에 대한 기술개발 동향에 대해 알아보도록 하겠습니다.
그럼 수소 전기차란 무엇일까요?
FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)는 연료전지로 전기 모터에 전력을 공급하여 주행하는 자동차를 말하는 것으로 연료전지 자동차,, 연료전지차라고도 부릅니다.
대표적으로 수소연료전지자동차 혹은 수소 전기차는 수소 자동차의 일종으로 수소를 연료 전기로 사용해 전기모터로 자동차가 구동되며, 수소충전소에서 몇분만에 수소를 재충전해 사용한다. 기존의 가솔린 차량과 큰 차이는 없는데, 배기가스가 전혀 없다는 것이 가장 큰 차이점이라고 할 수 있습니다.
이러한 수소전치차에 사용되는 수소저장용기란 무엇일까요?
1. 수소저장용기의 개요
1) 압축수소 저장용기
수소전기차는 수소를 연료로 이용하여 전기를 생산하고 생산된 전기로 모터를 구동시켜 운행되는 자동차를 말하며, 수소저장시스템은 수소 전기차의 연료인 수소를 충전·저장·공급하는 시스템을 지칭함
수소저장용기는 기체상태의 수소를 350bar 또는 700bar로 압축하여 저장하는 고압수 소저 장용기(CHS, Compressed Hydrogen Strorage)와 영하253℃로 수소를 냉각하여 액화 상태로 저장하는 액화수소저장용기(LHS, Liquid Hydrogen Strorage)로 구분된다.
※ 수소는 대기 중에 기체 상태로 존재하며, 지구상의 어떤 원소보다 가볍고 밀도가 낮아 동일 체적에서 저장밀도가 비교적 낮음. 기체상태의 수소저장 밀도를 높이기 위한 방법으로는 350bar 또는 700bar로 압축하는 방법과 액화(-253℃)하여 저장밀도를 800배가량 높이는 방법이 있음
2) 액화수소 저장용기
영하 253℃로 수소를 냉각하여 액화 상태로 저장하는 액화수소저장용기(LHS)는 동일한 체적에서 고압가스저장보다 상대적으로 많은 양의 수소를 저장할 수 있음
유럽, 미국의 경우 1회 충전 시 1,000Km이상 주행이 가능한 수소 상용차 개발을 위해 고압수소저장용기 단독 또는 액화수소저장용기를 단독 또는 하이브리드로 설치하는 기술개발을 연구 중에 있음
2. 수소저장용기 시장 및 기술동향
1) 국내외 시장동향
2020년 국내 수소전기차 보급대수는 10,100대로 수소저장용기 시장은 약 700억원으로 전망됨
'수소경제활성화로드맵' 자료에 근거하여 2022년 수소저장용기의 시장을 예측해보면 약 1,700억원으로 전망되며 2025년 약 3,000억원, 2030년에는 약 7,000억원으로 증가될 것으로 전망됨
2) 국내외 기술동향
미국의 'Hexagon Lincoln社' 2006년에 세계 최대 길이(약 12m)의 CNG(천연가스) 운송용 복합재 고압용기 제품 개발 및 생산을 시작하였으며, 이 고압용기에도 가장 일반적인 비스페놀-A 타입의 에폭시 주재에 아민계 경화제와 기능성 첨가제를 혼합한 에폭시 수지 시스템을 시용하고 있음
영국의 'Luxfer社' 는 현대차의 엑시언트 수소트럭의 수소저장용기 초도 수출 물량을 공급한 경험이 있음
프랑스의 'Faurecia社'는 2020년 6월 현대차 스위스 수출 트럭에 수소저장용기(약 10,000개) 공급계약을 체결함
3. 수소저장용기 생산기술
1) 필라멘트(Filament Winding)
수소전기차에는 고압의 수소저장용기가 사용되고 있으며, 현재 고압저장용기의 탄소섬유는 필라멘트 와이딩 기술을 적용하여 제조하고 있음
※ 수소전기차 대량생산시 필라멘트 와인딩 용기 제작 방식으로는 대량생산이 어렵고 과도한 외산장비투자가 필요한 단점이 있음.수지가 함유된 섬유를 원통형상으로 회전대칭형 심봉에 돌려 감은 후 경화시켜 회전대칭인 구조물을 제조하거나 금형을 빼내어 성형품을 얻는 복합재 성형공법을 말함
2) 블레이딩(Braiding)
세 가닥을 교차시켜 로프, 보강호스 등 다양한 소재를 만드는 방법으로 대량생산과 다양한 형상 및 곡률에 대한 유연 생산이 가능함
※ 국내 브레이딩 기술은 해당 장비를 보유한 곳에서만 개발이 가능하고, 이로 인해 다양한 수소저장용기 관련 기업이 활용할 수 있는 공공용 고속 브레이딩 장치 기술 개발이 정부지원으로 진행되고 있음. 아직 700700 기압 수소저장용기를 제조할 수 있는 브레이딩 장치는 수입제품에 의존하고 있으며, 국산화 기술개발을 통해 수소용기 관련 중소중견기업 지원이 필요함
4. 요약
1) 수소저장용기는 연료전지 스택과 더불어 수소전기차의 핵심 요소부품 !!
수소전기차의 연료인 수소를 저장하고, 연료전기 스택으로 공급하는 역할을 담당하는 수소저장시스템은 수소저장용기, 고압밸브 및 레귤레이터 등으로 구성되며, 수소전기차 부 품 중 연료전지 스택 다음으로 가격비중이 높은 중요 부품이라고 합니다.
우리 정부는 2040년까지 620만대의 수소전기차 보급을 목표로 승용, 택시, 버스, 트럭 등 다양한 차종을 공급할 계획이며, 이에 적합한 형태의 경쟁력 있는 수소저장용기의 필요성이 대두되고 있습니다.
2) 수소전기차의 상품성 및 시장경쟁력 제고를 위한 수소저장용기의 고도화 절실 !!
내연기관차의 플랫폼을 공통으로 활용하여 수소전기차를 제작하는 경우에는 수소저장용기를 장착을 위해 확보되어야 하는 최소 공간의 필요 등으로 인해 차량의 상품성 및 가격경쟁력 개선에 한계가 존재하며, 수소전기차의 시장경쟁력 확보가 곤란합니다.
수소전기차, 특히 승용차에서 넥쏘 등과 같이 단독 전용플랫폼을 유지할 경우 다품종 생산에 적합하지 못하고, 플랫폼 개발비용 등으로 인해 시장경재력 확보에 어려움이 예사상되며, 전기차 등과 공용으로 활용 가능한 차량플랫 및 이에 적합한 저장용기의 고도화가 절실합니다.
3) 시사점
수소전기차 플랫폼을 전기차의 플랫폼과 공동화할 수 있다면 규모의 경제 측면에서 수소전기차의 가격경쟁력 향상에 크게 기여할 수 있을 것으로 판단되며, 이를 위해 전기차 배터리의 탑재공간에 수소저장용기를 탑재할 수 있는 기술 개발 등의 다양한 대안 검토가 필요한 시점입니다.
수소전기차에 사용되는 수소저장용기에 대해 알아봤습니다.
앞으로 관련시장이 확대될 것으로 기대됩니다. 우리기업이 기술을 선도할 수 있도록 정부차원의 지속적이고 과감한 지원이 필요한 상황입니다.
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