[스터디] 연료전지차 개요

[목차] - 연료전지차 개요
- 연료전지의 전기 생성원리
- 스택, 셀
   MEA, 분리판, 가스켓
- BOP(Balance Of Plant)
   연료공급 시스템, 공기공급 시스템, 열관리 시스템
- 수소저장탱크
- 수소충전방법과 인프라 현황
   수소충전소 수소 공급방식, 수소충전방법, 수소충전소 인프라 현황
- NEXO & MIRAI

연료전지의 전기 생성원리

물은 전기를 가하여 수소와 산소로 분해할 수 있다. 반대로 연료전지는 수소와 산소를 전기 화학적으로 반응시켜 전기를 생성한다.

연료극(산화)	:	$H_{2} \rightarrow 2H^{+}+2e$
공기극(환원)	:	$\frac{1}{2}O_{2}+2H^{2}+2e\to H_{2}O$
전체반응	:	$H_{2}+\frac{1}{2}O_{2}\to H_{2}O+(전기)$

 
하지만 위 반응은 너무 느리게 일어나기 때문에 효과적인 사용을 위해서는 반응속도를 빠르게 해줄 필요가 있다.
이를 위해 스택(Stack)이라는 부품이 활용된다. 스택은 셀(Cell)이라는 판이 적층된 형태인데 각 셀에서 수소와 산소를 이온화하고 반응을 촉진시켜 전기 에너지를 얻는다. 또한, 직렬로 연결된 셀을 통해 더 높은 전압을 얻을 수 있다.

셀에서 일어나는 전기화학반응
1. 연료극에 유입된 수소$(H^{2})$는 촉매에 산화되어 수소양이온$(H^{+})$과 전자$(e)$로 분해
2-1. 수소양이온이 전해질막을 통해 공기극으로 이동
2-2. 전자는 외부 회로를 통해 공기극으로 이동 → (전력 생산)
3. 공기극으로 이동한 수소양이온과 전자는 산소와 결합하여 물 $(H_{2}O)$ 생성

 
 
 
 
 
 

스택, 셀

셀은 MEA, 분리판, 가스켓 등으로 구성된다. 아래는 단일 셀의 단면도이다.

 
 
1. MEA(Membrane Electrode Assembly)
연료전지를 구성하는 핵심부품이다. 수소와 산소의 이온화 반응이 일어나는 촉매층과 수소이온만 이동시키는 전해질막(Membrane)과 수소와 산소를 촉매층으로 공급하는 통로인 가스확산층(GDL, Gas DIffusion Layer)로 구성되어 있다.
 
MEA는 전해질의 종류, 작동온도 등에 따라 아래 표와 같이 분류된다.
이 중 높은 전류밀도를 유지할 수 있으며 저온에서도 동작이 가능한 PEMFC가 FCEV의 주 연료로 적합하다고 한다.

	AFC	PEMFC	DMFC	PAFC	MCFC	SOFC
전해질	$$KOH$$	고분자막	고분자막	인산	탄산염	고체산화물
이온전도체	$$OH^{-}$$	$$H^{+}$$	$$H^{+}$$	$$H^{+}$$	$$CO_{3}^{\;2-}$$	$$O^{2}$$
작동온도(℃)	상온 ~ 80	상온 ~ 80	상온 ~ 80	150 ~ 200	600 ~ 700	800 ~ 1000
연료극	백금 또는 다공성 니켈	백금	백금-루테늄	백금	니켈-크롬	니켈
공기극	백금 또는 은	백금	백금	백금	산화니켈	페롭스카이트 (금속간화물)
발전효율	~ 35	35 ~ 42	~ 35	35 ~ 42	50 ~ 65	50 ~ 65
산화제	수소	수소	메탄올	수소	수소	수소
용도	우주선, 잠수함 등 특수용도	가정용, 자동차	휴대용 전자기기	건물용 발전시스템	발전플랜트	발전플랜트

 

* 추가로, MEA는 3, 5, 7 Layer로 구분된다고 한다. 하지만 대부분의 자료에서 MEA를 3 Layer로 가르키는 것 같다.
3 Layer : 촉매층 - 전해질 - 촉매층
5 Layer : GDL - 촉매층 - 전해질 - 촉매층 - GDL
7 Layer : Gasket - GDL - 촉매층 - 전해질 - 촉매층 - GDL - Gasket

 
 
2. 분리판
수소, 산소를 MEA 전면에 균일하게 분배 및 공급 역할과 생성된 전류를 모으며 동시에 MEA의 지지체 역할을 수행한다. 따라서 분리판은 우수한 전기전도성, 열전도성, 내식성, 강성, 치수정밀도 등이 요구된다
분리판의 소재로 흑연, 흑연/수지 복합재료, 금속 등이 있다. 현재는 강성이 높은 금속분리판을 주로 사용하는 것으로 보인다.

포스코SPS의 금속분리판

 
 
3. 가스켓
MEA, GDL을 밀봉하는 역할을 한다. 테프론, 실리콘, EPDM, Mylar 등 다양한 소재의 가스켓이 있다.
 
 
 
 
 
 

BOP (Balance of Plant)

BOP는 연료전지 시스템을 구성하는 부품 중 Stack을 제외한 나머지 구성품이다.
BOP는 '연료공급 시스템, 공기공급 시스템, 열관리 시스템'으로 구성되어 있다.
 
1. 연료공급 시스템(FPS; Fuel Processing System)
: 수소저장탱크에 저장된 고압의 수소를 저압으로 바꾸며 스택에 수소를 공급한다.

 

밸브, 수소 이젝터, 수소 블로워,압력조절장치, 워터트랩, 제어기 등으로 구성되어 있다.

- 밸브 : 수소 공급 및 차단 목적

- 수소 블로워 : 스택 내 수소를 공급하고 재순환

- 워트트랩 : 스택에서 생성된 응축수를 저장했다가 선택적으로 외부로 배출

- 제어기 : FPS 주품을 제어
 

 

2. 공기공급 시스템(APS; Air Processing System)
: 공기 내 이물을 제거하며 가습기를 통하여 건조한 공기를 만드는 과정 등을 거쳐 스택에 산소를 공급하며, 이물질이 제거된 Unused Gas는 다시 외부로 방출

공기필터, 공기블로워, 소음기, 가습기, 공기차단밸브, 센서(온도, 압력, 유량 측정), 밸브 등으로 구성되어 있다.

-공기필터 : 흡기 내 이물질을 제거

- 공기블로워 : 스택 내 공기를 공급

- 가습기 : 연료전지 스택 내 화학반응 후 생성되어 수증기와 열을 선택적으로 다시 흡입 공기에 공급하여 적절한 습도 유지

- 공기차단밸브 : 시동이 정지됐을 때 연료전지 스택의 흡입∙배출 통로 차단을 통해 내부에 잔존하는 공기가 의도치 않은 전기분해 반응을 방지합니다.
 

 

3. 열관리 시스템(TMS; Thermal Management System)
: 스택에서 발생하는 열을 방출시킴으로써 스택 내부의 온도와 습도를 조절하는 역할을 한다. 열은 출력과 수명에 영향을 주기 때문에 최적의 반응온도를 유지하기 위한 열관리를 하며 수소전기차의 성능을 높인다.

냉각 펌프, 라디에이터, 3way 밸브, 이온제거기, 물탱크, 히터 등으로 구성되어 있다.
- 냉각펌프 : 스택 냉각수를 공급

- 3way 밸브 : 냉각수 온도에 따라 냉각수 유로를 조절한다. 일반 내연기관 차량의 서모스텟과 비슷한 역할

- 이온제거기 : 냉각수 내 이온을 제거한다.  전기에너지와 일반 증류수가 섞이면 감전 발생률이 높아지므로 이온제거가 필요하다.

출처) 자동차부품연구원, 연료전지자동차 관련 BOP 기술 및 산업동향

 

 

 

 

수소저장탱크

현재 수소저장탱크는 합금실린더, 탄소섬유, 고강도 유리섬유 등으로 제작되며 파열시험, 극한반복, 가압테스트, 화염테스트, 총격테스트 등 다양한 안전인증을 통과해야할 만큼 높은 안전성이 요구된다.

 

저장용기는 사용재료와 복합재료의 강화방법에 따라 크게 Type 1 ~ Type4로 구분이 가능하다

- Type 1 : 철, 알루미늄으로 제작된 금속재 용기

- Type 2 : 철, 알루미늄으로 제작된 금속재 라이너 위에 실린더 부분을 유리섬유로 보강한 용기

- Type 3 : 강, 알루미늄으로 제작된 얇은 금속재 라이너 위에 탄소복합소재로 감아서 만든 용기

- Type 4 : 플라스틱으로 제작된 라이너를 탄소복합소재로 감아서 만든용기

 

Type 1, 2는 중량이 무겁고 폭발에 취약하여 고압의 수소저장 용기로 한계가 있다.

Type 3, 4는 라이너 재질 외 복합재료층의 구조가 동일하다. 하지만 Type 3는 안정성과 신뢰성이 높으며 Type 4는 가격과 중량면에서 유리하고 강한 압력과 열에도 견딜 수 있는 내구성을 지녔다.

출처) 미래에셋증권, 일진하이솔루스 리서치 리포트 발췌

 

연료전지 자동차의 구동 원리를 정리하면

BOP를 통해 최적으로 수소와 산소를 스택에 공급하며 스택 내 반응으로 전기를 생성하고 모터를 구동하여 주행하는 방식

 

 
 

수소 충전 방법과 인프라 현황

1. 수소충전소의 수소 공급 방식

수소충전소는 수소의 공급 방식에 따라 크게 두 가지로 나뉜다.

1) Off Site 충전소 : 수소 생산지에서 파이프 라인, 튜브 트레일러, 탱크로리 등을 통하여 수소를 저장하는 충전소, 국내 대부분의 충전소가 튜브 트레일러 방식이다.
   - 파이프 라인 공급방식
   - 튜브 트레일러 공급방식
 
2) On Site 충전소 : 수소충전소에서 자체적으로 수서를 생산 및 저장하는 충전
   - 추출형 : 추출기를 활용하여 천연가스나 LPG 등에서 수소를 개질하는 방식
   - 수전해형 : 물을 수전해서 수소를 생산하는 방식
 

 

 

2. 수소 충전 방법

튜브트레일러를 통해 공급된 수소는 압축기를 통해 900bar 수준의 고압으로 수소를 저장한다.

→ 충전 과정에서는 수소의 온도 상승 방지를 냉동기 또는 칠러를 거침

→  최종 디스펜서를 통해 수소차에 충전
 

 

3. 수소충전 인프라 현황

수소연료공급의 경우, 3~5분의 충전시간과 (Nexo 기준) 1회 충전 시 주행거리 647km으로 짧은 충전시간과 긴 주행거리를 지닌다. 짧은 충전시간과 긴 충전주기는 연료충전 측면에서 이점으로 작용하지만. 다만, 수소충전소 현황으로 보았을 때 아직은 부족한 수치이다.

 

표1) 주요국가별 수소충전소 인프라 현황(수소경제 종합정보포털 조회)

대한민국 ('24.05 기준)	일본 ('23 기준)	미국 ('23년 기준)	독일 ('23년 기준)
304	161	116	99

 

 

표2) 유종별 국내 충전 인프라 현황

유종		등록대수 (천 대)	주유/충전시설 (개소)	충전소 당 등록 차량 (천 대/개소)
ICE ('23 기준)	휘발유	12,314	11,023	2,285 (25,189/11,023)
	경유	9,500
	LPG	1,833
	하이브리드	1,542
('24 기준) EV		544	8,148	0.066 (544/8,148)
('24 기준) FCEV		34	304	0.111 (34/304)

 
2019년 1월, 산업부에서 '수소경제 활성화 로드맵'을 통해 2040년까지 수소차 290만대, 수소충전소는 1,200기 이상 확충한다는 계획을 발표하였다. 이와 더불어 연료전지 기술의 발전과 수소충전소 건설을 위한 규제들이 완화되고 있는만큼, 향후 대한민국은 수소산업 선도국가로 거듭나며 국내 FCEV의 상용화를 기대할 수 있지 않을까 싶다.

 

 

 

 

NEXO&MIRAI

FCEV 양산 모델에는 대표적으로 현대자동차 NEXO와 도요타 MIRAI가 있다.

현대자동차 NEXO는 전륜구동에 SUV로 출시되어 있으며 도요타 MIRAI는 후륜구동에 세단으로 출시되었다. 따라서 각각의 차종을 고려한 레이아웃이 반영되어 있다.

 

1. 현대자동차

전륜에는 연료전지 및 구동모터가 있고 후륜에는 동일 부피의 수소탱크 3개가 배치되어있다. SUV 특성 상 트렁크의 공간과 뒷자석 폴딩이 중요하기 때문이라고 생각한다.

현대자동차 NEXO

 

 

2. 도요타 Mirai

전륜에는 연료전지가 있고 후륜에는 구동모터가 있으며, 차량 중심부터 뒷부분까지 연료전지가 T자로 배치되어 있다. 전고가 낮은 세단이기에 연료탱크의 부피를 최대한 확보하기 위한 노력으로 보인다. 또한 SUV인 NEXO와 다르게 뒷좌석의 폴딩 기능이 없어 구동모터가 뒤에 배치되어 있다.

 

도요타 Mirai

 

두 차량의 최하옵 기준 제원이다.

	Nexo	Mirai
Trim	Blue	XLE
Starting MSRP	$60,135	$50,190
Range (miles)	380	402
MPGe(City/Highway/Combined)	65/58/61	76/71/74
Power (kW)	135	128
Hydrogen tank capacity (kg)	6.33	5.6
Curb weight (lb.)	3990	4255
wheel	R17	R19
Cargo volume (cu.ft)	29.6	9.6
Drag Coefficient	0.329	0.29