수소전기차를 보면 한 가지 궁금증이 생깁니다. 휘발유나 경유처럼 액체 연료가 아닌 수소 기체를 차량 안에 어떻게 저장하는 것일까요?

수소는 매우 가볍고 같은 부피에 담을 수 있는 양이 적기 때문에 차량에 충분한 양을 저장하려면 높은 압력으로 압축해야 합니다. 이때 필요한 핵심 기술이 바로 차량용 수소저장시스템입니다.

현재 수소승용차에는 주로 700bar, 버스와 일부 상용차에는 350bar 수준의 고압 수소저장 기술이 적용됩니다. 이렇게 높은 압력을 견디기 위해 일반 금속탱크가 아닌 탄소섬유 복합재 수소용기와 정밀한 밸브, 센서, 압력조절장치가 함께 사용됩니다.

이번 글에서는 차량용 수소저장시스템의 핵심 구성인 수소용기, 공급 시스템, 안전장치와 인증시험을 순서대로 살펴보겠습니다.

차량용 수소저장시스템이란?

차량용 수소저장시스템은 고압 수소를 차량 내부에 저장한 뒤 필요할 때 연료전지 스택으로 안전하게 공급하는 장치입니다.

단순히 수소를 담는 용기 하나만을 의미하는 것은 아닙니다. 수소용기와 밸브, 배관, 압력조절기, 압력센서, 온도센서, 수소누설센서, 전자제어장치가 하나의 시스템으로 연결되어 작동합니다.

차량 운행 중에는 연료전지의 출력 요구량에 따라 공급되는 수소의 양이 달라집니다. 가속할 때는 더 많은 수소가 필요하고, 저속 운행이나 정차 시에는 상대적으로 적은 양의 수소가 공급됩니다.

이 과정을 차량 제어장치가 실시간으로 관리하면서 안정적인 주행과 연료 효율을 확보합니다.

차량용 수소용기

고압을 견디는 Type4 복합재 압력용기

수소전기차에 적용되는 수소탱크는 일반적인 금속 연료탱크와 구조가 크게 다릅니다. 현재 대부분의 수소승용차에는 Type4 복합재 수소용기가 사용됩니다.

Type4 용기는 수소를 밀봉하는 플라스틱 라이너의 바깥쪽에 탄소섬유 복합재를 여러 겹 감아 제작합니다.

내부의 라이너는 수소가 외부로 빠져나가지 않도록 막아주고, 바깥쪽의 탄소섬유는 높은 압력을 견디는 구조적인 강도를 담당합니다.

Type4 수소용기의 주요 구조

• 라이너 — 수소를 밀봉하고 용기의 기본 형상을 유지합니다.
• 탄소섬유 — 높은 내부 압력을 견디는 핵심 보강재입니다.
• 에폭시 수지 — 탄소섬유를 고정하고 복합재 구조를 형성합니다.
• 금속 보스 — 밸브와 용기를 연결하는 금속 부품입니다.
• 밸브 장착부 — 수소 충전과 공급을 제어하는 밸브가 설치됩니다.
• 보호층 — 외부 충격과 표면 손상으로부터 용기를 보호합니다.

탄소섬유 복합재는 같은 무게의 금속보다 높은 강도를 확보할 수 있어 차량 경량화와 주행거리 향상에 유리합니다.

특히 700bar급 차량용 수소저장시스템에서는 용기의 강도와 무게가 차량 성능을 좌우하기 때문에 탄소섬유 설계와 와인딩 기술이 매우 중요합니다.

Type4 수소용기의 주요 장점

• 고압 수소를 안전하게 저장할 수 있습니다.
• 금속용기보다 가벼워 차량 중량을 줄일 수 있습니다.
• 부식에 강해 장기간 사용에 유리합니다.
• 차량 공간에 맞춰 다양한 크기로 설계할 수 있습니다.
• 높은 반복 충전 내구성을 확보할 수 있습니다.

350bar와 700bar의 차이

차량용 수소저장시스템은 차량의 종류와 운행 목적에 따라 350bar 또는 700bar 저장방식을 사용합니다.

승용차는 제한된 공간에 가능한 많은 수소를 저장해야 하기 때문에 700bar 방식이 주로 적용됩니다. 버스와 대형 상용차는 비교적 넓은 설치 공간을 확보할 수 있어 350bar 시스템을 사용하는 경우가 많습니다.

다만 차량의 설계와 제조사에 따라 적용 압력은 달라질 수 있으며, 모든 버스와 상용차가 반드시 350bar 방식만 사용하는 것은 아닙니다.

수소 공급 시스템

저장된 수소를 연료전지까지 전달하는 과정

수소용기 안에 저장된 수소는 그대로 연료전지 스택으로 공급되지 않습니다. 용기 내부의 수소는 매우 높은 압력 상태이기 때문에 연료전지가 사용할 수 있는 압력으로 낮추는 과정이 필요합니다.

이를 담당하는 것이 차량용 수소저장시스템의 공급 계통입니다.

수소 공급 시스템의 주요 구성

1. 저장용기
   350bar 또는 700bar의 고압 수소를 안전하게 저장합니다.
2. 용기밸브 및 메인 차단밸브
   차량 운행 상태에 따라 수소의 공급을 열거나 차단합니다.
3. 압력조절기
   고압 수소를 연료전지가 사용할 수 있는 낮은 압력으로 줄입니다.
4. 필터
   배관 안으로 들어올 수 있는 이물질을 제거해 부품과 연료전지를 보호합니다.
5. 공급배관
   압력이 낮아진 수소를 연료전지 스택까지 안전하게 전달합니다.
6. 압력 및 온도센서
   수소의 압력과 온도를 실시간으로 측정해 제어장치로 전달합니다.

차량 운행 중에는 전자제어장치가 운전자의 가속 요구와 연료전지의 출력 상태를 확인해 필요한 양만큼 수소가 공급되도록 조절합니다.

압력이 비정상적으로 높거나 낮아지면 경고를 발생시키고, 위험이 예상되는 경우에는 차단밸브를 닫아 수소 공급을 멈춥니다.

차량용 수소저장시스템의 안전장치

고압 수소를 안전하게 관리하는 기술

차량용 수소저장시스템에는 다양한 안전장치가 중복으로 적용됩니다. 하나의 장치에 문제가 생기더라도 다른 장치가 위험을 감지하고 차량을 보호할 수 있도록 설계합니다.

수소는 공기보다 가벼워 누출될 경우 위쪽으로 빠르게 확산하는 특성이 있습니다. 차량은 이러한 수소의 물리적 특성을 고려해 배관 배치, 환기 구조, 누설 감지 위치를 설계합니다.

주요 안전장치의 역할

• PRD — 화재 등으로 용기 온도와 내부 압력이 상승할 때 수소를 제어된 방향으로 배출해 용기 파열 위험을 줄입니다.
• 차단밸브 — 충돌이나 누설 등 이상 상황이 감지되면 수소 공급을 즉시 차단합니다.
• 압력센서 — 용기와 배관 내부 압력을 지속적으로 측정합니다.
• 온도센서 — 용기와 수소의 온도 변화를 확인합니다.
• 수소누설센서 — 차량 내부나 주요 부품 주변의 수소 누설을 빠르게 감지합니다.
• ECU 제어 — 각 센서의 신호를 분석해 경고, 출력 제한, 밸브 차단 등의 보호 기능을 실행합니다.

사고가 발생하면 수소 공급은 어떻게 차단될까요?

차량이 충돌하면 충돌센서와 수소저장시스템의 제어장치가 사고 상태를 감지합니다. 이때 메인 차단밸브와 용기밸브를 닫아 저장용기 안의 수소가 외부 배관으로 계속 공급되지 않도록 제어합니다.

동시에 수소누설센서가 차량 내 수소 농도를 확인하고 이상이 감지되면 운전자에게 경고를 전달하거나 차량의 연료전지 시스템을 정지시킬 수 있습니다.

화재로 인해 수소용기의 온도가 크게 상승하는 상황에서는 PRD가 작동해 수소를 정해진 방향으로 배출함으로써 용기 내부의 급격한 압력 상승을 방지합니다.

차량용 수소용기 안전시험

수소용기는 차량에 장착되기 전에 다양한 환경과 사고 상황을 가정한 시험을 통과해야 합니다.

시험 기준은 적용 국가와 인증 규정에 따라 다를 수 있지만 일반적으로 압력 내구성, 충격, 화재, 기밀성과 같은 항목이 포함됩니다.

이러한 시험을 통과한 용기와 부품만 실제 차량용 수소저장시스템에 적용될 수 있습니다.

차량에 장착된 이후에도 정해진 사용조건과 점검기준을 지켜야 하며, 외부 충격이나 손상 흔적이 발견되면 전문적인 점검을 받는 것이 중요합니다.

차량용 수소저장시스템의 장점

• 짧은 충전시간으로 비교적 긴 주행거리를 확보할 수 있습니다.
• 고강도 복합재 용기를 통해 안전성과 경량화를 함께 확보합니다.
• 전자제어를 통해 필요한 양만큼 수소를 정밀하게 공급할 수 있습니다.
• 센서와 밸브를 이용해 이상 상황에 빠르게 대응할 수 있습니다.
• 승용차뿐 아니라 버스, 트럭, 철도, 선박 등으로 적용 범위를 넓힐 수 있습니다.

앞으로 해결해야 할 과제

차량용 수소저장시스템은 높은 안전성과 성능을 갖추고 있지만 기술적으로 개선해야 할 부분도 남아 있습니다.

대표적인 과제는 탄소섬유 사용량과 용기 가격을 줄이는 것입니다. 탄소섬유는 수소용기의 강도를 결정하는 핵심 소재지만 가격이 높아 전체 시스템 비용에서 큰 비중을 차지합니다.

또한 같은 설치 공간에 더 많은 수소를 저장하기 위한 고효율 설계, 용기의 경량화, 수소 투과 억제, 빠른 충전 중 온도 상승 관리도 중요한 연구 분야입니다.

차량용 수소저장시스템 자주 묻는 질문

차량용 수소저장시스템 핵심 정리

마무리

수소전기차의 성능과 안전성은 차량용 수소저장시스템에서 시작된다고 해도 과언이 아닙니다.

고압의 수소를 복합재 용기에 안전하게 저장하고, 압력조절기를 이용해 필요한 압력으로 낮춘 뒤 연료전지에 정확한 양을 공급해야 안정적인 운행이 가능합니다.

압력센서와 온도센서, 수소누설센서, 차단밸브, PRD와 전자제어장치가 서로 연결되어 이상 상황을 감지하고 차량을 보호합니다.

앞으로는 탄소섬유와 라이너 소재의 발전을 통해 더 가볍고 저장효율이 높은 차량용 수소저장시스템이 개발될 것으로 예상됩니다.

이러한 기술은 수소승용차뿐 아니라 버스, 트럭, 철도, 선박, 항공 모빌리티까지 적용 범위를 넓히는 중요한 기반이 될 것입니다.

수소저장 기술에 대한 해외 자료는 미국 에너지부의 수소 저장기술 안내 에서도 확인할 수 있습니다.