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수소 연료전지 자동차 안전성 평가기술 개발 현황

페이지 정보

글 : 채영석(webmaster@global-autonews.com)
승인 2013-05-06 22:33:28

본문

1. 서론
자동차는 생활에 편리함을 주는 필수품이기도 하지만, 도시와 같은 인구 밀집 지역에서는 자동차로 인한 배기가스에 의한 대기오염, 주행 중 발생 소음과 같은 공해가 심각한 사회문제로 나타나고 있다. 또한 이산화탄소 등 온실가스 배출의 증가는 지구온난화를 가속화 시키고 이로 인한 이상기후 현상은 자연 재해를 유발하여 사회적 손실을 증가시키고 있다.

글 / 김광일 (자동차안전연구원)
출처 / 한국자동차공학회 오토저널 2013년 3월호

따라서 자동차 배출가스에 의한 사회적 손실 비용을 줄이고 삶의 질 향상을 위해서는 고효율 고청정 자동차인 그린카의 보급 확대가 절실히 요구된다. 그린카는 화석연료를 이용하여 구동되는 일반자동차에 비해 에너지효율을 높여 탄소배출량을 획기적으로 낮춘 자동차를 통칭한다. 하이브리드 자동차, 전기자동차, 연료전지 자동차로 대변되는 그린카는 현재 자동차 기술개발의 핵심기술이며 향후, 자동차 제작사의 신성장
동력으로 대두되고 있다.

정부는 2008년 8월 녹색성장 비전 선포 후 2010년 12월‘그린카 산업발전대책’을 수립하였다. 2015년까지 그린카 기술 4대 강국 달성 비전을 설정하고 2015년까지 120만 대 국내생산, 90만 대 수출 목표를 제시하였다. 이를 위해 초기시장 보급기반 확충을 위한 제도정비를 집중적으로 추진하고 있다.

2. 각국 수소 연료전지 자동차 개발 현황

2.1 한국
현대자동차는 미국의 UTC Fuel Cell과 기술제휴를 통해 연료전지 자동차를 개발하기 시작하였으며, 2000년에는 싼타페 연료전지 자동차를 발표하였다. 양사는 2003년 6월에 영하의 온도에서도 구동이 가능한 연료전지 자동차를 개발하기 시작하여, 2004년 2월의 Geneva 모터쇼에서는 투싼 연료전지 자동차를 발표했으며, 기아자동차도 2004년 9월 파리 모터쇼에서 스포티지 연료전지 자동차를 발표하였다.

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이들 새로운 연료전지 자동차는 영하 10℃의 저온에서도 운전가능하나, 이와 같은 성과에도 불구하고 연료전지 관련 국내 부품기술은 아직 성숙되지 않아 대부분의 부품을 수입에 의존하고 있었다. 초기 시작품 수준의 부품을 적용하거나 다른 용도 제품의 적용이 이루어졌으나 연료전지 자동차의 시장이 조금씩 확대되면서 국산화 부품이 지속적으로 개발되었다.

2006년부터는 국산화한 연료전지 부품이 순차적으로 적용되어 국내 시범운행을 실시하였고, 2013년 2월 신개념 운반 설비 등 새로운 생산 공법을 적용한 수소 연료전지 자동차 전용 생산 공장을 구축하였다.

2.2 미국
미국 캘리포니아 주에서는 2003년부터 메이커별 판매 차량 중 완전무공해(Zero Emission Vehicle), 저공해차 비율을 10% 제조 판매하도록 의무화하고 4%는 순수 전기자동차, 6%는 Partial ZEV(배출가스 조건을 만족하는 하이브리드 및 연료 전지차 등)로 만들 것을 채택하였다. 이 규정에 의해 각 업체는 2008년까지의 시장 점유율에 따라 250대의 연료전지 자동차를 도입하였다. 캘리포니아 주에서 시작된 이 규제는 2007
년 이후 뉴욕, 메사추세츠, 버몬트 주로 계속 확대되고 있다. ZEV 규제에 따라 미국은 Freedom Car와 Fuel Initiative와 같은 국책 프로그램을 통해 연료전지 자동차 개발에 17억 달러의 연구비를 투자하며 Hydrogen Fleet Program을 실시하여 왔다. 미국 에너지성(DOE)에 의하면 2012~2015년경에 연료전지 자동차가 시범보급을 시작하여 2015년까지 캘리포니아 지역에 4,000대, 2018년까지 50,000대까지 시장이 성장할 것으로 예측하고 있다.

2.3 독일
2006년 4월“국가 수소 및 연료전지 혁신프로그램”을 발표 정부와 업계가 향후 10년 동안 수소 및 연료전지분야 혁신프로그램에 10억 유로를 투자키로 하였고 2008년 3월 다임러는 -25도의 실외환경에서의 주행시험을 성공적으로 마쳤다. 또한 수소 연료전지 자동차 양산화에 발맞추어, 독일은 2015년까지 100기, 2020년까지 400기의 수소충전소를 구축할 계획을 세우고 있다.

2.4 일본
일본 정부는 2002년 12월 도요타와 혼다가 관공서를 대상으로 리스방식 통해 한정 판매한 것을 시작으로 2015년까지 충전소 1,000기 건립, 연료전지차 200만 대 운행을 목표로 매진하고 있다.

국토교통성은 2004년 11월 연료전지 자동차용 고전압 및 고압수소에 대한 Technical Standard를 제시하였고 일본 NEDO에서는 연료전지 자동차의 안전시험법 및 안전기술연구를 수행하고 이를 토대로 국제기술표준 및 국제안전기준 제정을 위하여 노력하고 있다.

2.5 중국
‘제18회 세계 수소에너지학회 2010’에서 중국 과학기술부는 중국 중장기 에너지 분야 7대 최고 우선 정책(2006~2020)으로‘대규모 신재생 에너지 이용기술’및‘수소 및 연료전지기술’을 선정하였으며, 중국 환경차 로드맵을 통하여 2015년 이후 수소 연료전지차의 확대 계획을 밝혔다.

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3. UN/ECE/WP.29 활동 현황
UN/ECE/WP.29는 수소 연료전지 자동차개발이 활성화됨에 따라 각국 마다 상이한 기준개발로 인한 문제점, 경제성과 안전성 및 환경요구에는 부합하되 불필요한 장애요인은 없애고 새롭게 기준 조화된 세계기술규정(GTR)을 개발하고 있다. 각국은 자국의 선행연구 결과를 세계기술규정 제정에 유리하게 반영하기 위한 노력을 기울이고 있다.

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3.1 SGS (안전분과)
UN/ECE/WP.29 GRSP 산하 수소 연료전지 자동차 안전분과 기술회의(SGS)는 수소저장장치(압력용기)및연료공급장치안전성분야에대한1단계국제기술규정(GTR)제정임무를수행하였으며,‘ 2012년12월개최된 GRSP 전문가 회의’에 GTR 최종안이 승인되었으며. 2013년 WP29 총회에 상정될 예정이다.

GTR 초안은 Part A(타당성 및 기술적 배경), Part B(법규 본문)로 구성되어 있으며, 압축수소저장장치에 대한 시험종류는 기본설정 입증시험, 내구성능 입증시험(유압 순차시험), 예상 주행성능 입증시험(공압 순차시험) 및 화재시험 등을 포함하고 있다.

3.2 ELSA (전기안전분과)
ELSA(전기안전분과) 기술회의는 수소 연료전지 자동차의 세계기술규정 제정뿐만 아니라 ECE R100 개정을 함께 다루었다. ECE R100은 수소 연료전지 자동차는 물론 전기자동차와 하이브리드 자동차를 포함한 고전압(400V 이상)에 대한 안전성 확보를 위한 성능요건 및 시험절차를 논의 하였으며 최종안을 2010년 8월 SGS(안전분과)에 제출하고 활동을 종료하였다.

4. 국내 안전성 평가기술 개발현황

4.1 연구현황

“수소 연료전지 자동차 안전성 평가기술 개발”연구는 교통체계효율화사업으로 총 5년(2007년 12월~2012년 12월)에 걸쳐 연구를 수행하였으며, 사업비는 244억 원(정부 122억 원, 민간 122억 원)이다. 교통안전공단 자동차안전연구원이 주관기관을 담당하였으며 현대자동차 등 5개 기관이 공동연구기관으로 참여하여 연구를 수행하였다. 연구의 최종목표는 수소 연료전지 자동차의 구조 및 장치 등에 대한 안전성 확보를 통해 국민의 생명을 보호할 수 있도록 고전압장치, 수소안전성 등에 대한 안전기준 및 평가기술을 개발하여 안전기준 및 시행세칙을 제∙개정함으로써 수소 연료전지 자동차 제도적 보급기반을 구축을 목표로 하였다.

4.2 주요 연구내용

4.2.1 연료 공급시스템 고정성 시험

연료탱크의 고정상태, 연료누출상태 등을 확인하기 위하여 연료 공급시스템의 충돌모의 시험을 실시하였다. 시험방법은 40bar 압력의 수소를 연료탱크에 채운 후 자동차의 길이방향으로 6.6g 이상의 충격을 가하고, 수평횡방향으로 5g 이상의 충격을 가한다. 시험 전∙후 30분 이상의 압력 변화량을 체크하여 수소의 누설여부를 확인, 연료저장 및 공급장치를 고정하고 있는 고정부 및 연료장치 자체에 파단 등의 파손유무를 확
인한다.

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4.2.2 수소 저장시스템 충돌시험
수소 연료전지 자동차의 신후방 충돌성능을 평가하기 위하여 실제 운행되는 차량 중 2대를 선정하였으며, 1차는 신후방 충돌 후 위험성을 고려하여 불연성 가스인 헬륨 30bar로 충돌 후 가스의 누출 여부를 확인한 후 2차로 수소 30bar로 최대한 실제 운행 동일한 상태에서 시험을 진행하였다. 신후방 충돌 시험은 전기 연속성 및 실제 운행상태에서의 충돌 시 거동을 관찰하기 위해서 정상 시동 상태애서 시험을 진행하였다.

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충돌 후 탱크 내부의 수소압력을 확인한 결과 30bar 전량 존재하고 있었으며, 차량에 장착된 수소센서에서도 수소의 감지는 없었다.

4.2.3 자동차 화재시 안전성 평가
사용 압력(70MPa) 상태에서 화재시험 시 발생할 수 있는 위험 상황을 고려하여 콘크리트 방벽으로 제어실을 보호하였으며, 화염 인가 시 발생되는 연기 및 위험성에 가장 적합한 군부대 포탄 시험장에서 시험을 진행하였다. 시험 결과 GTR 규정된 시스템 및 탱크의 국부화재 결과, 탱크의 파열없이 정상적으로 TPRD 작동하였다.

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4.2.4 수소누설 위험모델 안전확보 연구
주차장 및 터널 등 자동차 기반기설에 대한 수소 누설 시 안전성을 평가하기 위하여 기반시설에 대한 국내 외 기준 및 연구자료 등을 분석하고, 컴퓨터 해석 모델 설계 및 위험조건에 따른 수소 확산 거동 등을 분석하여, 수소 연료전지 자동차 운행 시 안정성 확보를 위한 안전 기준안을 제안하였다. 주차장의 경우 기계식 주차장과 지하주차장에 대한 수치해석을 진행하였으며, 각 조건에 따른 주차장 내부의 수소가스의 확산거동을 분석하여 수소가스의 분포를 예측하였다. 터널의 경우 차량 추돌을 가정한 해석 케이스에 따른 수소누설조건을 다르게 하여 터널 내부 수소가스의 확산 및 분포를 예측하였다. 이러한 연구의 결과는 수소 안정성 평가의 기본 자료로 활용될 수 있을 것이며 이를 통해 안전기준안 및 환기 팬, 수소 센서 등의 설치 지침의 근거를 마련하였다.

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4.2.5 실차화재시험
수소 연료전지 자동차 실차 화재시험 및 수소탱크에 대한 화재 안전성 및 신뢰성을 평가하기 위해 실차화재 시험조건 및 GTR(Global Technical Regulation)의 화재시험 기준에 따라 시험을 하고, 그에 따른 고압 수소 저장시스템 및 수소탱크의 안전장치 동작여부, 화염의 형상 및 온도 분포를 확인하여 고압 수소 저장시스템 및 수소탱크의 화재 안전성을 확인하였다.

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4.2.6 전자파 적합성 시험
전자파 시험 항목으로는 각종 모터류, 배선 및 스택 등에서 발생하는 불요 전자파를 측정하는 광대역방사시험과 마이크로프로세서가 포함된 각종 제어 및 편의장치 등에서 발생하는 불요 전자파를 측정하는 협대역방사시험 및 수소 연료전지 자동차의 오동작 현상을 관측하는 내성시험을 실시하여 전자파의 영향으로 인한 오작동 여부 및 특이사항 등 을 파악하였다.

5. 안전기준 제개정 현황

5.1 수소안전성

수소 연료전지 자동차는 350MPa 이상의 고압 수소 가스사용에 대한 저장용기에 대한 안전성 확보가 중요한 요소이다. 따라서 충돌 시 수소연료의 저장 및 공급장치의 파손으로 폭발 및 화재로 이어질 수 있는 2차사고 발생가능성을 방지하기 위하여 충돌모의 시험을 통해 충돌 시 수소저장 및 공급시스템 안전성 확보에 대한 평가방법(안)을 도출하였으며, 차량 화재시 고압 수소 저장시스템 안전성 평가 시험 및 연료전지 스택, 배터리 안전성 평가시험을 실시하였고, 이에 대한 안전성 확보 방안을 강구하였다.

5.2 운행안전성
충돌 시 수소연료누설 안전성 확보를 위해 80.5km/h 이동벽 70% 옵셋 후면충돌시험을 실시하여 세계기술 기준(GTR)에서 제시한 수소안전성 관련기준과 국내안전기준 제91조에 명시된 고전원 전기장치 자동차의 충돌 시 전기절연성능, 구동축전지의 고정성, 구동축전지의 전해액 누출량 등을 평가하고 시험절차 문제점 검토를 통해 평가방법(안)을 도출하였다. 또한 연료소비율, 출력장치(구동축전지, 연료전지, 시스템출력),전기식제동장치, 서리 및 가속제어장치 안전기준 평가시험을 실시하여 안전기준 및 시험방법에 대한 부합여부를 확인하고 시험방법의 문제점을 개선하여 평가방법(안)을 도출하였다.

5.3 전기안전성
고전압 시스템의 전기안전성 확보를 위해 운행 시, 충돌 시, 정비 시, 충전 시 등의 상황에서 격리 및 접지인체감전 등에 대한 안전 안정성 확보 방안을 강구하였으며, 전자파에 의한 오작동 등을 방지하기 위한 기준 및 방법을 개정하였다.

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6. 결론
국제적으로 무공해 또는 저공해 자동차의 판매를 의무화하고 자동차 배기가스에 대한 규제를 강화하는 등 환경 보전을 명분으로 한 각종 규제들이 강화되고 있다, 따라서 수소 연료전지 자동차와 같은 친환경 자동차에 대한 관심 및 연구 지원이 날로 증대되고 있으며 친환경 자동차 시장은 지속적으로 성장할 것으로 예측된다. 국내 제작사는 2013년 2월 세계최초로 양산체제를 구축하였으며 2015년까지 유럽을 비롯한 전 세계에 1,000대를 판매할 예정이다. 이번 수소 연료전지 자동차의 양산 체계 구축은 2015년 이후 양산예정인 글로벌 업체들 보다 최소 2년 정도 빠른 성과이다.

또한 수소 연료전지 자동차 안전성 확보를 위한 제도적 보급기반을 구축을 위해 자동차 안전기준 및 시행세칙 제개정을 추진 중에 있으며 2013년 상반기 입법 완료될 예정이다.

그러나 수소 연료전지 자동차 시장이 확대되기 위해선 현재 화성(자동차안전연구원), 용인, 울산 등 전국에 총 13기의 충전소가 운영되고 있는 수소 충전소의 보급 및 확대가 시급하다. 따라서 정부는 수소충전소의 보급을 위한 제도적 경제적 지원을 증대시켜야 할 것이다.
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