고압 수소탱크 안전성 연구

수소차는 친환경 이동수단으로써 많은 주목을 받고 있지만, 수소를 저장하는 고압 수소탱크의 안전성 문제는 여전히 해결해야 할 중요한 과제 중 하나로 남아 있습니다. 고압 수소탱크는 700 바(bar) 이상의 고압 환경에서 수소를 저장해야 하므로, 구조적 강도와 내구성, 안전 설계가 필수적입니다. 이번 글에서는 고압 수소탱크의 안전성을 보장하기 위한 주요 기술 연구와 실제 적용 사례를 분석해 보겠습니다.

 

 

 

1. 고압 수소탱크의 역할과 기술적 과제

고압 수소탱크는 수소차에서 연료 역할을 하는 수소를 저장하는 핵심 부품입니다. 차량이 운행 중일 때 연료전지 스택으로 수소를 안정적으로 공급하며, 운전 중에도 높은 안전성을 유지해야 합니다. 하지만 수소는 분자가 매우 작아 누출 위험이 크며, 폭발 가능성도 존재하기 때문에 탱크의 설계와 제작 과정에서 높은 기술적 요구사항이 따릅니다.

현재 고압 수소탱크는 대부분 탄소섬유 복합소재로 제작되며, 금속 탱크보다 가볍고 내구성이 뛰어납니다. 하지만 높은 비용과 제작 공정의 복잡성은 여전히 해결해야 할 과제로 남아 있습니다. 특히, 충격, 화재, 고온·저온 환경에서도 안정성을 유지해야 하기 때문에 다양한 안전성 테스트와 설계 기술이 요구됩니다.

2. 고압 수소탱크 안전성을 강화하기 위한 기술

1) 탄소섬유 기반 복합소재

고압 수소탱크의 주요 소재로 탄소섬유 복합소재가 사용됩니다. 탄소섬유는 고강도와 경량성을 동시에 제공하며, 탱크의 내구성을 강화하는 핵심적인 역할을 합니다. 또한, 내부는 알루미늄 합금이나 고분자 소재로 라이닝 처리되어 수소 누출을 방지합니다.

특히, 탄소섬유의 직조 방식과 두께를 최적화해 충격 흡수 능력을 높이고, 파손 가능성을 최소화하는 기술이 연구되고 있습니다. 이로 인해 탱크는 높은 압력 환경에서도 안정성을 유지할 수 있습니다.

2) 다중 안전 설계

고압 수소탱크는 단일 구조로 설계되지 않고, 다중 안전 시스템을 포함합니다. 이는 탱크 파손이나 수소 누출 시 2차적인 안전장치를 통해 사고를 방지하는 역할을 합니다.

• 압력 릴리프 밸브: 탱크 내부 압력이 비정상적으로 상승할 경우, 과도한 압력을 안전하게 배출해 폭발을 방지합니다.
• 자동 차단 밸브: 수소 누출이 감지되면 연료 공급을 즉시 차단해 사고를 예방합니다.
• 다층 구조: 탱크 내부에 다층 복합소재를 적용해 외부 충격에도 균열이나 파열 가능성을 낮춥니다.

3) 충격 및 화재 안전성 강화

수소탱크는 차량 충돌이나 화재 같은 극한 상황에서도 수소 누출이나 폭발을 방지해야 합니다. 이를 위해 다양한 충격 테스트와 화재 실험이 수행되고 있습니다.

• 충격 테스트: 수소탱크에 높은 강도의 물리적 충격을 가해 파열 여부를 검사하며, 탱크가 차량 충돌에서도 손상되지 않도록 설계됩니다.
• 화재 테스트: 탱크를 고온 환경에 노출시켜 연료 누출 여부와 구조적 안정성을 확인합니다. 일부 탱크는 화재에 노출된 상태에서도 수소를 안정적으로 유지할 수 있는 기술을 갖추고 있습니다.

4) 수소 누출 감지 시스템

수소는 분자 크기가 작아 누출 위험이 크므로, 고감도 누출 감지 센서가 필수적입니다. 누출 감지 센서는 탱크 주변의 수소 농도를 실시간으로 모니터링하며, 이상 징후를 감지하면 경고를 발생시키고 차량 시스템을 자동으로 차단합니다.

최근에는 인공지능(AI) 기반의 누출 예측 시스템이 개발되어 누출 가능성을 사전에 예측하고, 필요한 조치를 취할 수 있도록 돕고 있습니다.

3. 고압 수소탱크 안전성 테스트와 인증

고압 수소탱크는 상용화되기 전에 다양한 테스트와 인증 과정을 거쳐야 합니다. 주요 테스트는 다음과 같습니다.

• 내압 테스트: 설계 압력보다 2~3배 높은 압력을 가해 탱크의 안정성을 평가.
• 사이클 테스트: 수소를 충전하고 배출하는 과정을 수천 번 반복하며 내구성을 확인.
• 극한 환경 테스트: -40℃에서 85℃까지의 극한 온도 조건에서 탱크 성능을 확인.

이와 같은 테스트를 통해 고압 수소탱크는 안전성과 신뢰성을 확보하며, 국제 표준 규격(ISO 19881)을 충족해야 상용화가 가능합니다.

결론

고압 수소탱크는 수소차의 핵심 부품으로, 높은 안전성을 보장하기 위해 복합소재 기술, 다중 안전 설계, 충격 및 화재 대비 기술 등 다양한 연구가 진행되고 있습니다. 이를 통해 수소차는 점점 더 안전하고 신뢰성 있는 친환경 이동수단으로 자리 잡아가고 있습니다.

앞으로도 고압 수소탱크 기술이 지속적으로 발전하면서, 수소차의 대중화와 시장 확대에 중요한 역할을 할 것으로 기대됩니다.