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[오토저널] 수소전기자동차 현황과 시장확대를 위한 표준화 노력

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2020-12-01 02:16:38

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수소전기자동차 현황
최근 많은 환경오염 문제로 친환경 자동차에 대한 대중들의 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 전기자동차, 수소전기자동차 등 배기가스 배출이 없는 친환경 차량 구매를 유도하기 위해 세계 각국에서는 친환경 차량 구매 보조금 및 노후 차량의 도심 진입을 제한하는 등의 다양한 정책을 펼치고 있다.

각국 정부 정책에 맞춰 일부 차량 제조사들은 내연기관 자동차의 추가적인 개발을 진행하지 않고 하이브리드 자동차, 전기자동차와 수소전기자동차 등 다양한 친환경 차량을 지속적으로 개발을 늘릴것이라고 이야기하는 업체들이 있다. 다른 일부 회사들은 앞으로 수 년 안에 모든 발매 차량을 친환경 자동차로만 출시할 것이라고 이야기를 하는 업체들도 있을 정도로 대부분의 자동차 제조사들이 배기가스가 없는 친환경 차량을 출시하기 위해 경쟁을 하고 있다.

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특히 국내 현대자동차의 경우 수소전기자동차 부분에 많은 투자를 진행하였다. 올해 7월 스위스 수소 솔루션 기업인 H2에너지와 합작회사를 설립하였고, 최근 수소전기트럭 10대를 수출했다고 이야기하고 있다. 또한 미국의 수소전기자동차 설계 회사인 니콜라는 수소전기 하이브리드 픽업트럭인 니콜라 배저와 다양한 상용 트렉터를 발표하며 많은 사람들의 관심을 받고 있는 상황이다. 수소전기자동차의 시장이 이제 막 시작되면서 점점 많은 사람들의 관심을 받는 산업으로 성장해 가고 있다.

한국의 경우 수소전기자동차를 2019년 10월까지 3,207대를 판매했고 미국은 1,798대, 일본의 경우 596대를 판매한 것으로 조사 되었다. 특히 수소전기자동차의 보급은 현재 초기 단계로 세계 각국에서도 판매를 위해 사전 인프라 구축 등 다양한 준비를 하고 있고, 앞으로 전세계에서 많은 판매를 보일 것으로 예상되고 있다.(출처 : 한국 세계 1위 수소차 시장으로… 판매량 622% ‘급성장’, http://it.chosun.com/site/data/html_dir/2019/12/02/2019120202841.html)

세계 수소전기자동차 시장 전망은 2020년에 약 3만여대의 수소전기자동차가 판매될 것으로 예상하고 있으며 2025년에는 약 19만대, 2030년까지 약 58만대를 판매하여 2020년 대비 약 20배의 판매대수 증가를 보일 것으로 예상하고 있다. 또한 2030년 아시아태평양 지역에서 판매한 수소전기자동차는 2030년 전체 판매의 절반이 넘는 약 34만대가 판매될 것으로 예상되고 있다.

수소전기자동차의 주요 부품
친환경 자동차 중 수소연료전지 차량의 경우 전기자동차에 비해 다양한 부품이 들어가고 있다. 전기자동차의 주요 부품인 모터와 배터리 이외에 수소전기자동차의 핵심 부품인 연료전지 스택과 연료인 수소를 저장하는 고압탱크 등 추가적인 장치가 필요하다.

수소전기자동차의 장점은 기존 내연기관 차량과 비슷한 연료 충전시간을 가지고 있고, 거의 동일한 주행거리를 지니고 있다. 따라서 최근 상용차업계에서 많은 관심을 보이고 있다. 또한 유해가스의 방출이 없는 친환경 차량으로 환경을 위해 많은 사람들이 관심을 가지고 있는 차종이다. 대신 단점으로는 일반 내연기관 대비 고가의 차량 가격과 수소 생산 및 충전 인프라에 추가적인 초기 시설 구축 비용이 생긴다는 것이 단점이다.

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수소전기자동차의 전체적인 구성은 하이브리드 자동차와 비슷한 모습을 보이고 있다. 수소전기자동차의 동력인 전기에너지를 만드는 과정을 간단히 설명하면 다음과 같다. 수소 저장장치(700bar)에 저장된 수소를 연료전지스택에 전달하기 위해 1~2bar까지 압력을 낮춰 전달한다. 차량의 에어클리너를 통해 정화된 깨끗한 산소와 압력을 낮춘 수소를 연료전지스택에서 만나게 한다. 이때 수소에서 전자가 떨어져 나오고 수소이온과 산소가 만나면서 물을 만들어내고 전기에너지를 발생시킨다. 이때 발생된 전기에너지는 수소전기자동차에서 사용하는 동력원이 되어 차량을 구동할 수 있게 한다. 혹은 남은 전기에너지는 배터리에 잠시 저장되어 차량의 전자장비들의 사용을 위해 이용하기도 한다. 추가적으로 수소전기자동차의 배터리는 차량의 회생 제동시 발생되는 에너지를 회수하기 위한 용도로도 사용된다. 그리고 수소와 산소가 만나 부수적으로 생산된 물은 외부로 배출된다.

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이런 수소전기자동차에 가장 중요한 부품은 구동을 위한 연료전지 스택과 전기모터라고 생각할 수 있다. 하지만 더 중요한 곳은 수소를 저장하는 수소 저장장치이다. 차량 내부에 고압의 수소를 안전하게 보관하고, 운행시 안전을 위해 꼭 필요한 장치이다. 하지만 수소 저장장치의 안전을 위해 제정된 국제 표준은 거의 미비한 상태이다. 특히나 유사시 수소전기자동차 내부의 고압 수소저장용기의 안전에 관한 국제 표준은 현재 미비한 상태이다.

현재 수소전기자동차에 대한 국제 표준은 ISO 및 관련 기구에서 활발하게 논의중에 있다. ISO 13984–액체수소 육상차량 연료 공급시스템 인터페이스, ISO 14687–수소연료 제품규격, ISO 15916–수소시스템의 안전을 위한 기본적인 고려사항 등 수소전기자동차에 관련된 다양한 표준이 제정되어 있고, 대부분 자동차에 대한 표준보다는 각 부분의 기본적인 안전에 관한 표준이 제정되어 있다.

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최근에는 각 부품에 대한 안전 표준이 아니라 수소전기자동차 전체 안전 시스템에 대한 표준제정을 위한 논의가 시작되고 있다. 그 중에서도 특히 유사시 수소 저장장치에 대한 국제 표준을 제정하기 위한 움직임이 점점 커지고 있다.

유사시 수소전기자동차의 안전성 확보를 위한 표준제정 필요
현재 운행되는 모든 차량이 수소전기자동차와 순수 전기자동차라면 수소 관련 폭발의 위험이 상당히 낮을수가 있다.

하지만 현재 도로를 주행하는 대부분의 차량은 내연기관이며 이런 내연기관 차량들과 충돌 사고시 내연기관차량의 열로 인해 화재가 발생될 확률이 존재한다. 만약 차량의 사고로 화재가 발생될 경우에는 수소저장장치(고압용기)가 폭발할 가능성이 높아진다. 이때 수소 저장장치 내외부의 온도 변화에 따른 수소 저장장치 압력을 줄이기 위한 밸브를 열어 수소저장장치 폭발의 위험성을 줄여주는 장치인 안전밸브장치(TPRD, Thermally-activated Pressure Relief Device)가 필수적으로 달려 있다. 하지만 이때 안전밸브장치(TPRD)의 운용 방법 및 내부 가스의 분출 방향 등이 안전을 위해 명확하게 표준으로 정해진 것이 현재는 없는 상황이다. 따라서 유사시 수소전기자동차의 안전성을 보장하기 위한 표준이 차량의 전체적인 안전을 위한 규격이 제정되지 않은 것을 알 수 있다.

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만약 차량의 사고로 인해 수소 저장장치의 주변의 온도가 높아지고 수소 저장장치의 온도가 상승하여 내부 압력이 올라갈 때 TPRD로 방출되는 수소의 압력은 매우 높으며, 만약 이때 차량에 탑승한 사람을 구조하는 활동을 하는 사람 혹은 실내에 구조를 기다리는 탑승객에게 방출될 경우 2차 사고가 발생할 가능성도 존재한다. 또한 방출된 수소가 차량의 어느 한 부분에 고여있을 경우 화재 발생시 폭발 가능성이 존재하는 등 수소저장용기 내부의 수소를 방출하는 상황에서도 다양한 위험이 발생할 수 있다. 만약 이런 상황이 빈번하게 나타난다면 수소전기자동차가 사고를 당했을 경우 구조대의 구조활동에 많은 제약 및 탑승객의 안전이 위협되는 등의 위험한 상황이 자주 발생될 수 있을 것이다.

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따라서 TPRD가 방출시 수소의 방출 방향 혹은 방출 임박시 사고 차량 주변에 경고를 알리는 등의 안전 규정 및 표준이 제정되어야 하지만 현재까지 안전을 위한 규정 및 표준은 미비한 실정이다. 그러므로 전반적인 수소전기자동차의 안전에 관한 표준을 만들어야 한다. 현재 제정된 수소전기자동차 각 부분의 운용 관련 국제 표준이 외에도 유사시 수소전기자동차의 안전성을 보장하기 위한 표준제정이 필요하다. 추가적으로 수소 안전관련 다양한 장치들이 시장에 등장하기 위해서는 관련 표준이 제정되어 전반적인 안전관련 장치표준을 제정해준다면 관련 산업이 성장할 수 있는 바탕이 될 수도 있을 것이다.

안전한 수소 저장 표준의 필요성
현재 수소전기자동차를 운용하는 많은 사람들은 친환경을 생각하며 차량을 구매하여 운용 중에 있다. 대부분의 일반 소비자들이 구매하는 것은 일반적인 자동차로써의 수소전기자동차이다. 연료전지, 수소 저장탱크의 새로운 기술, 친환경을 위한 일반인이 관리하기 어려운 기술을 구매하는 것은 아닐 것이다. 많은 일반 소비자들이 각 장치들의 안전을 신경을 쓰며 차량을 이용하는 것이 아니라 단순하게 이동을 목적으로 차량을 운용하기에 수소전기자동차 전체적인 안전에 관한 시스템이 갖춰져야 할 것이다. 

따라서 유사시 수소저장장치 관련 안전 시스템의 국제 표준제정이 꼭 필요하다. 현재 유사시 수소전기자동차 내 수소 저장용기의 안전관련 시스템에 대한 국제 표준은 전무한 실정이다. 수소전기자동차의 안전에 관한 전반적인 시스템이 갖춰져야 많은 수소전기자동차 관련 산업의 큰 성장이 될 수 있을 것이라고 생각된다. 따라서 수소전기자동차 관련 산업을 발전시키고 관련 시장의 파이를 키우기 위해서는 수소전기자동차의 유사시 수소 저장장치에 관한 국제표준을 제정을 위해 노력을 기울여야 한다. 최근 관련 산업계 및 학계의 사람들이 모여 표준을 제정하기 위한 움직임을 시작했다. 국가적인 미래 산업, 수소 경제의 시작이 될 수 있는 수소전기자동차 산업의 선점을 위해서는 관련 국제표준을 제정하려는 노력을 꾸준히 기울여야 할 것이다.

현재 수소전기자동차 내 고압수소저장 탱크 유사시 안전 운용 국제표준개발을 위한 국제 표준화 활동을 꾸준히 진행하고 있다. 이는 그동안 상대적으로 관심이 적었던 수소전기자동차의 전반적인 안전에 관한 시스템을 갖추기 위한 첫 시작이다.

글 / 최웅철 (국민대학교)
출처 / 오토저널 2020년 10월호 (http://www.ksae.org) 
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