수소 연료 전지 차량의 구성요소를 선택하는 최적의 방법

수소 연료 전지 차량의 구성요소를 선택하는 최적의 방법

수석 엔지니어 Chuck Hayes

전 세계에서 수소 운송 수단과 관련 인프라에 대한 투자가 대대적으로 이루어지고 있습니다.

왜 그럴까요? 차량 제조업체들이 점점 더 효율을 추구하고 배기 가스를 줄이려 할 수록 수소 연료 전지 기술이 각광받고 있는 것입니다. 수소 연료 전지 차량은 수소 가스와 산소를 활용하여 전기 모터의 동력원인 연료 전지에서 전기를 만들어내고, 대형 애플리케이션에 필요한 무공해, 높은 마력, 토크를 제공합니다.

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이는 유망한 기술이자 빠르게 변하면서 급격히 발전하고 있는 시장입니다. 정부와 업계 선두 주자들은 수소 관련 시장이 성장할 수 있도록 다방면에서 고심하고 있고, 수소 운송 수단을 지원하고 개발하는데 적극적으로 투자를 진행하고 있습니다. 스웨즈락은 수소 연료 전지 기술이 잠재력을 최대한 발휘할 수 있도록, 수소 차량 자체는 물론 수소 차량 시장 확대에 맞춰 급증하는 인프라에도 적합한 솔루션을 제공하는 데 힘써 왔습니다.

수소 차량 및 인프라를 안정적으로 운영하기 위해서는 부품을 선택하고 지정할 때 반드시 몇 가지 중요한 사항을 고려해야 합니다. 명심해야 할 것들은 다음과 같습니다.

재질 선택이 중요합니다

튜브 피팅을 사용하는 모든 애플리케이션에서 부식을 관리하는 것이 중요하지만 수소 저장용기는 특유의 독특한 문제를 갖고 있습니다. 피팅, 밸브, 튜빙 등 수소 차량 구조의 일반적인 부품에 흔히 사용되는 합금 유형인 316 스테인리스강은 수소 취성(Hydrogen embrittlement)으로 인해 영향을 받을 수 있습니다.

이 현상이 발생하는 이유 중 하나는 수소가 매우 작은 분자로 이루어져 있기 때문인데, 그 크기가 너무 작아 수소가 재질의 입방 격자망 벽을 통과할 수 있고, 분자 결합을 분해하며 재질의 무결성을 손상시킬 수 있습니다. 그 결과, 수소 취성은 일부 등급의 스테인리스강을 주철(cast iron)과 같이 매우 약하고 갈라짐에 취약한 상태로 만들 수 있습니다.

따라서 수소 인프라 설계자들은 스테인리스강 구성에 특별히 주의를 기울여야만 합니다. 크롬과 니켈 농도가 더 높을수록 연성과 내식성을 더 크게 촉진하여 수소 취성을 방지할 수 있습니다. 미국 재료시험협회(ASTM: American Society for Testing and Materials)는 316 스텐레스강 조성에 최소 10%의 니켈이 함유되도록 요구하지만, 수소와 같은 특수한 환경에는 니켈이 최소 12% 함유된 더 높은 수준의 316 스텐레스강을 요구합니다. 스웨즈락은 니켈 함유량이 최소 12%인 스테인리스를 사용합니다.

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압력 하의 성능

모든 유체 시스템에서는 누설에 대한 내성이 매우 중요합니다. 하지만 수소 차량과 인프라 애플리케이션에서 연결부를 제작할 때는 몇 가지 특수한 사항을 고려하여 부품의 유형을 선택하고 지정해야 합니다.

첫째, 수소 저장고는 매우 높은 압력을 받습니다. 압력이 높을수록 주행거리가 더 길어지기 때문입니다. 현재 수소 차량은 애플리케이션 요건에 따라 350bar 또는 700bar(5,000psi 또는 10,200psi)의 압력으로 가스를 저장합니다. 일례로, 단거리 차량 중 다수는 350 bar를 사용하는데, 이는 매일 밤 중앙 허브로 돌아와 재충전할 수 있기 때문입니다. 트럭과 같은 장거리 이동수단은 700 bar로 더 멀리 이동이 가능하며, 제조업체들은 700bar로 1,000 km 이동할 수 있도록 설계하는 것이 목표입니다. 더 높은 압력에는 더 좋은 성능의 부품이 필요하며, 일단 기존에 사용하던 부품은 적합하지 않습니다.

진동 내성 역시 매우 중요합니다. 산업용 애플리케이션에서도 중요하지만, 수소 애플리케이션의 피팅과 연결구는 움직이는 차량에서 발생하는 반복적이고 균일한 진동을 안정적으로 견뎌낼 수 있어야만 합니다. 이를테면, Cone and Thread 연결구 피팅은 수동으로 제작합니다. 튜브 가공의 품질은 설치하는 사람에 따라 매우 다를 수 있는데, 특히 수소 환경에서는 결함이 발생하지 않도록 각별히 주의해야 합니다. 아주 작은 가스 분자는 아주 작은 공간일지라도 통과하여 빠져나갈 수 있으며, 극소량의 누설도 큰 문제로 발전할 수 있습니다. 따라서 스웨즈락의 FK 시리즈처럼 균일한 고급 피팅 기술만이 올바른 성능을 제공할 수 있습니다.

애플리케이션별 부품

수소 차량 업계 전체를 살펴보면 차량마다 설계 및 부품 요건이 제각기 다릅니다. 수소 연료 전지로 구동되는 시내버스를 생각해보십시오. 버스는 지붕에 저장 탱크가 있기 때문에, 구조상 장거리 운행 차량에 비해 고유한 유연성이 필요합니다. 그래서 단단한 강철 튜빙보다는 350bar(5,000psi)를 견딜 수 있는 호스가 유연성을 제공하는 데 알맞습니다.

이때 올바른 기준에 따라 호스를 선택하였는지가 중요합니다. 고성능의 316 스텐레스강 구성을 전반적인 수소 애플리케이션의 튜브 및 피팅에 사용하는 것과 같은 이유로, 금속 오버 브레이드(metal over braid)가 있는 폴리머 코어 호스(polymer core hose)는 수소 버스 안에서 절단되지 않을 것입니다. 설계자는 호스를 선택할 때도 동일한 사항을 고려하여, 특정 애플리케이션을 다룰 때는 고품질 재질로 만들어진 제품을 선택해야 합니다.

확실한 지원

수소 운송 수단이 가진 잠재력을 실현시키기 위해, 설계업체와 제조업체는 수소 산업에 대해 풍부하고 광범위한 전문 지식을 갖춘 부품 공급업체와 협업해야 합니다.

당사 팀은 창립 이래 지금까지 수소를 포함한 다양한 가스 시스템에 기여해 왔습니다. 당사는 부품 성능 및 재료 과학의 우수성에 관한 전문 지식과 탄탄하게 세계적으로 나아가는 서비스 및 지원을 결합하여, 수소 운송 수단 제조업체가 어디에서나 새롭게 성장하는 기회를 잡을 수 있도록 지원하고 있습니다.

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