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[장형성 교수의 자동차 이야기(13)] 수소연료전지 자동차 과연 안전할까?

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[장형성 교수의 자동차 이야기(13)] 수소연료전지 자동차 과연 안전할까?

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최근 전기자동차와 수소 연료전지 자동차 등의 친환경 자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 그중에서도 수소연료전지 자동차가 우리나라의 차세대 친환경 자동차의 대세가 될 수 있다는 관심 때문에 수소연료전지 자동차는 과연 안전할까에 대한 궁금증이 높다.

수소연료전지 자동차도 수소를 연료탱크에 넣어 싣고 다녀야 하기 때문에 안전성에 대한 궁금증이 클 수 밖에 없는 것이다. 수소연료탱크가 폭발하지는 않을까, 폭발한다면 수소폭탄처럼 터지는 것은 아닐까에 대한 궁금증이 큰 것은 당연하다 할 수 있다.

수소연료전지 자동차에 사용하는 수소는 수소폭탄과는 원리가 다르기 때문에, 이에대한 걱정은 하지 않아도 된다. 수소연료탱크는 법으로 내구성을 갖추도록 규정하고 있을 뿐 아니라, 화재나 가혹한 충돌 상황에서도 안전성을 확보해야 하기 때문이다.

수소연료전지의 원리는 물의 전기분해와 반대로 수소와 산소를 반응시켜 물이 만들어질 때 발생하는 전기를 얻는 것이다. 이 전기를 이용하여 자동차를 움직이는 것이다.

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연료전지는 수소와 산소를 반응시켜 얻는 전기(출처 : 산업인력공단, 현대자동차)
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연료전지 작동원리(출처 : 산업인력공단 그린카)

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연료전지 자동차의 개요


수소연료전지 자동차는 수소폭탄처럼 위험하지 않은가?

가장 많이 우려하는 질문이다. 수소폭탄에 사용하는 수소는 "중수소"와 "삼중수소"를 사용하며, 고온과 고압의 조건에서 핵융합을 시켜 발생한 에너지를 폭탄으로 사용한다. 반면, 수소연료전지 자동차에 사용하는 수소는 "수소 분자"이며, 수소 분자를 압축하여 수소연료탱크에 저장하여 사용하고 있다. 따라서 수소폭탄의 수소와 수소전기차의 수소가 이름만 같을 뿐이지 개념과 원리가 다르다.
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수소연료전지 자동차의 수소와 수소폭탄의 수소 비교


화재 발생이나 수소가 누출되는 경우 위험하지 않나?

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수소연료전지 자동차는 수소 분자가 사용되며, 수소폭탄에는 중수소와 삼중수소가 사용되어 작동하는 원리가 다르다.

만약 공기 중에 중수소와 삼중수소가 있다 해도 우리가 생각하는 수소폭탄의 폭발력을 내려면 1억도 이상의 엄청난 온도와 수천 기압의 압력이 필요하다.

수소폭탄이 터지는 핵융합 환경을 만들려면 먼저 원자폭탄을 터뜨려 온도를 1억도 이상으로 올려야만 가능하다. 수소전기차는 단지 산소와 수소를 결합시켜 전기를 생산할 뿐이다.
수소연료전지 자동차에 사용하는 수소는 우리가 일반적으로 말하는 ‘수소 분자’이다. 수소연료전지 자동차는 수소 분자를 압축해 700bar 정도의 압력으로 탱크에 저장 후 낮은 압력으로 전환해 연료전지로 보내 전기화학 반응으로 전기를 만드는 방식이다.

수소연료탱크를 튼튼하게 설계하기 위해 내피를 폴리아미드 라이너, 외피는 탄소섬유 강화 플라스틱 (탄소섬유+에폭시 소재)로 만든다. 낙하 시험, 총격 시험, 충돌시험 등을 통해 연료 탱크의 안전성을 검증한다. 그리고 만약 화재가 발생하면 안전밸브를 통해 수소 가스를 대기 중으로 강제 배출하여 가벼운 수소를 날려버리기 때문에 큰 걱정은 하지 않아도 된다.

수소탱크 용기의 저장 압력이 높은 부분에 대해서는 충분히 고려한 설계와 검증을 거치기 때문에 안전성은 일반 휘발유나 경유를 연료로 사용하는 내연기관이나 압축천연가스(CNG) 차량과 비슷하다고 볼 수 있다.

내연기관 자동차도 불이 나면 위험하듯 연료전지 자동차도 마찬가지라고 보면 될 것 같다.

수소 연료탱크는 안전한가?

법규상 넥쏘에 적용된 수소연료탱크의 최대 사용 한도는 15년(유럽 20년), 충전 횟수 4000회(유럽 5000회)에 달한다. 하지만 자동차제조 회사에서는 기본적 법적요구사항보다 훨씬 안전하게 제조하므로 충분한 내구성을 갖추고 있다고 할 수 있다.

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실제 자동차제조 회사의 연구소에서는 수소연료탱크를 충전하는 시험 과정을 충분히 거친다. 낙하시험이나 혹한·혹서 모사 시험 등 가혹한 환경에서의 테스트, 운송 중 낙하에 의한 충격 손상 시험, 예리한 칼날 손상에 따른 복합재 인공 결함, 탱크의 내구시험 등을 거쳐 수소연료탱크의 내구성을 충분히 검증한다.

수소는 공기보다 14배 정도 가벼워 누출 시 공기 중으로 빠르게 날아간다. 화재가 발생해도 누출된 수소에 불이 붙는 경우는 사실상 없다.

수소연료탱크, 연료 공급 시스템, 연료전지 스택에는 실시간으로 수소 누출 여부를 모니터링하는 수소 누출 감지 센서가 장착돼 있다. 만약 주행 중 수소 누출 혹은 외부 충돌에 의한 배관 수소 누출을 감지할 경우, 운전석 전면 디스플레이를 통해 운전자에게 경고하고, 수소연료탱크 밸브를 차단해 수소 공급을 중지하고 수소 대량 누출에 의한 사고를 사전에 막는다.

만약 화재로 수소연료탱크 주변 온도가 과도하게 올라가면 안전밸브를 통해 수소연료탱크 내부의 수소 가스를 신속하게 강제 방출하기 때문에 수소가 가득찬 탱크가 폭발하는 일은 없다.

심지어 차가 완전히 불타버린다 해도 수소연료탱크 외부 표면에 내화재를 적용했기 때문에 수소연료탱크는 폭발하지 않는다. 사실상 모든 종류의 자동차 중 화재나 폭발 위험성 측면에서 가장 안전하게 만들어진 셈이다.

터널 등 밀폐공간에서 수소가 누출되면 위험하지 않을까?
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국회앞에 설치된 수소충전소


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밀폐된 공간에서 수소가 누출된다면 위험할 수 있을 것이다. 그러나 그것은 완전 밀폐 조건이 만들어졌을 경우이다. 그러나 실제적으로 완전밀폐되는 조건은 사실상 만들어지는 것이 쉽지 않다.

주차장이나 도로, 터널 등은 완전히 밀폐되지 않아 수소가 누출되더라도 순식간에 빠져 나가기 때문이다.

수소연료전지 자동차가 충돌한다면 어떨까?
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수소연료전지 자동차가 충돌한다면 폭발되지 않을까하는 생각을 많이 한다. 그러나 그러한 경우도 크게 위험성은 없다. 일반 내연기관 자동차와 큰 차이가 없다라고 보면 될 것이다.


장형성 신한대 기계자동차융합공학과 교수