수소연료전지차(FCEV)의 핵심 부품 중 하나는 바로 수소 저장탱크이다. 수소는 기체 상태일 때 부피가 크고 폭발 가능성이 있어 안전한 저장이 매우 중요하다. 이에 따라 수소 저장탱크는 높은 압력을 견디면서도 경량화된 소재와 정밀한 제조 공정이 필요하다. 이 글에서는 수소 저장탱크의 구조, 제조 과정, 안전성 및 폭발 위험성을 자세히 살펴본다 .
1. 저장탱크의 종류
수소 저장탱크는 저장 방식에 따라 크게 세 가지로 나뉜다.
(1) 고압 기체 저장탱크
- 현재 가장 보편적으로 사용되는 방식으로, 수소를 350~700bar의 고압 상태로 저장한다 .
- 내부는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 제작되어 뛰어난 강도와 내압성을 확보한다 .
- 주로 승용차와 상용차에 적용된다 .
(2) 액체 수소 저장탱크
- 수소를 영하 253°C로 냉각하여 액화 상태로 저장하는 방식이다 .
- 동일 부피에서 기체보다 저장 밀도가 높아 항공기 및 우주산업에서 활용된다 .
- 극저온 환경 유지를 위해 고도의 단열 기술이 요구된다 .
(3) 고체 수소 저장 방식
- 특정 금속 하이드라이드(Metal Hydride)와 결합하여 수소를 저장하는 방식이다 .
- 저장 밀도가 높고 폭발 위험이 낮지만, 충·방출 속도가 상대적으로 느리다 .
- 현재 연구 단계에 있으며, 장기적으로 상용화 가능성이 있다 .
2. 수소 저장탱크의 제조 공정
수소 저장탱크는 극한의 내압성과 가벼운 무게를 동시에 충족해야 하므로, 첨단 소재와 고도화된 제조 기술이 필수적으로 적용된다 .
(1) 라이너(Liner) 제작
- 수소의 내부 압력을 견디고 누출을 완전히 차단하기 위해 알루미늄이나 폴리아미드와 같은 고급 소재로 제작한다 .
(2) 탄소섬유 감아올리기(Filament Winding)
- CFRP(탄소섬유 강화 플라스틱)를 여러 겹 정밀하게 감아 구조적 강도를 극대화한다 .
- 이 공정은 획기적인 경량화를 가능하게 하며, 항공우주와 자동차 산업에서 핵심 기술로 인정받고 있다 .
(3) 경화 및 열처리
- 감긴 탄소섬유를 고온에서 철저히 경화하여 구조적 강도를 크게 높인다 .
- 장기간 수소 저장 시에도 구조적 변형이 발생하지 않도록 한다 .
(4) 누출 및 압력 테스트
- 엄격한 고압 충격 테스트와 수소 누출 검사를 통해 안전성을 철저히 검증한다 .
- UN ECE R134, ISO 19881 등 국제 기준에 따라 세심한 검사를 실시한다 .
3. 수소 저장탱크의 폭발 위험성과 기존 가스 연료와의 비교
(1) 수소 저장탱크의 폭발 위험성
- 수소는 공기와 4~75% 비율로 혼합되면 극도로 폭발성이 높아진다 .
- 충격, 고온, 누출과 같은 상황에서 폭발 위험이 현저하게 증가할 수 있다 .
- 하지만 수소의 빠른 확산 특성 때문에 개방된 공간에서는 위험성이 상대적으로 낮아진다 .
(2) 기존 가스 연료(LPG, CNG)와 비교
- LPG(액화석유가스): 10~15bar의 비교적 낮은 압력에서 저장되며, 누출 시 공기보다 무거워 바닥에 가라앉아 폭발 위험이 매우 높다 .
- CNG(압축천연가스): 200~250bar 압력에서 저장되고, 공기보다 가벼워 누출 시 빠르게 확산되지만 점화 에너지가 낮아 폭발 위험이 존재한다 .
- 수소(H2): 350~700bar의 고압에서 저장되며, 공기보다 훨씬 가볍고 빠르게 확산되어 폭발 위험이 상대적으로 낮다. 다만, 높은 저장 압력로 인해 강한 충격 시 탱크 손상 가능성이 있다 .
(3) 안전성을 위한 기술적 대응
- 고강도 복합소재 사용: 탄소섬유와 알루미늄의 다층 구조로 구조적 강도를 크게 높인다 .
- 자동 안전밸브 적용: 과압 상태에서 자동으로 가스를 방출하여 잠재적 폭발을 방지한다 .
- 누출 감지 센서 장착: 수소의 고유 특성을 고려해 실시간으로 누출을 감지하고 대응한다 .
- 화재 안전성 확보: 수소의 가벼운 특성으로 공기 중 빠른 확산이 가능해 화재 발생 시 폭발보다는 연소 가능성이 더 높다 .
4. 결론
수소 저장탱크는 수소연료전지차의 핵심 구성요소로, 최고 수준의 안전성과 내구성을 요구한다. 현재 고압 기체 저장 방식이 가장 보편적이며, 액체 및 고체 저장 방식도 활발히 연구되고 있다. 폭발 위험성 최소화를 위해 첨단 복합소재, 자동 안전장치, 정밀 누출 감지 기술이 지속적으로 개발되고 있다. 기존 가스 연료와 비교했을 때, 수소는 고압 저장에도 불구하고 우수한 확산성으로 상대적으로 폭발 위험성이 낮다.