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[오토저널] 수소전기자동차용 수소센서 및 압력센서 현황

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글 : 원선웅(mono@global-autonews.com)
승인 2020-03-24 11:32:53

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미래학자이자 경제학자인 제러미 리프킨(Jeremy Rifkin)은 2002년 저술한 <수소혁명>에서 자원고갈에서 자유롭고, 무공해 에너지원인 수소가 궁극적인 에너지원이될 것이라 전망하였다. 최근 정부는 수소경제를 미래의 중요한 기반경제로 선정하고 ‘수소경제 로드맵’을 발표하면서 이를 달성하기 위한 구체적인 실행 방안 및 전략 등을 만들어 가고 있다.

 

수소전기자동차는 1990년대 이전부터 글로벌 주요 완성차 업체를 중심으로 지속적인 연구가 이루어져 왔지만, 글로벌 시장에서의 상용화는 2013년 현대기아차의 투싼 연료전지차 양산을 기점으로 본격적인 양산체제에 들어가게 되었다. 이후 토요타 및 혼다에서의 수소전기자동차 양산이 이어졌으며, 현대기아차에서는 수소전기자동차 전용 플랫폼인 넥쏘를 2018년 양산하면서 본격적인 수소경제 시대를 견인하고 있다.

 

수소전기자동차의 파워팩 모듈 및 주변장치
수소전기자동차의 구성은 <그림 1>에서와 같이 내연기관의 엔진에 해당하는 발전장치인 스택과, 스택 운전장치 그리고 배터리 및 구동모터로 구성된다. 스택은 화학에너지를 전기적 에너지로 변환하여 전기를 발생시키는 연료전지를 말하는 것이고, 단위 연료전지를 차량이 원하는 전기적 출력량만큼 적층하여 만든 것이다. 그리
고 스택 운전장치에는 공기 공급장치, 수소 저장 및 공급장치, 열 및 물관리 장치 등이 있다.

 

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공기 공급장치는 스택에서 수소와 원활한 전기화학반응이 일어나게 하는 공기를 공급하는 역할을 하는 시스템으로서, 구성부품으로는 필터, 압축기, 가습기 등이 있으며 공급 공기의 압력과 유량, 온도 상황 등을 확인하는 센서 등이 사용되고 있다.


수소 저장 및 공급장치는 수소전기자동차의 연료에 해당하는 수소를 저장하고 스택으로 이송하는 기능을 담당하고 시스템으로서, 구성 부품으로는 수소저장용기, 압력레귤레이터, 재순환장치인 이젝터 또는 블로워, 워터트랩 등이 있으며, 공급수소의 압력 및 유량, 온도, 그리고 수소누설 여부 등의 상황을 관리하는 센서가 적용되고 있다.

 

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열 및 물관리 장치는 스택에서 수소와 산소가 반응하여 발생되는 열에너지 및 물을 차량 및 시스템 관점에서 적절하게 활용하고 열교환하여 공조시스템 및 스택과 스택주변장치 등의 안정성과 효율 향상을 도모하는 역할을 하는 시스템으로서, 구성부품으로는 라디에이터 및 워터펌프, 전동식밸브, 이온제거기 등이며 냉각수의 온도, 압력, 유량 등을 관리하는 센서가 사용되고 있다.


수소전기자동차용 전용 센서 현황
수소를 연료로 사용하는 수소전기자동차에는 내연기관 및 전기차에서 사용되는 온도센서, 유량센서, 압력센서, 전류센서 등 오랫동안 사용되어진 완성도 높은 센서들 이외에 수소 및 연료전지 환경에서 요구되는 수소전기자동차 전용의 수소센서, 수소압력센서 등이 있다. 이러한 수소전기자동차 전용의 수소센서 및 수소압력센서의 적용 수량 및 위치는 각 완성차업체의 파워팩 모듈 및 스택 주변장치 등의 시스템 구성도와 차량 운전 로직 및 운용 전략에 따라 수량 및 위치가 다소 다르게 사용되어 지고 있으며, 수소 환경에서의 사용을 위하여 수소취성에 대한 충분한 고려가 반영된 재질의 검토가 필수적이라 할 수 있겠다.


●수소센서
 수소센서는 수소가스의 누설을 감지하는 수소가스 누설검지 센서와 수소 농도를 관리하는 수소농도센서로 나누어지며, 수소가스 누설검지 센서는 수소전기자동차에서 수소 저장용기부근, 수소 이송 배관계의 이음매 부근, 스택주변, 그리고 차량 실내 등에 적용되고 있으며, 수소 농도센서는 스택 출구 부근 또는 수소희석 및 배기장치 부근에 적용되어 지고 있다. 수소센서의 구조 및 패키징 형태는 <그림 2>와 같이 차량에 취부할 수 있는 마운팅 구조를 가진 열경화수지의 하우징과 타 가스 및 오염을 방지할 수 있는 필터로 외형이 구성되고 내부는 수소검지 센서모듈과 신호처리부가 하우징에 결합되어 있는 형태이다.


수소센서의 검지 원리들 중에서 상용화 수준에 있는 대표적인 방식으로는 기체열전도식, 열선형 반도체식, 접촉연소식 등이 있으며, 연구개발 단계에 있는 방식으로는 광학식 및 수소 FET(Field Effect Transistor)식, 복합재 투과 필름박막 방식 등이 있으며, 이들 방식들 이외에도 적용환경 및 감지소자, 수소가스의 특성을 고려한 여러 가지 방식의 검지원리가 다양하게 연구되고 있다.


기체열전도식은 <그림 3>과 같이 공기가 들어있는 완전밀폐형의 백금피막저항체를 가진 온도보상 소자와 검지가스가 유입될 수 있는 개방형 백금피막저항체의 검지소자로 구성되어 있으며, 산소가 없는 환경에서도 측정이 가능한 특징이 있으며, 고농도 수소센서에 적합한 방식이다.

 

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열선형 반도체식은 <그림 4>와 같이 수소가스에 반응하는 금속산화물 반도체 결정체를 백금와이어에 부착한 것으로, 특정가스에 선택적으로 반응할 수 있도록 설계할 수 있는 장점과 출력값이 곡선형태로 나타나는 특징이 있으며, 장기 안정성 및 내구성이 우수한 것으로 알려져 있다. 접촉연소식은 수소가스가 검자소자의 촉매와 접촉하면서 산소와 산화반응을 할 때 발생하는 열을 이용하여 히터의 저항을 측정하는 방식이며, <그림 5>는 접촉연소식 수소센서의 반응도이다. 2개의 수소분자와 한 개의 산소분자가 결합하여 2개의 물 분자와 열에너지를 생성하게 된다. 이 때 원활한 반응을 위해서는 백금과 같은 귀금속 촉매가 사용되며 수백도 이상의 고온 분위기를 유지하기 위해 센서 내에는 히터가 내장된다.


<그림 6>은 백금와이어를 사용하는 접촉연소식 수소센서의 구조도로써, 알루미나와 백금와이어로 구성된 온도보상 소자와 귀금속 촉매가 포함된 알루미나 결정체와 백금와이어로 결합된 검지소자로 구성되어 있다. 접촉연소식 수소센서는 대부분의 완성차 업체 및 연료전지 발전 업체에서 수소가스 누설검지용으로 사용되고 있으며, 가스 선택성 및 장기 내구성 개발 등의 기술적인 어려움이 있지만, 빠른 반응에서 사용되는 일반적인 압력센서 이외에 수소전기자동차의 운전 환경을 고려한 전용의 수소압력센서가 요구된다. 수소전기자동차에서 압력센서는 수소저장용기 부근 및 수소이송 배관계에서 700bar 고압 및 20bar 중압의 압력센서가 각각 사용되고, 스택 입구 부근에서 스택 운전압력인 저압의 압력센서가 사용되고 있다. 스택 운전압력은 완성차 업체의 연료전지 파워팩 운용전략에 따라 서로 다르게 요구되고 있는 상황이다. 이때 스택 입구 부근에 적용되는 저압용 압력센서의 경우, 연료전지 반응 특성으로 인하여 수소가스가 스택에서 반응하는 과정에서 발생되는 수분이 수소가스에 가습이 되며, 이러한 수분이 함유된 수소가스 압력을 차량 운전상황에 따라 저온상태와 상온 및 고온상태에서 관리하여야 하는 환경을 고려할 필요가 있다.

 

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압력센서는 널리 많이 사용되고 있는 직접검지방식과 특수한 사용 환경을 고려한 간접검지방식이 있다. 직접검지방식의 압력센서 구조는 <그림 7>과 같이 압력측정 매질이 이동하는 경통부와 압력을 감지하는 센싱소자 그리고 신호처리부와 커넥터를 포함한 하우징의 패키징 구조로 되어 있다. 센싱소자는 검지하고자 하는 압력범위와 적용 환경에 따라 다양한 형태의 재료를 사용하고 있으며, 센싱 방식은 스트레인 게이지 방식과 압전 방식이 사용 환경과 신호처리 방식에 따라 다양하게 응용되어 사용되고 있다.


간접검지방식의 압력센서는 수소전기자동차의 스택 입구 부근에 적용되고 있으며, 그 이유는 영하의 저온 환경에서도 압력검지가 가능한 구조의 요구를 반영한 것이라 하겠다. 간접검지방식의 압력센서 구조는 <그림 8>과 같이 영하의 저온 환경에서도 압력측정 매질이 박막을 가압하게 되어 내부 충진된 유체가 압력감지 소자를 가압하게 하는 구조를 지니고 있으며, 센싱소자 및 신호처리부, 하우징 등의 패키지는 유사하다. 내부 충진 유체의 종류 및 충진량은 가압하는 압력의 범위 및 압력검지 소자의 검지 범위에 따라 설계자가 적절하게 사용 환경에 맞도록 설계하고 최적화하여 개발하는 과정을 따른다. 

 

글 / 서호철 (세종공업)

출처 / 오토저널 2019년 4월호 (http://www.ksae.org)  

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