▲ 수소저장방식에 따른 수소저장량 비교.

수소를 최종 이용자(혹은 사용처)가 큰 어려움 없이 경제적으로 활용하기 위해서는 수소저장이 꼭 필요하다. 정치형인 경우는 큰 문제가 없으나 수송용 즉, 주요 이용처가 될 수소자동차에 탑재하는 경우에는 여러 가지를 만족해야 한다. 예를들어 기존 자동차가 갖는 1회 주입 후 주행 가능한 거리인 약 500km를 주행할 수 있고, 탑승인원의 감소나 불편함이 없도록 승차공간도 확보해야 한다.

잘 알려진 바와 같이, 수소는 물질 중에서 가장 적은 원자량을 지니고 있기 때문에 기체와 액체 상태로 존재할 때도 아주 적은 밀도를 나타낸다.

단위 무게가 차지하는 부피를 비용(比容, specific volume)이라 하는데, 기체상태의 수소 비용은 20℃와 1기압에서 11.9m³/kg 이고, 액체상태의 수소 비용은 -253℃와 1기압에서 0.014m³/kg 이다. 그러므로 기체상태의 수소의 밀도는 0.0838kg/m³로서, 공기 밀도(1.29 kg/m³)의 약 7% 정도이다. 한편 액체수소의 밀도는 70.8kg/m³로서 비중이 0.0708이며, 물 밀도의 약 7% 정도가 된다.

수소를 대기온도에서 250기압의 압력으로 압축했을 경우, 대기압에 대한 이때의 팽창률은 1:240이 된다. 수소의 저장압력을 높이면 팽창률이 증가하지만, 기체수소를 아무리 압축하여도 액체수소의 팽창률에 도달할 수는 없다.

수소의 에너지밀도가 적기 때문에 차량용 연료로 사용된다면 충분한 주행거리를 위해서는 많은 수소량(부피)이 필요하게 된다.

에너지함량은 연료의 무게당 에너지양을 나타내며, 에너지밀도는 연료의 단위 부피(m³)당 에너지양(Joule)으로 표시한다. 그러므로 에너지밀도는 연료의 에너지함량 (통상 저위발열량으로 계산함. LHV, Lower Heating Value)과 밀도를 곱한 값으로서, 연료 내에 수소원자가 얼마나 조밀하게 저장되어 있는가를 나타내는 척도이다.

단위분자 당 수소원자를 더 많이 가지고 있는 탄화수소 일수록 에너지밀도가 크며, 복잡한 탄화수소일수록 단위분자 당 탄소원자수가 많기 때문에 그 연료는 더욱 더 무겁게 된다. 이러한 특성으로 인하여 수소의 밀도가 적기 때문에 에너지밀도 역시 적은 반면, 단위무게 당 에너지의 비는 어떤 연료보다도 크다.

현재 수소연료전지차는 전용플랫폼을 사용하지 않고 기존 차량 구조에 연료전지 시스템 및 수소저장시스템을 탑재하고 있어, 여유공간은 기존 연료통이 들어가는 부분(대략 75리터 정도)이어서, 이곳에 수소저장용기를 둘 수 밖에 없다.

▲ 복합재 압력용기를 이용한 압축수소가스 저장 방법의 적용사례.

■수소車 달리기 위해 고압수소저장기술이 넘어야할 벽

수소자동차는 전 세계적으로 자국의 실증차량을 제외한, 배로 선적된 연료전지차량이 누적 1,046대(2009년 현재)가 넘으며, 수소 4~7kg을 탑재하여 480km 이상의 주행거리를 도달하기 위하여, 탄소섬유복합용기를 써서 700기압의 고압수소를 이용하는 것이 추세이다. 대략 수소1kg으로 100km주행이 가능한데 수소자동차의 보급을 위해선 비용, 무게, 내구성 등 수소저장시스템이 몇 가지 넘어야할 벽이 있다.

우선 비용면에서 탑재용 수소저장시스템 가격은 기존 석유화학연료 저장시스템에 비하여 너무 비싸다. 2012년 현재 고압용기 가격은 3,000달러(약 320만원) 수준에 이르는 것으로 조사됐다. 수소저장시스템을 위한 저비용 소재와 구성 물품과 함께 저비용, 구체적 제조방법이 요구된다.

현재 수소저장시스템의 무게와 부피가 너무 크기 때문에 기존 석유연료차량에 적용하기에는 무리가 있다. 모든 경량성 차량 플랫폼에서 480km 이상 주행가능 하도록 경량성의 콤팩트한 수소저장시스템이 될 수 있도록, 소재와 구성부품 개발이 필요하다. 현재로서는 탄소섬유복합용기가 가능한 방법이다.

에너지효율은 모든 수소저장 관련분야에서 해결해야할 문제이다. 압축수소기술 부문에서는 압축에 요구되는 에너지 효율이 고려되어야 한다.

수소저장시스템과 주변기술에 대한 안전, 코드, 표준을 제시함으로써 상업화를 용이하게 하고, 안전성 확보와 공공여론을 형성하여야 한다. 표준화된 장치와 조작절차, 적용 코드 및 표준, 그리고 저장시스템의 안전성과 내 충격성 등에 대한 실증이 요구된다.

이밖에도 수소저장시스템의 내구성, 3분 이내의 충전시간 확보, 충분한 분석 자료확보가 요구된다.

■가장 널리 쓰이는 압축저장 방법

압축저장은 수소저장기술 중 가장 보편적인 방법으로서, 수소기체를 고압으로 압축하여 제한된 체적의 용기에 저장하는 방식이다. 압력용기내의 수소저장 밀도를 높이기 위해 높은 압력으로 가압하는데, 저장 압력이 높아질수록 용기의 두께가 두꺼워져 무게가 증가하게 되므로 다른 연료에 비해 질량 효율(용기를 포함한 질량당 수소의 질량비율)이 떨어지게 된다. 그럼에도 불구하고, 압축 수소저장 방법은 여러 가지 수소저장 방법 중 가장 실용화에 근접한 방법인데, 저장 장치의 구성이 단순하고 중량면에서 이점이 많기 때문에 수소연료전지 자동차나 기타 탑재용 수소연료 저장 방법으로 가장 많이 사용되고 있다.

고압 수소기체를 저장하기 위한 압력용기는 사용재료와 복합재료 강화 방법에 따라 네 가지로 구분하는데, Type1은 강 또는 알루미늄으로 만들어진 금속제 용기로 복합재료에 의한 구조적 강화 없이 금속 재료만으로 압력하중을 견디도록 만든 용기이고, Type2는 강 또는 알루미늄으로 만들어진 금속제 라이너 위에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향으로 감아서 만든 용기이다. Type3은 강 또는 알루미늄으로 만들어진 얇은 금속제 라이너 위에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향과 길이방향으로 감아서 만든 용기로 금속제 라이너는 하중을 부담하지 않거나 극히 일부분만을 부담한다. Type4는 용기의 경량화를 목적으로 비금속 재료로 만들어진 라이너 위에 수지를 함침시킨 탄소섬유나 유리섬유를 원주방향과 길이방향으로 감아서 만든 용기로 비금속 재료로 만들어진 라이너는 하중을 거의 부담하지 않고, 가스가 새지 않도록 하는 역할만을 한다. 연료전지자동차에 사용되는 수소 저장 용기는 경량화를 위해 주로 Type3나 Type4가 사용되고 있다.

▲ 복합소재 실린더의 구조(Type 4).

▲ 복합재 압력용기 제조 과정(라이너에 강화섬유를 감는 모습).

▲ 탄소섬유 강화 복합재료 압력용기 (자료: 이노컴).

▲ DyneCell의 천연가스용 압력용기(알루미늄라이너+FRP).

▲ DyneCell의 천연수소연료전지자동차에 탑재되는 압축수소저장용 700기압급 복합용기가스용 압력용기(알루미늄라이너+FRP).

H₂1kg으로 100km 주행, 고압용기價 3천불
수소車 적용위해 비용·무게·내구성 고려 필요

■복합재 압력용기, 수소車 적용 활발

복합재 압력용기는 알루미늄 또는 플라스틱 소재의 라이너에 가볍고 강도와 강성이 뛰어난 탄소섬유를 에폭시 수지에 함침하여 감은 후 수지를 경화시켜 만들어진다. 탄소섬유 복합재 층이 내압하중의 대부분을 견디며 라이너는 기밀 유지와 복합재 층을 감기 위한 기본형상을 제공한다. 이러한 재료의 조합은 초경량 압축가스저장 시스템으로서 안전성과 성능 면에서 가장 이상적인 형태이다. 복합재 압력용기는 기존의 금속재질의 압력용기에 비해 매우 가볍고, 더 높은 압력에 견딜 수 있으며, 반복 사용 수명이 매우 길고, 부식에 강한 우수한 특성을 갖는다. 특히 금속 재질 압력용기는 결함이 발생되면 폭발의 위험이 있으나, 복합재 압력용기는 폭발 전에 압력이 누출되어 폭발이 일어나지 않는 안전한 특성을 갖는다.

복합재 압력용기는 본래 우주용 발사체의 각종 고압가스를 저장하는 경량 고성능의 압력용기로 개발되었으나, 근래에는 압축천연가스자동차용 연료 저장 탱크로 널리 사용되고 있으며, 최근 수소연료전지자동차용 연료 탱크로 개발되면서 크게 주목받고 있다.

연료전지자동차의 수소저장 용기로는 가볍고, 부피가 작으며, 보다 안전한 고성능의 압력용기가 필요하기 때문에 탄소섬유 복합재료로 만들어진 복합재 압력용기가 가장 적절한 수단으로 인정되고 있다. 현대자동차에서는 지난 2001년 6월 세계 최초로 350기압 수소저장시스템을 개발하여 싼타페 연료전지차에 장착하고 시험운전을 성공적으로 완료하였는데, 이후 대부분의 자동차 회사들이 350기압 급의 복합재 압력용기를 탑재하고 있다. 최근에는 더 많은 수소를 저장하기 위해 700기압의 초고압으로 수소를 압축하여 저장할 수 있는 복합재 압력용기가 개발되고 있으며, 연료전지자동차의 실용화를 위한 핵심기술 중 하나로 주목받고 있다. 현대자동차에서도 국제적인 기술검증 컨소시엄에 참가하여 저장탱크, 레귤레이터 및 각종 부품들을 평가했으며, 이를 바탕으로 700기압 수소저장 시스템이 개발되고 있다. 압축수소탱크는 고압가스 압력조절기를 탱크의 내부에 장착하여 탱크의 외부에는 저압의 부품들만이 사용하도록 한 기술(In-Tank Regulator기술)이 적용돼 우수한 안전성을 확보한 것으로 평가되고 있다.

■탄소섬유 소재기술, 경량화의 핵심

고압 수소기체 저장 방식은 물리적인 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 동등한 성능을 내기 위해서는 높은 수소 저장 밀도를 갖는 경량 고압 수소기체 저장 용기를 사용하여야만 한다. 또한, 수소를 고압으로 급속 충전하면, 압축효과에 의한 열로 고압용기의 온도가 올라가기 때문에 이를 보완하지 않으면 밀도가 줄게 되어 주행거리가 짧아지는 경과를 낳게 된다. 독일, 미국, 일본 등 선진외국에서는 수소의 충전방법에 대한 연구도 수행되고 있으며 이를 충전기의 개발과 표준화 자료로 활용하고 있다. 국내에서도 수소의 고압충전용으로 경량, 고강성의 탄소섬유를 적용한 다양한 형태의 복합재료 압력용기가 개발되고 있고, 개발된 압력용기의 타당성에 대한 실증작업이 수행되고 있다.

경량용기를 만드는데 있어서, 카본파이버는 중요한 역할을 한다. 즉 700기압까지의 고압으로 수소저장을 할 수 있는 용기인 type 3, type 4 수소저장용기를 만드는데 필수적으로 사용되고 있으며, 이때 탄소재가 차지하는 가격이 고압용기 가격의 80%대 까지도 이를 것이라고 추산되고 있다. 현재 고압용기 가격이 3,000달러에 이르고, 이중 탄소재의 가격이 차지하는 비중이 크므로, 저가화와 대량생산은 단기적으로 이루어내야 할 과제이다.

미국의 에너지부도 PNNL (워싱턴주) 이 주도하고 포드자동차, 링컨 콤포짓, 토레이카본파이버 아메리카, AOC 등이 참여하며, 고압수소저장 용기의 가격저감이 목적인 프로젝트에 210만달러를 투자하고 있다. 이 과제를 통하여, 카본파이버 복합소재와 수소저장탱크의 설계 제조 기술 개선으로, 현재 예상하고 있는 가격의 1/3 정도를 낮출 것으로 기대하고 있다.

우리나라에서도 태광산업이 2012년 3월 탄소섬유를 생산한다고 발표하였으며, 효성은 2014년 생산을 목표로 공장을 짓고 있다. 구미에 있는 도레이첨단소재는 일본 도레이(TORAY)의 기술력을 바탕으로 2013년 상반기 탄소섬유를 생산할 예정인 것으로 보도된 바 있다. 하지만, 700기압에 사용할 수 있는 정도의 특성을 가진 탄소재의 비용이나 생산량이 어느 정도가 될지는 장담할 수 없다.

탄소섬유 복합재용기, 수소車용으로 ‘주목’
CNG車 적용 시장 확대, 국산화 노력 시급

■수소E사업단 성과와 전망

수소에너지사업단 출범 초기부터 고압수소저장 용기 개발의 중요성을 인지해, 현대자동차, 기계연구원과 이노컴 및 케이시알(현재는 일진컴지트에 합병됨)의 참여하에 700기압을 목표로 한 타입 3, 4의 용기개발을 추진해 왔으니 1단계 3년을 마치고, 지경부의 사업으로 이관했다. 이는 연료전지자동차의 운행에 필요한 기술이기에 좀 더 강력한 정부의 지원이 필요하다고 보았기에 당시 혁신본부의 참여하에 지경부와 교과부가 협의를 거쳐 결정한 사항이다.

1단계 3년간(2003-2005), 케이시알(현 일진컴포지트)은 수소연료전지 자동차에 적용할 수 있는 초경량 복합재료 기체수소 저장용기(Type4)를 개발하기 위해 가스밀폐도가 우수한 금속성 노즐보스와 라이너 재료를 개발하고, 이를 이용해 복합재료 고압용기(Type4)용 라이너를 개발했다. 사용압이 350bar이고, 파열압이 823bar인 복합재료 압력용기에 적합한 Filament Winding 패턴을 설계해, Filament Winding 공정을 개발하고, 내열성 및 강인성이 우수하며, 강화섬유와 접착특성이 우수한 열경화성 수지와 시스템 수소저장용량 4.5wt%를 만족하는 강화섬유를 선정해 Prototype 용기를 제작했으며, 제작된 용기에 대해 국제 규정을 만족하는 각종 시험을 통해 그 타당성을 검증한바 있다. 또한 국내외 특허 6건을 등록 또는 출원했다. 기계연구원은 이노컴의 참여로 국내 최초로 복합재 압력용기의 제조/시험평가 관련 설비를 구축해 국내 복합재 압력용기 개발 및 실용화의 토대를 마련했다. 국내 최초로 200bar급 차량용 복합용기에 대해 KGS 인증을 획득해 Type3 복합용기의 국산화에 성공했으며, 300bar급 소형복합용기에 대한 국내 KGS와 미국 DOT, 유럽 CE의 설계인증을 획득해 실용화에 성공했다. 또한 Type3 복합용기에 대한 DOT의 제조자 인증을 획득해 제조/검사 설비와 품질시스템의 우수성을 검증 받았다.

현대자동차는 연료전지 자동차용 350bar 고압 수소저장 시스템용 고압 레귤레이터 개발 및 시스템 통합기술 개발을 목표로 연구를 진행했다. 연료전지 자동차에 적용중인 고압수소저장시스템 주요부품의 특성을 분석 및 주요 특허 분석을 실시해, 레귤레이터의 개념을 설계하고 목표성능 및 시험기준을 정립했다. 이를 바탕으로 고압 레귤레이터 시제품을 설계/제작하고, 제작된 시제품을 평가/분석할 수 있는 장치를 구축, 시험/평가를 실시했다. 시스템 통합을 위한 개념을 설계하고, 350bar 고압수소 저장/공급시스템 모사시험용 장치를 구축해 통합시스템의 성능 평가를 통해 시스템 제어 알고리즘을 개발 한 바 있었다.

▲ (左)김종원 수소에너지사업단 단장과 정문선 수소에너지사업단 팀장.

지경부 사업으로 이관된 이후에도 현대자동차를 중심으로 700기압용기와 시스템에 대한 지속적인 연구개발이 이루어져 왔다. 일진컴포지트는 2012년에, 파열압 1575bar, 시스템 수소저장용량 4.5wt%, 시스템 체적 밀도 20kg/㎥이상인 700bar급 타입4의 복합재료 압력용기를 개발해, EC79/2009기준에 따라 시험 평가를 해 설계기준에 만족함을 확인했다.

전 세계 자동차 업체가 당장 자동차에 적용하기 위한 기술로서 고압저장을 꼽고 있으며, 실증주행을 통해 입증된 바와 같이, 상용화가 가능한 수준까지 이르렀다. 이러한 고압수소저장기술은 CNG 차량에서도 공통으로 이용할 수 있는 기술이므로 향후 시장의 확대가능성이 매우 크며, 압축기 등 주변 기술과 함께 국내에서도 국산화 노력이 필요한 분야로 보고 있다.