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2005. 12

고압수소저장기술과안전기준

머 리 말

최근 자동차 배기가스의 규제 및 기후변화 협약에 의한 온실가

스 배출규제 등에 대응하기 위하여 전 세계의 자동차회사들은 무

공해 자동차의 개발에 박차를 가하고 있다. 전기자동차, 태양광자

동차, 압축천연가스 자동차, 액화천연가스 자동차, 에탄올, 메탄올,

수소 등을 연료로 사용하는 대체연료 자동차 등이 좋은 예이다.

이와 같은 대체 에너지를 이용한 자동차 중에서 연료전지자동차

가 높은 환경친화성 및 연료공급 용이성으로 인하여 가장 높은

관심을 받고 있으며 가장 빠른 시일 내에 상용화될 것으로 예상

되고 있다.

연료전지 자동차의 개발은 세계 각국의 에너지 및 환경 관련

정책과 깊이 연관되어 있으며, 전문가들은 이 기술이 실용화될 경

우 자동차 산업의 판도를 바꿀 것으로 예상하고 있다. 이에 국내

에서도 국내 자동차산업의 차세대 주력 품목으로 연료전지 자동

차를 선정하고 개발에 박차를 가하고 있는 실정이다.

연료전지 자동차의 가장 큰 문제점은 적당한 수소저장 기술이

없다는 점이다. 현재 고압수소기체 저장기술, 액체수소 저장기술,

합금을 이용한 수소 저장기술, 탄소나노재료를 이용한 수소저장

기술 등 연구되고 있다. 이 중에서 고압수소기체 저장기술은 가장

직접적으로 수소기체를 저장하는 가장 일차적인 기술이다. 본 보

고서에서는 현재 개발되고 있는 고압수소저장용 용기에 대한 개

발동향 및 관련 표준 등에 대하여 기술하였다.

2 0 0 5년 1 2월

한국과학기술정보연구원

원 장

제1장서 론……………………………………………………………………1

제2장연료전지자동차탑재수소……………………………………………3

1. 차량 탑재수소 ………………………………………………………………3

가. 직접수소저장기술과 수소흡장합금 ………………………………………………………4

나. 압축수소가스저장법…………………………………………………………………………7

2. 주요 실증 주행시험참가 연료전지자동차………………………………1 2

가. CaFCP(California Fuel Cell Partnership) …………………………………………………1 2

나. JHFC(Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration Project) ……………………………1 3

다. CEP(Clean Energy Partnership) in Berlin ………………………………………………1 5

라. 실증 주행 중에 있는 연료전지자동차 …………………………………………………1 5

제3장7 00기압수소가스저장용기 ………………………………………1 9

1. 미국과 일본정부의 개발목표와 개발과제………………………………1 9

가. 미국의 개발목표 ……………………………………………………………………………1 9

나. 미국정부의 개발과제 ………………………………………………………………………2 2

다. 일본정부의 개발목표 ………………………………………………………………………2 3

라. 일본정부의 개발과제 ………………………………………………………………………2 3

i

목 차

2. D O E / Q u a n t u m의 저가격, 고성능, 700기압 압축 수소가스

저장용기 개발………………………………………………………………2 4

가. 저가격 산업용 탄소섬유 사용 ……………………………………………………………2 8

나. 저가격 탄소섬유사용을 위한 연구개발 …………………………………………………3 1

다. 센서이용을 통한 탄소섬유량 저감 ………………………………………………………3 2

라. 77K 수소충전·저장·방출 ………………………………………………………………3 5

제4장인증기관과인증시험및 세계표준 ………………………………3 7

1. 국제표준 ……………………………………………………………………3 7

2. 고압가스용기 규제기관 인증 ……………………………………………3 7

가. 안전성 ………………………………………………………………………………………3 8

나. 압축수소용기의 요구성능과 평가시험 …………………………………………………4 0

제5장기술정보분석 ………………………………………………………4 5

제6장결 론 …………………………………………………………………5 1

참고문헌 ……………………………………………………………………5 3

i i

표 목차

<표 2-1> 수소저장법 비교……………………………………………………………………5

<표 2-2> 수소 5kg 대응 저장성 비교………………………………………………………6

<표 2-3> 2005년 주요연료전지자동차 기술사양…………………………………………1 6

<표 3-1> 미국의 수소저장개발목표 ………………………………………………………1 9

<표 3-2> DOE 수소저장기술개발목표 ……………………………………………………2 1

<표 3-3> 탐소섬유 성능과 가격비교표……………………………………………………2 9

<표 4-1> Quantum사가 취득한 인증과 판매품목 ………………………………………3 8

<표 4-2> ISO/CD 15869에서의 재료에 관한 기준과 설계확인 시험항목……………4 2

<표 4-3> EIHP(draft)에서의 재료에 관한 기준과 설계확인 시험항목………………4 4

<표 5-1> 수소저장 관리 CC 분류표………………………………………………………4 9

그림목차

<그림 2-1> 자동차연료의 에너지밀도………………………………………………………4

<그림 2-2> 압축수소가스저장용기의 단면구조……………………………………………8

<그림 2-3> 고압천연가스의 가스충전시 가스온도와 타부위 온도변화 ………………9

<그림 2-4> 고압수소가스충전시 용기내 온도와 압력분포 ……………………………1 0

<그림 2-5> Quantum사 7 0 0기압 수소저장용기의 상세구조……………………………1 1

<그림 2-6> Toyota/Hino FCHV Bus2와 Honda FCX …………………………………1 7

<그림 3-1> 미국 D O E발표 수소저장기술현황과 개발목표 ……………………………2 0

<그림 3-2> 승용차용 연료별 저장 필요체적과 소요중량 비교 ………………………2 5

<그림 3-3> Quantum압축수소가스저장용기 개발의 발자취 …………………………2 6

<그림 3-4> Quantum압축수소용기별 수소5 k g저장용기 무게 …………………………2 6

<그림 3-5> Quantum사 TriShild 700기압 수소가스저장용기 외관……………………2 7

<그림 3-6> Quantum사 TriShild 700기압 수소가스저장용기의 삼중구조……………2 7

i i i

<그림 3-7> 압력별 질량에너지밀도에서 차지하는 요소별 비율………………………2 9

<그림 3-8> 탐소섬유강화 7 0 0기압 수소가스저장용기 가격구성비 및

탄소섬유 공급량의 추이와 시장 점유률……………………………………3 0

<그림 3-9> 변진률향상을 위한 와인딩패턴 설계 예……………………………………3 1

<그림 3-10> 탐소섬유층에서의 부하분포…………………………………………………3 2

<그림 5-1> 특허출원 시계열 분포…………………………………………………………4 6

<그림 5-2> 한국, 미국, 일본의 특허출원 시계열 추이 비교 …………………………4 7

<그림 5-3> 우선권 주장국의 특허출원 분포비교 ………………………………………4 7

<그림 5-4> 각 분류별 분포…………………………………………………………………4 8

i v

○ 모든 자동차에는 연료용기가 장착되어 있다. 수소가스를 연

료로 사용하는 연료전지자동차에는 수소가스저장용기를 탑

재하게 된다. 현재 전세계적으로 5 0 0여대의 연료전지자동차

가 실증주행에 참가하고 있거나 리스 판매되고 있다.

○ 이들 연료전지자동차에는 천연가스자동차용 저장용기의 기

술적인 연장선상에 있는 3 5 0기압 수소가스저장용기가 장착

되어 있다. GM만이 유일하게 액체수소를 탑재하고 있으나,

이 G M도 3 5 0기압 수소가스저장용기를 탑재한 자동차를 개

발주행시키고 있다.

○ 또한 전세계 1 0 0여곳에서 운영되고 있는 수소충전소는 모두

가 압축수소가스충전소로 수소공급망이 구축되어 가고 있

다.

○ 1회 수소충전으로 주행할 수 있는 거리가 현재는 3 0 0 k m내

외로 휘발유내연기관자동차의 5 0 0 k m와 최소한 동등해야 한

다는 자동차기업의 요청에 따라 5 k g의 수소를 탑재할 수 있

제1장 서 론 1

제1장

서 론

는 7 0 0기압( 1 0 , 0 0 0 p s i )용기를 각국이 경쟁적으로 개발하고

있고 일부는 시판되고 있다.

○ 압축수소가스저장기술개발은 미국정부와 Q u a n t u m사가

5 0 : 5 0의 재원분담으로 추진하고 있고, 일본정부도 N E D O를

주관기관으로 하여 민간기업과의 공동재원분담으로 추진하

고 있다. Quntum사의 7 0 0기압수소가스저장용기기술을 중심

으로, 라이너물질에 대하여는 일본 N E D O재정지원의 기술

개발을 중심으로 동향을 분석하였다.

2 고압수소저장기술과 안전기준

1. 차량탑재수소( 1 )

○ 수소는 상온에서 기체이고, 액체를 만들기 위하여는 - 2 5 3℃

의 극저온이 필요하다. 주행에 필요한 수소를 차량에 탑재

하는 것은 휘발유와 같은 액체연료처럼 간단하지 않아, 개

질기를 탑재하여 액체화석연료로부터 수소를 생산하면서 주

행하는 개질기탑재 연료전지자동차가 1 9 9 0년대말과 2 0 0 0년

대초에 걸쳐 시험제작되고 주행실증하기도 하였다.

○ 수소흡장합금을 사용한 용기, 고압용기, 단열용기 등의 특별

한 저장용기를 개발하여 수소를 직접 차량에 탑재하는 방식

이 장기적 개발과제로 연구되고 있다.

○ <그림 2 - 1 >은 자동차탑재용 연료의 체적에너지밀도이다. 참

고로 제시한 나무의 값은 마른 소나무를 대표적으로 선정한

것이다.

제2장 연료전지자동차 탑재수소 3

제2장

연료전지자동차 탑재수소

가. 직접수소저장기술과수소흡장합금

○ 직접수소저장법에는 압축수소가스, 액체수소, 수소흡장합금

등으로 분류되는 여러 가지 방법이 있다. 수소저장밀도(에

너지밀도), 소요에너지, 안전성, 취급법, 경제성 등에서 각각

의 장단점이 있다. <표 2 - 1 >은 대표적인 저장법의 장단점,

소요동력 및 충전시간 등을 정리한 것이다.

○ 각 저장법에 따르는 연료용기로서의 중량과 체적 추정치 등

수소 5kg 대응 저장성을 정리한 것이 <표 2 - 2 >이다.


<그림 2-1> 자동차연료의 에너지밀도( 2 )

○ 5 0 0 k m의 주행항속거리를 확보하기 위하여는 약 5 k g의 수소

(기체수소( 0℃)：5 5 N m3, 액체수소( - 2 5 3℃)：7 1 L )가 필요하

다. <표 2 - 1 >과 <표 2 - 2 >에서 보듯이 어느 방법도 체적수소

밀도에서 액체연료인 휘발유와 메탄올에 못 미치기 때문에

고밀도 수소저장법 개발이 과제가 된다.


<표 2-1> 수소저장법 비교( 3 )

(a) 1기압으로부터 3 5 M P a로 등온압축에 필요한 동력(실제로는 이의 1 . 5 ~ 3배의 전력이

필요)

(b) 액화에 필요한 동력(실제로는 이의 4 ~ 6배의 전력이 필요)

(c) 수소화열( 3 0 k J / m o l H 2 )로부터 산출

(d) 승용차용 소형용기인 경우 太田健一郞, 佐藤登：燃料電池自動車の開發と材料, p.240,

C M C ( 2 0 0 4 )

방 법 압축수소가스 액체수소 수소흡장합금

내 용

상온·고압,

초경량탱크

2 0 ~ 7 0 M P a ,

수1 0 N m3

극저온( - 2 5 3℃)

상압 단열용기

용량：1 0 ~ 3 2 0 0 N m3

상온,상압근방

열교환기부착용기

금속수화물상태 L a N i5

등의 합금

체적：기체상태의

1 / 1 0 0 0

용량：0 . 0 3 ~ 2 0 0 0 N m3

장 점

고질량수소밀도

저에너지소비

상온저장

보급기술

고질량수소밀도

고체적수소밀도

고순도수소원

고체적수소밀도

고안전성

고순도수소원

상온저장

단 점저체적수소밀도

고압

액화동력과 비용이

큼 자연증발( b o i l -

off) 충전시 증발

저질량수소밀도(합금)

피독·열화현상

소요동력이론：0.163 kWh/Nm3 ( a )

현황：0 . 2 5 ~ 0 . 5 k W h / N m3이론：0 . 3 1 k W h / N m3 (b)

현황：1 . 2 ~ 2 . 0 k W h / N m30 . 3 7 k W h / N m3 (c)

충전기간( d ) 5 ~ 1 0분 1 0분 1 0분개발목표

○ 현재 직접수소를 사용하는 연료전지자동차에는 기술의 완성

도와 취급의 용이성으로부터 압축수소가스저장법이 널리 사

용되고 있다. 그러나 압축수소인 경우 체적수소밀도가 작아,

보다 고압화하지 않으면 안된다.

○ 유럽에서는 액체수소를 연료로 하는 자동차가 시험적으로

제작되고, 실증주행하고 있다. 액체질소는 질량에서나 체적

에서도 우수한 수소저장법이나, 액화에 많은 에너지가 소요

되고, 충전시와 보존시에 증발( b o i l - o f f )이 크다는 단점이 있


<표 2-2> 수소 5 k g대응 저장성 비교( 3 )

연 료

내용 연료 용기중량 용기체적

비 고중량

(kg)

체적

(L)

용기만

(kg)

수소포함

(kg)

체적

(L)

휘발유 14 20 4 18 21 수소5kg발열량

메탄올 30 38 6 36 42 수소5kg발열량

압축소소

(강 제)5 320 400 405 390

내용적47L,20MPa,

1.3wt%

압축소소

(경량소형)5 214 113 118 273

내용적33L,35MPa,

4.2wt%

압축수소

(경량대형)5 214 54 59 250

내용적126L,35MPa,

8.5wt%

압축수소

(초경량)5 214 39 44 278

내용적144L,35MPa,

11.3wt%

액체수소 5 71 20 25 96 단열용기,20wt%

MH

(1wt%)505 73 600 605 228

합금500kg,

강제용기 150kg

MH

(3wt%)172 33 197 202 96

합금167kg,

알루미늄용기30kg

어 이들의 저감이 개발과제가 된다.

○ 수소흡장합금의 경우는 체적수소밀도가 커서 휘발유에 필적

하는 에너지를 저압상온에서 저장할 수 있다. 그러나 수소

흡장에 수반되는 합금의 미분화(微粉化)와 체적팽창에 따르

는 영향을 피하기 위하여 용기로의 합금충전밀도를 높일 수

없어 저장용기로서는 합금 그 자체의 절반이하의 체적수소

밀도가 된다. 결과적으로 질량수소밀도는 강제의 고압용기

보다 약간 큰 정도이다.

○ 수소충전소에서의 일시적인 수소저장 등 시설면적의 절약을

주목적으로 하는 경우에는 도움이 되나, 자동차탑재용으로

는 수소흡장합금자체와 저장용기의 가일층의 경량화가 필요

하다.

○ 수소흡장합금을 사용하는 수소저장법은 충전시에 합금의 수

소화에 수반하여 발생하는 열을 제거해야하기 때문에 충전

시간이 압축수소가스와 액체수소저장법에 비하여 오래 걸린

다. 충전시간을 줄이기 위하여는 합금의 수소화열저감과 냉

각기술을 향상시켜야 한다.

나. 압축수소가스저장법

○ 압축수소저장용기기술은 천연가스자동차연료장치용 용기기

술의 연장선상에 있어 기존의 기술을 널리 사용한다. 그 구

조는 사용재료와 강도보강법에 따라 type 1, 2, 3 및 4로 대


별되고, 이들 4개 분류는 미국 [ANSI/NGV], 캐나다 [ C S A

B51], 국제표준 [ISO 11439] 및 일본 [고압가스보안법 예시

기준] 등이 거의 비슷하고, 표준화가 진척되고 있는 연료전

지자동차연료용기의 국제표준 [ISO/CD 15869 Gaseous

Hydrogen and Hydrogen blends-Land Vehicle fuel tank]에서

도 같은 분류를 사용한다.

○ T y p e - 1：강제용기 인장강도 9 0 0 N / m m2급의 크롬/몰리브덴강,

○ T y p e - 2：금속라이너의 원주방향을 유리/탄소섬유강화( h o o p

wrapped) 플라스틱강화용기


<그림 2-2> 압축수소저장용기의 단면구조( 4 )

연료전지자동차용 연료용기 국제표준안[ISO/CD 15869 Gaseous

Hydrogen and Hydrogen Blend-Land Vehicles Fuel Tank]의 4종분류

○ 라이너재료로서는 인장강도 9 0 0 N / m m2 크롬/몰리브덴강

○ T y p e - 3：금속라이너의 전체면(동부,경부)(fully wrapped)을

탄소섬유강화 플라스틱으로 강화한 용기( C - F R P용

기), 알루미늄합금라이너는 주로 A A 6 0 6 1을 사용

○ T y p e - 4：고밀도 폴리에틸렌제 라이너의 전체면(fully wrapped)

을 탄소섬유/유리섬유강화 플라스틱으로 강화한

용기, 아구리는 알루미늄합금 A A 6 0 6 1로 제작

○ 4종의 용기의 단면구조가 <그림 2 - 2 >이다. Type 1이 가장

일반적으로 사용되고 있는 용기이고, 이 T y p e - 1에 대하여

경량화를 목적으로 Type 2, 3, 및 4가 개발되고 있다. 각 용

기의 단위내용적당의 용기중량( k g / l )도 기재하였다.

○ <그림 2 - 3 >와 <그림 2 - 4 >는 각각이 고압용기에 천연가스와


<그림 2-3> 고압천연가스의 가스충전시 가스온도와 타부위 온도변화( 4 )

수소가스를 충전하였을 때의 용기내 부위별 온도와 압력을

나타낸 것이다. 천연가스를 충전하였을 경우에는 충전구측

의 전자밸브 근방의 온도는 가스의 단열팽창에 수반되는 가

스온도의 급력한 저하가 관측된다. 충전구의 반대측은 단순

한 압축현상에 기인하는 온도상승이 관측된다.

○ 이와는 대조적으로 수소를 충전하였을 경우에는 용기내가스

온도가 급격하게 상승하고 용기의 안팍도 따라서 상승하고

있다. 이러한 현상은 천연가스만이 아니라 질소, 산소, 공기

등에서 일반적으로 경험하고 있는 단열팽창시의 온도저하와

는 전혀 다른 현상이다.

○ 이 단열팽창시(감압시)의 가스거동차이가 압축천연가스자동

차와 연료전지자동차에서의 감압밸브 배치를 좌우한다. 압

축천연가스에서는 감압밸브는 감압시의 냉각을 보완하기 위

1 0 고압수소저장기술과 안전기준

<그림 2-4> 압축수소가스충전시 용기내 온도와 압력분포( 4 )

하여 온수를 연소엔진으로부터 공급할 필요가 있어 엔진근

방에 감압밸브를 설치하게 된다.

○ 연료전지자동차에서는 감압밸브의 냉각형상이 발생하지 않

기 때문에 가온이 필요 없어, 감압밸브를 용기밸브에 내장

시킨 i n - t a n k식 감압밸브를 채용할 수 있다. <그림 2 - 5 >은

G M이 Q u a t u m사와 공동으로 개발한 7 0 0기압 압축수소저장

용기로 감압밸브가 용기내에 장착되어 있음을 알 수 있다.

○ T r i S h i e l d로 불리는 이 G M의 7 0 0기압압축수소탱크는 이음새

없는 비침투성의 라이너, 높은강도의 고성능탄소복합재, 그

리고 충격에 견디는 외측 셸의 3층구조로 되어 있다. 이 시

스템은 T U V만이 아니라 EIHP(European Integarated

Hydrogen Project)의 인가도 받았다. 이 E I H P는 수소연료시

험의 세계적 기준 책정에 선도적인 역할을 하고 있는 기관

이다.

제2장 연료전지자동차 탑재수소 1 1

<그림 2-5> QUANTUM사 7 0 0기압 수소저장용기의 상세구조( 2 )

○ D y n e t e k사는 7 0 0기압 가압용기시스템을 개발하여 N i s s a n

2 0 0 4년형 X-trail FCV에 납품한바 있으며, PSI/Michelin Hy-

L i g h t와 S u z u k i도 2 0 0 4년에 7 0 0기압가압용기시스템을 장착하

고 있다.( 5 )

2. 주요실증주행시험참가연료전지자동차( 1 )

○ 전세계적으로 각종의 실증주행시험이 여러 지역에서 실시되

고 있으나 정부와 여러 완성차메이커 및 수소공급 기업 그

리고 연구소가 첨여하면서 1 0여대이상의 연료전지차량이 참

가하고 있는 것으로는 미국 캘리포니아 지역의 C a F C P

(California Fuel Cell Partnership), 일본 Tokyo 수도권 및

Aichi Expo지역의 JHFC(Japan Hydrogen & Fuel Cell

Demonstration Project) 및 독일 B e r l i n지역의 C E P ( C l e a n

Energy Partnership) 프로젝트가 있다.

가. CaFCP(California Fuel Cell Partnership)

○ 2 0 0 5년 3월 시점에서의 실증주행에 참가하고 있는 차량은

연료전지승용차 6 5대와 버스 5대이다. 2007년말까지는 승용

차와 버스 합계가 3 0 0대가 된다.

○ 현재 가동중에 있는 수소충전소는 1 6개소이며, 2005년도 중


으로 약 1 0개소가 신규로 개소될 전망이다.

○ 현재의 프로젝트기간은 2 0 0 4년~ 2 0 0 7년으로 4개년이며, 2005

년 3월 시점에서의 정회원은 완성차메이커로는 D a i m l e r

Chrysler, General Motors, Ford, Honda, Hyudai, Nissan,

Toyota 및 Volkwagen, 에 너 지 기 업 으 로 는 B P ,

ChevronTexaco, ExxonMobil 그리고 Shell Hydrogen이다. 연

료전지메이커 B a l l a r d와 UTC Fuel Cells 그리고 참여행정기

관으로는 연방정부의 환경청, 에너지부 및 교통부가 있고,

California Energy Commission, California Air Resources Board,

National Autommotive Center, South Coast AQMD(Air

Quality Management District)가 있다. 준회원으로 A C

Transit, Santa Clara VTA SunLine Transit, Air Products,

Praxair, PG & E, Proton Energy Systems, Stuart Energy,

Ztek 그리고 ITS-UC Davis가 참여하고 있다.

나. JHFC(Japan Hydrogen & Fuel Cell Demonstration

P r o j e c t )

○ 2 0 0 5년 3월시점에서 실증주행에 참가하고 있는 연료전지승

용차는 완성차메이커 실증시험계약차 1 3대와 행정부, 지방

자치단체 및 에너지기업 등에 리스판매된 연료전지승용차

등 4대 등 누계합계는 5 6대이다. 버스는 T o y o t a / H i n o

FCHV-Bus2 2대가 있고, Aichi Expo 참여 FCHV-Bus2 8대


가 2 0 0 5년도에 참가하였다.

○ 현재 가동중에 있는 수소충전소수는 Tokyo 등 수소권 지역

에 1 0개소 그리고 Aichi Expo지역에 2개소이다.

○ 2 0 0 2년 1 2월부터 2 0 0 4년 1 2월까지의 2개년간에 연료전지자

동차 누적주행거리는 1 8만 4 , 0 0 0 k m이며 같은 기간의 누적수

소공급량은 6 , 7 8 0 k g에 이른다.

○ 2 0 0 5년 8월시점에서의 참여 완성차메이커는 8개사로

Toyota, Nissan, Honda, Mitxubishi, DaimlerChrysler, General

Motors, Suzuki 그리고 T o y o t a / H i n o의 연료전지버스가 있다.

승용차 1 6대와 버스 9대가 실증주행에 참가하고 있다. 참가

차종은 Toyota FCHV, Nissan X-Trail FCV, Honda FCX,

General Motors Hydrogen3 액체수소, DaimlerChrysler F-Cell,

Mitsubishi FCV Suzuki WagonR-FCV과 T o y o t a / H i n o의

F C H V - B u s 2이다.

○ 2 0 0 5년 3월시점에서의 인프라관련 참여기업은 S h i n N i p p o n

Sekiyu, Cosmo Sekiyu, Showa/Shell Sekiyu, Tokyo Gas,

Iwatani Industry, Japan Air Gases, TaiyoNitssan, JEF, Kurita

Kogyo, Cinanen, ItochuNen, Idemitsu Kosan, Babcok/Hitach/

Tsurumi Soda 그리고 Toho Gas 등 1 5기업이다.


다. CEP(Clean Energy Partnership) in Berlin

○ 2 0 0 4년 1 1월 1 2일 사업개시식을 가졌다. 참가자동차는 1 6대

로서 D a i m l e r C h r y s l e r의 F-Cell 10대, Ford Focus FCEV-

Hybrid 3대, General Motors/Opel의 액체질소 탑재차

Hydrogen3 1대, 및 B M W의 745h 수소내연기기관자동차 2

대 그리고 독일 버스메이커 M A N / N E O M A N사제의 연료전

지버스 1대를 Berlin 공공교통공사가 리스구매하여 참가하

였다.

○ 인프라관련 참여기업으로는 BP/Aral, Hydro, Linda 그리고

Vattenfall 등 4개사이다.

○ 독일연방정부의 <지속가능한 에너지전략계획>의 일환으로

수행되는 사업으로 연방 교통건설주택성이 중심이 되어 완

성차메이커, 휘발유공급, 수소제조·저장 등의 분야로부터 9

개사가 참여하여 2 0 0 4년말부터 5개년 예정으로 B e r l i n지역에

서 실시된다. 총투자액은 3 , 3 0 0만 유로이다.

라. 실증주행중에있는연료전지자동차

○ <표 2 - 3 >은 현재 각종 실증주행에 참가하고 있는 연료전지

자동차의 주요사양이다. GM의 H y d r o g e n 3를 제외하고 모두

3 5 0기압 압축수소가스용기를 탑재하고 있으며, 1회 수소충

전으로 300 km 내외를 주행하고 있다.


○ <그림 2 - 6 >은 3 5 0기압 수소가스용기를 장착하여 주행중에

있는 연료전지자동차이다. Honda FCX는 북해도와 뉴욕주


<표 2-3> 2005년 주요연료전지자동차 기술사양

통칭명 F C X F-Cell A ClassFocus FCV F C H V H y d r o g e n 3 Tucson FCEV X-Trail FCV

리스판매가 8 0만엔/월 1 2 0만엔/월 1 0 5만엔/월 1 0 0만엔/월

완성차메이커 H o n d a D - C F o r d T o y o t a G M / O p e l H y u n d a i N i s s an

크기중량승차인원

전장(㎜) 4,165 3,785 4,338 4,735 4,315 4,485

전폭(㎜) 1,760 1,610 1,685 1,750 1,770

전고(㎜) 1,645 1,750 1,880 1,750

차량중량 2,530 5 5 5

승차정원 4 4

호일베이스 2,530 2,615 2360

성 능

최고속도 150 140 128 155 160 150 145

항속거리(㎞)

430(LA-4)

150 320330

(J1015)400(ED) 300

3,050(J1015)

파워트레인

구동방식 전륜구동전륜구동 전륜구동 전륜구동 전륜구동 전륜구동

모터종류 P M동기식 AC유도 AC유도 P M동기식 AC유도감속기일체형동축모터

최고풀력() 80 65 65 90 60 80 85

최대토크(Nm) 272 210 230 260 215

FC종류Honda

FC StackBallard

FC StackBallard

FC StackToyota

FC StackGM FC Stack

2000UT

FC StackUT/NissanFCStarck

최고출력(kW) 86 68.5 80 90 129 63/90

이차전원 UC9.2FNi-MH20kW

Ni-MH Ni-MHLG

LiPolyLi Ion

연 료

종류 압축수소가스압축수소가스 압축수소가스 압축수소가스 액체수소 압축수소가스 압축수소가스

저장방식 고압수소탱크 고압수소탱크 고압수소탱크 고압수소탱크 -253℃ 고압수소탱크 고압수소탱크

탱크용량(ℓ) 68+88 68 152

충전가스량(kg) 3.75 4.6

최고충전압력 350기압 350기압 350기압 350기압 350기압 350기압

등에 리스판매되고 있다. 가스용기가 차지하는 부피가 너무

커 고압화에 위한 용적줄이기가 있어야 함을 알 수 있다.

○ 압축수소가스저장용기로는 주로 Type 3과 Type 4가 사용되

고 있고, Type 3의 금속라이너로는 알루미늄 6 0 6 1 - T 6이 주

로 사용되고 있다. 강도강화를 통한 탄소섬유사용량 저감을

목적으로 S U S 3 1 6와 SUS316L 등이 N E D O / J F E등에서 개발

되고 있다.

○ Type 4용 라이너로는 고분자량 폴리머를 Q u a n t u m사는 사

용하고 있고, NEDO/IHH 등에서는 P O M ( P o l y a c e t a l )단독으

로나 A B S (아크릴로트릴/부타젠/스틸렌 공중합체)에 알루

미늄이나 니켈을 코팅하여 수소투과성을 저감시킨 라이너를

개발하고있다.


<그림 2-6> Toypta/Hino FCHV Bus2와 Honda FCX

1. 미국과일본정부의개발목표와개발과제

가. 미국의개발목표(Hydrogen Storage Goal)

○ <표 3 - 1 >는 미국의 수소저장기술개발목표이다.

○ <그림 3 - 1 >은 최근의 기술개발현황과 2 0 1 5년경의 연료전지

자동차상용화를 위하여 성취하여야 할 목표를 미국 에너지

부가 2 0 0 5년에 작성한 것이다. 자동차탑재를 위하여는 크기

와 무게에 제한이 있고 가격도 낮추어야 한다. 1kWh(약

제3장 700기압 수소가스저장용기 1 9

제3장

7 0 0기압 수소가스저장용기

<표 3-1> 미국의 수소저장개발목표( 6 ) , ( 7 )

Parameter 2010 2015

specific energy(net),kWh/kg2.0, (7.2 MJ/kg),

(6wt%)

3.0, (10.8MJ/kg),

(9wt%)

energy density(net), kWh/L1.5, (5.4MJ/L),

(0.045kg/L)

2.7, (9.7MJ/L),

(0.081kg/L)

storage system cost, $/kWh 4 2

33g H2가 갖는 에너지)에너지단위를 사용하고 있다.

○ 2 0 0 4년말 현황은 7 5 0기압( 1 0 , 0 0 0 p s i )에서 체적에너지밀도가

0 . 8 k W h / L이고 질량밀도는 1 . 6 k W h / k g이다. 2010년의 목표값

2 . 0 k W h / k g ( 6 w t % )와 1.5kWh/L 및 2 0 1 5년의 목표값

3 . 0 k W h / k g ( 9 w t % )와 2 . 7 k W h / L과는 차이를 보인다. 2015년

의 목표를 달성하기 위하여는 질량에너지밀도에서 약 2배,

체적에너지밀도에서 3 . 5배 향상시켜야 한다. 용기를 포함한

무게를 현재의 1 / 2로 크기는 1 / 3 . 5로 줄여야 함을 의미한다.

가격은 1 8달러에서 2달러로 거의 1 / 1 0로 줄여야 실용화됨을

의미한다.

○ 고가소재로 특별 제작하여 시판하고 있는 현재의 공급가격


<그림 3-1> 미국 D O E발표 수소저장기술현황과 개발목표( 7 )

k W h (약 33g H2가 갖는 에너지)

을 저가소재사용과 대량생산시스템구축으로 가격저감은 가

능하다고 보는 산업계와 혁신적인 기술혁신 없이는 불가능

하다는 전문가그룹으로 나뉘어 진다. 국립연구기관과 대학

교수를 중심으로 한 전문가그룹은 카본나노튜브, 화학수소

화물(Chemical Hydride), 금속수소화물(Metal Hydride) 등의

수소흡장물질개발이 중장기적으로 이루어져야 한다고 하고

각국정부의 개발예산도 이들 개발에 대부분 사용되고 있다.

액체수소는 에너지밀도와 체적에너지밀도 그리고 가격에서

가장 근접한 값을 보이나 수소액화와 저장중 증발에 의한

손실이 커서 에너지효율면에서 불리하다.


<표 3-2> DOE 수소저장기술개발목표( 8 )

Parameter 2005 2010 2015

Usable Specific Energy

(kw hr / kg)1.5 2 3

Usable Energy Density

(kw hr / L)1.2 1.5 2.7

Cost

($ / kw hr)$6 $4 $2

Cycle Life

(1/4 tank to full)500 1,000 1,500

Refueling Rate

(kg H2 / min)0.5 1.5 2

Loss of Usable

Hydrogen (grams)1 0.1 0.05

나. 미국정부의개발과제( 9 )

○ 미국 에너지부의 재정적 지원으로 2 0 0 3년 회계년도까지 수

행되던 과제로는 대과제“Compressed/Liquid H2 Tanks”아

래 다음과 같은 과제가 있다. 현재 실시되고 있는 과제는 6 .

Low Cost, High Efficiency, High Pressure Hydrogen Storage,

Neel Sirosh, Quantum Technologies, Inc.이다.

1. Hydrogen Composite Tank Project, Neel Sirosh, Quantum

Technologies Worldwide Inc.

2. Development of a Compressed Hydrogen Gas Integrated

Storage System for Fuel Cell Vehicles, John Wozniak,

John Hopkins University Applied Physics Laboratory.

3. Next Generation Hydrogen Storage, Andrew Weisberg,

Lawrence Livermore National Laboratoy.

4. Hydrogen Storage in Insulated Pressure Vessels, Salvador

M. Aceves, Lawrence Livermore National Laboratoy.

5. Low Permeation Liner for Hydrogen Gas Storage Tanks,

Paul A. Lessing, Idaho National Engineering &

Environmental Laboratory.

6. Low Cost, High Efficiency, High Pressure Hydrogen

Storage, Neel Sirosh, Quantum Technologies, Inc.


다. 일본정부의개발목표( 1 0 )

○ 현재의 3 5 0기압 2.5 wt%, 3kg의 수소저장량을 개발도입기를

지난 2 0 1 0년 경에는 7 0 0기압 6.0 wt%로 5kg 수소저장량을

목표로 수소취화에 강한 금속재료의 선택과, 700기압용기

및 고효율7 0 0기압용 압축기의 개발을 통하여 보급기에 진입

하도록 한다.

○ 2 0 2 0년까지 7 0 0기압 9 . 0 w t %를 라이너와 복합재료의 박육화

(박육화)와 압축효율의 향상을 달성하여 7 kg의 수소저장량

을 달성함으로써 그 이후의 연료전지자동차의 본격적인 도

입을 목표로 하고 있다.

○ 이를 위하여 일본정부로서는 N E D O를 개발주관기관으로 정

하고, 이를 위한 구체적인 방법으로는 규제의 재점검, 내구

성의 향상, 고강도재료개발 및 압축기의 개발을 제시하고

있다.

라. 일본정부의개발과제

○ 일본정부의 재정적지원을 N E D O가 주관하여 개발중에 있는

7 0 0기압압축수소가스저장용기 개발과제로는 다음과 같은 과

제가 있다.

1. 7 0 0 M P a차제용수소탱크시스템개발, Iwatani(岩谷産業), 주

식회사 내리키, Murata(村田)機械, Sumitomo Kiko(住友


機工) .

2. 압축수소용기계의 고압화요소기술개발, JFE Container,

JFE Techno-Research.

3. 7 0 M P a급압축수소용기의 연구개발, Ishikawajima-

H a r i m a (石川島播磨)중공업.

4. 7 0 M P a급압축수소용기 온도식안전밸브개발, 주식회사 후

지킹

○ 이밖에 안전기술관련으로“수소기초물성”, “수소용재료기초

물성연구”, “수소용 알루미늄재료기초연구”및“열전대식

수소센서연구개발”등이 기업과 연구조합 등에서 위탁연구

되고 있다.

2. D O E / Q u a n tu m의 저가격, 고성능700 기압압축수

소가스저장용기개발

○ 연료전지자동차가 종래의 휘발유내연기관자동차와 동등한

편리성을 확보하기 위하여는 한번의 충전으로 주행할 수

있는 항속거리는 5 0 0 k m로 증대시켜야 한다. 이를 위하여는

7 0 0기압 고압저장으로 5 k g의 수소저장이 필요한 것으로 알

려져 있다. 350기압사양을 이를 위한 통과점을 인식되고

있다.

○ 5 0 0 k m주행에 필요한 수소 5 k g을 탑재할 경우의 각종의 저


장방법에 따르는 필요체적과 소요중량을 비교한 것이 <그림

3 - 2 >이다.

○ 범용 탄소섬유를 사용한 C - F R P - 2 0 M P a용기의 경우, 체적은

400L, 중량효율은 약 4 %가 된다. 항공우주용 고성능 탄소

섬유를 사용한 C - F R P - 7 0 M P a용기인 경우 160L, 10%이상의

중량효율이 달성될 것으로 기대된다.

○ Q u a n t u m의 압축수소가스저장용기개발의 발자취와 용기종

류별 5 k g탑재용기의 무게를 막대그래프로 나타낸 것이

<그림 3 - 3 >와 <그림 3 - 4 >이다.

○ <그림 3 - 3 >에 보듯 2 0 0 2년도에 이미 Q u a n t u m은 D O E의 재

정적지원으로 수행한 과제에서 3 5 0기압과 7 0 0기압 압축수소

저장용기의 E I H P와 T U V에서 인증을 취득하여 시판을 개


<그림 3-2> 승용차용 연료별 저장 필요체적과 소요중량 비교( 4 )

시한바 있어 기술성은 입증한바 있다. 극복해야 할 가장 큰

과제는 경제성 향상이다.

○ 탄소섬유강화 압축수소가스용기는 미국의 Q u a n t u m사와 캐


<그림 3-3> Quantum압축수소가스저장용기 개발의 발자취( 9 )

<그림 3-4> Quantum압축수소용기별 수소5kg저장용기 무게( 9 )

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0

QUANTUM “Space" Tank

QUANTUM Demonstration Tank

QUANTUM Valildated Tanks

Type IV (Full Wrap/Nonmetallic)

Type III (Full Wrap/Aluminum)

Type II (Hoop Wrap)

Type I (Steel)

Mass of Storage Tank (kg)

나다의 D y n e t e k사 등에 의하여 개발되고 있고 3 5 0기압수소

가스용기는 실증 주행중에 있는 연료전지자동차 등에 장착

되어 사용되고 있다.

○ <그림 3 - 6 >과 <그림 3 - 7 >는 Q u a n t u m사가 개발한 7 0 0기압


<그림 3-5> Quantum사 TriShild 700기압 수소가스저장용기의 외관

<그림 3-6> Quantum사 TriShild 700기압 수소가스저장용기의 삼중구조

수소가스저장용기이다. 수소가스투과장벽용 라이너로 고분

자량폴리머(고밀도 나일론)를 사용하고, Epoxy-resin을 입

힌 탄소섬유를 f u l l y - w r a p하여 고압부하에 견디게 하고 있

다. 여기에 충격흡수와 손상을 방지하기 위한 외피를 입히

고있다.

○ 이것으로 가스충방출사이클내구성과 충전시간은 2 0 1 5년의

DOE 목표를 충족하고 있으나, 에너지밀도와 질양에너지밀

도는 약 2배 향상시켜야 하며 가격은 165L 버스용 용기로

k W h당 7 3달러가 되어 2 0 1 5년의 목표값 2달러가 되기위하여

는 대폭적인 생산비저감이 필요하다.

가. 저가격산업용탐소섬유사용

○ <그림3 - 7 >에서 보듯 저장용기제작에 차지하는 고가의 우주

개발용 탐소섬유 질량이 크고, 700기압압축수소가스저장용

기에서의 탐소섬유필요량은 더욱 커진다.

○ <그림 3 - 7 >은 저장압력별 질양에너지밀도를 부품별분포로

나타낸 것이다. 용기무게가 증가하며 따라서 탐소섬유질량

이 커짐을 알 수 있다.

○ 2 0 0 3년회계년도말에는 7 0 0기압에서 압축 수소가스 저장용

기에서 1 . 6 k W h / k g을 달성하고 있어 2 0 0 5년도 D O E목표

1 . 5 k W h / k g을 능가하고 있음을 알 수 있다.


○ Q u a n t u m은 탄소섬유를 <표 3 - 3 >에서의 저가격 일반산업용

탐소섬유를 사용함으로써 가격의 저감을 목표로 하는 기술

개발을 D O E의 재정적지원하에 2 0 0 4년회계년도로부터 실시

하고 있다.

○ 저가격의 탐소섬유를 사용한 경우와 고성능의 탐소섬유를

사용한 경우의 가격구성비를 Q u a n t u m사가 미국에너지부에


<그림 3-7> 압력별 질량에너지밀도에서 차지하는 요소별 비율( 9 )

<표 3-3> 탐소섬유의 성능과 가격비교표

F i b e r# of

F i l a m e n t s

Tensile Strength Tensile Modulus E l o n g a t i o n

( % )

A p p r o x i m a t eDry FiberC o s t ( $ / k g )

Cost perS t r e n g t hm e t r i c( k s i ) ( M P a ) ( k s i ) ( G P a )

High Perfomance 1 2 K 9 0 0 6 , 3 7 0 4 2 . 7 2 9 4 2 . 2 $ 1 7 0 6 . 8

Mid Perfomance 1 8 K 7 9 0 5 , 4 9 0 4 2 . 7 2 9 4 1 . 9 $ 5 8 2 . 6

Low Cost 2 4 K 7 1 1 4 , 9 0 0 3 3 . 4 2 3 0 2 . 1 $ 2 0 1 .0

제출한 것이 <그림 3 - 8 >이다.

○ D O E와 Q u a n t u m사는 가격의 80% 가까이를 차지하고 있는

탐소섬유를 저가격 탐소섬유로 대체하고, 동시에 강도측정

용 각종 센서를 장착함으로 탄소섬유량을 줄여, 2005년에는

k W h당 6달러로 저감할 수 있을 것으로 전망하고 있다.

○ 7 0 0기압 2 8리터의 시험용용기에서 탄소섬유비용은 중성능탄

소섬유인 경우 2 , 6 0 0달러, 저가격공업용탐소섬유로 1 , 6 0 0달

러, 경화처리(cure process)를 한 저가격공업용섬유는 1 , 3 0 0달

러의 값을 얻고 있다.

○ 저가격공업용탐소섬유강화용기로 실린더중간파열압력은


<그림 3-8> 탄소섬유강화 7 0 0기압 수소가스용기 가격구성비 및 탐소섬유 공급

량의 추이와 시장 점유률

25,250 psi와 경화처리저가격탐소섬유로 27,510 psi의 값을 각

각 얻고 있어 안전성을 확보됨을 입증하였다.

○ 부하가 집중되지 않도록 와인딩패턴과 탐소섬유의 기계적

손상을 철저하게 감시하고 있다. NDO/IHH에서는 중성능의

탄소섬유를 사용한 용기를 개발하고 있다.

나. 저가격탐소섬유사용을위한연구개발

○ 탐소섬유는 결정구조가 갖는 특성으로 길이 방향으로의 강

도가 가장 크다. 따라서 부하가 길이방향으로 주로 걸리도록

서로 교차(helical cross-over)되는 것이 최소가 되도록 한다.

○ 인장강도에 대한 실제 강도의 비를 변진률이라 정의하고,

탐소섬유층을 얇게 설계한 항공우주용 3 5 0기압 압축수소가

스저장용기에서는 7 8 - 8 5 %의 변진률을 얻고 있으나 현재의

7 0 0기압압축수소저장용기의 변진률은 5 8 - 6 8 %에 지나지 않


<그림 3-9> 변진률향상을 위한 와인딩패턴 설계 예

아 두터운 압력용기가 되고 있다. 또한 탐소섬유를 강화수

지로 함침하여 강도를 높인다. <그림 3 - 9 >은 변진률 향상을

위한 와인딩패턴의 예이다.

○ 부하가 내측에 많이 걸리는 것을 두께방향으로 고루 분산되

도록 와인딘패턴을 설계한다. <그림 3 - 1 0 >은 탐소섬유층 반

경방향으로의 부하분포의 시뮬레이션 값이다. 부하를 고루

게 즉 기울기를 수직하게 함으로써 탐소섬유가 갖는 인장강

도를 고루 최대한으로 활용하면 상대적으로 필요로하는 탐

소섬유량이 감소하게 된다.

다. 센서이용을통한탄소섬유량저감

○ ECE/EIHP(European Integrated Hydrogen Project)기준안에

서는 액티브센서를 사용하여 안전성과 신뢰성이 확보되면

복합재료의 최소설계파열압력을 2 . 3 5 ( S P )으로부터 1 . 8 ( S P )

로 낮은 안전계수를 적용시켜도 된다.


<그림 3-10> 탐소섬유층에서의 부하분포( 1 0 )

○ 이것으로 탐소섬유필요량을 26% 저감시킬 수 있게 되어

약3 0 k g을 가볍게 할 수 있게 된다. DOE/Quantum은 다은

과 같은 장단점을 갖는 광섬유스트레인게이지센서, 저항스

트레인게이지센서 및 음향검지를 통한 스트레인게이지센서

를 선정하여 시험중에 있었으나, 2005년에는 최종적으로 광

섬유스트레인게이지센서와 저항스트레인게이지센서를 채택

하였다.

(1) 저항 스트레인게이지 모니터

○ 장 점

- 저항 스트레인게이지 모니터는 탱크 셀에서의 스트레인

게이지로서 오랜 역사를 가지며 신뢰성이 확보되어 있다.

또한 가격이 저렴하며 성능의 예측이 가능하다는 장점이

있다.

○ 결 점

- 반면에 측정가능구역이 협소하며 탱크셀에 설치해야하며

센서수가 증가하는 등의 단점이 있다

(2) 광섬유 스트레인게이지 모니터

○ 장 점

- 이는 상대적으로 넓은 구역에 대한 모니터가 가능하며,


탄소섬유와 함께 감을 수 있다는 장점이 있다. 또한 탱크

에 장착하여 측정시험을 실시할 수 있다.

○ 결 점

- 반면에 신호발생과 해석량이 증가하며 가격이 비싸다는

단점이 있다. 또한 커넥터와 회선의 내구성이 좋지 않으

며 구성이 복잡하다.

(3) 초음파 스트레인게이지 모니터

○ 장 점

- 초음파 스트레인게이지 모니터는 센서어레이로서 비교적

넓은 표면영역을 모니터할 수 있는 장점이 있다. 그리고

탄소섬유와 함께 감기가 가능하며 가격이 비교적 저렴하

고 충격에 의한 손상을 신속히 감지할 수 있다.

○ 결 점

- 그러나 신호발생과 해석량이 증가하며 고가라는 문제가

있다. 초음파 스트레인게이지 모니터의 경우는 실제 측정

경험이 제한적이며 간접적(스트레인이 아닌)인 탱크의

건정성을 검출하게 된다. 또한 구성이 복잡해지며 고비용

이라는 점도 단점으로 지적된다.


라. 77K 수소충전·저장·방출( 1 1 ) , ( 1 2 )

○ 7 7 K에서의 수소저장으로 수소저장량을 4배로 증가시킬 수

있어 충전소 가스 주입 시 7 7 k로 주입하고 압축수소저장용

기열차폐 향상으로 저온유지.

○ 2 0 0 4년 회계연도말 선정한 기술개발흐름은 압축수소가스 →

충전시 냉각 → 냉각기열제거를 위한 열교환기 설계 → 보

온을 위한 수소저장용기시스템설계 → 열차폐 → 온도변화

량 Delta T → 수소방출시 열역학 분석을 최종적으로 선정

하였다. 이 방식에 의한 수소충전방법을 Q u a n t u m은

CoolFuelTM System으로 명명하고 실용화를 서둘고 있다.

○ 이상의 기술개발을 통하여 D O E / Q u a n t u m은 7 0 0기압 압축

수소가스저장용기 시스템의 질량에너지밀도를 1 6 0 L용기에

서 1.4kWh/kg, 탱크체적밀도는 0.8 kWh/L를 달성하였다.


1. 국제표준

○ 1 9 9 7년 이래 수행해 오던 차량탑재용 압축수소가스저장용기

(Gaseous hydrogen and hydrogen blends-Land vehicle fuel

tanks) 국제표준화작업이 ISO/TC 197작업부회에서 ISO DIS

(Draft international Standard) 15869(1-5) 작성에 합의하여

ISO/IEC Directive Part 2에의 확인작업이 진행 중에 있다.

이것은 실질적인 작업이 종료되어 국제표준 출간수속만 남

았음을 의미한다.

2. 고압가스용기규제기관인증( A p p r o v a l )

○ 고압가스용기 규제 인증으로는 ISO 15869, NGV2-US/Japan

/Mexico, FMVSS 304-United States, NFPA 52-United

States, KHK-Japan, CSA B51-Canada, TUEV-Germany 등

이 있다.

제4장 인증기관과 인증시험 및 세계표준 3 7

제4장

인증기관과 인증시험 및 세계표준

○ 다음과 같은 건전성/안전성 실증시험을 실시하여 인증서를

발급하고 있다. Hydrostatic Burst, Extreme Temperature

Cycle, Ambient Cycle, Acid Environment, Bonfire, Gunfire

Penetration, Flaw Tolerance, Accelerated Stress, Drop Test,

Permeation, Hydrogen Cycle, Softening Temperature, Tensile

Properties, Resin Shere, Boss End Material. 700기압 수소가

스저장용기의 인증을 받은 것은 G M / Q u a n t u m과 T o y o t a의

Type 4 용기와 N i s s a n / D y n e t e k의 알루미늄라이너 Type 3

용기 등이 있고 이들은 이미 시판 중에 있다.

가. 안전성

○ 압축천연가스용기를 연료전지자동차용으로 전용하기 위하

여 검토해야 할 과제


<표 4-1> Quantum사가 취득한 인증과 판매품목( 9 )

C o m p o n e n t A v a i l a b l e A p p r o v a l

T a n k EIHP / TÜV

R e g u l a t o r EIHP / TÜV

Check Valves EIHP / TÜV

PRD (thermal) EIHP / TÜV

Manual Tank Valves EIHP / TÜV

Pressure Transducers EIHP / TÜV

Refueling Receptacle EIHP / TÜV

Fuel Lines EIHP / TÜV

F i t t i n g s EIHP / TÜV

- 넓은 가연(可燃)범위.

- 용기재료의 수소가스투과성

- 급속충전시의 가스온도거동

- 용기재료의 수소취화

○ 가연범위가 넓다는 것과 관련하여서는 용기로부터의 수소가

스투과성과 밀접한 관계가 있다. Type 1, 2, 3 용기의 현행

재료와 구조로 대응이 가능하다. Type 4에 관하여는 투과속

도를 억제할 수 있는 새로운 재료선택과 라이너구조기술이

필요하다.

○ 급속가스충전시의 가스온도거동에 관하여는 Type 1, 2, 3

용기의 현행 재료와 구조로 대응이 가능하고. 종래의 천연

가스충전시와 같은 정도의 시간(수분)내에 충전이 가능하

다. Type 4의 경우 현행의 고밀도폴리에틸렌( H D P E )의 내

열성과 라이너재료의 낮은 전열성과의 중첩효과를 고려하여

급속충전시의 온도상승을 억제할 필요가 있다.

○ 용기재료의 수소취화에 관하여는 Type 1, 2의 현행 인장강

도 9 0 0 N / m m2의 크롬/몰리브덴강으로는 수소취화가 우려되

어 보다 저강도의 강재를 사용할 필요가 있는 것으로 알려

져 있다. Type 3, 4에 사용되고 있는 알루미늄합금과 H D P E

는 수소취화가 문제시되지 않는다.

○ 연료전지자동차용 압축수소용기로서는 Type 3용기에 대한

과제가 가장 작아, 압축천연가스자동차 연료장치용기의 현


행기술을 연료전지자동차의 압축수소용기로 거의 그대로 사

용될 수 있음을 알 수 있다.

○ 현재 실증주행시험에 참가하고 있는 연료전지자동차의 거의

모두가 Type 3용기를 탑재하고 있다. 다만 압축천연가스의

사용압력은 2 0 0기압( 2 0 M P a )이나 연료전지자동차용 압축수

소용기는 사용압력이 3 5 0기압이기 때문에 탄소섬유 F R P층

이 보다 두꺼운 용가구조가 된다. 내용적은 1 5 0 l의 것이 널

리 사용되고 있다.

나. 압축수소용기의요구성능과평가시험

○ Type 3용기를 연료전지자동차용 압축수소용기로 사용할 경

우 평가항목은 다음과 같이 1 5가지가 된다.

1. 사용압력(충전압력), 2. 내압시험압력, 3. 설계파열압력,

4. 설계검사, 5. 파열시험, 6. 상온압력사이클시험, 7. 최소

육후(육후)확인시험, 8. 화염폭로시험, 9. 나하시험, 10. 환경

시험, 11. 고온/저온 압력사이클시험, 12. 가속응력시험, 13.

허용결함확인시험(NDE), 14. 관통시험(Gun-fire), 15. 가스

투과시험

○ 화염폭로시험에서는 차량에 화재가 발생한 경우, 안전밸브

가 작동하여 용기가 파연됨이 없이 충전가스가 발출되어야

한다. 이 때 용기용량, 충전압력, 안전밸브의 방출성능을 조

합하여 평가한다. 안전밸브를 장착한 수소용기에 대하여 소


정의 방법으로 용기채 화염에 폭로시켜 안전밸브의 작동과

수소확산을 확인한다.

○ 관통시험은 용기가 총탄에 의하여 적어도 한쪽 용기벽이 관

통되어도 용기가 파열됨이 없이 충전가스가 빠져나가믄 것

을 확인한다.

○ 연료전지자동차용 용기의 기준과 표준으로 미국 [ A N S I /

NGV2], 국제표준 [ISO 11439], [ISO/CD 15869] 및 일본의

[고압가스보안법 예시기준 별첨 9 ]를 둘 수 있다.

○ 연료전지자동차용 수소용기에 관하여는 I S O의 ISO TC-197

과 T C - 5 8에서 Gases hydrogen and hydrogen blends- Land

Vehicle fuel tank가 최종단계에 와있다.

○ ISO draft는 다음과 같이 5개 p a r t로 구성되어 있다.

- Part 1：General requirements

- Part 2：Particular requirements for metal tanks (type 1)

- Part 3：Particular requirements for hoop wrapped

composite tanks with a metal liner"@(type 2)

- Part 4：Particular requirements for fully wrapped

composite tanks with a metal liner (type 3)

- Part 5：Particular requirements for fully wrapped

composite tanks with a non-metallic liner (type 4)

○ 다음 <표 4 - 2 >는 I S O에서 검토중에 있었던 재료에 관한 기


준과 설계확인 시험항목이다.

○ EIHP(European Integrated Hydrogen Project)관계로는

Hydrogen-fueled Vehicles：Draft ECE Regulations and

Global Technical Regulation 이 검토되고 있다.


<표 4-2> ISO/CD 15869에서의 재료에 관한 기준과 설계확인 시험항목( 1 3 )

Part 2Metal tanks

Type 1

Part 3Hoop wrappedcomposite tanks

with a metal linerType 2

Part 4Fully wrappedcomposite tanks

with a metal linerType 3

Part 5Fully wrapped

composite tanks witha non-metallic liner

Type 1

Material tests for steel ISO 9809_1:1999I S O 9 8 0 9 _ 1 : 1 9 9 9 ,clauses6.1 to 6.4

I S O 9 8 0 9 _ 1 : 1 9 9 9 ,clauses6.1 to 6.4

Material tests for alumiium ISO 7866:1999I S O 7 8 6 6 : 1 9 9 9 ,clauses 6.1and 6.2

I S O 7 8 6 6 : 1 9 9 9 ,clauses 6.1and 6.2

Metal end bosses ISO 15869_1. cluse4

Material tests for steel linersI S O 9 8 0 9 _ 1 : 1 9 9 9 ,clauses10.2, 10.3 and 10.4

I S O 9 8 0 9 _ 1 : 1 9 9 9 ,clauses10.2, 10.3 and 10.4

Material tests for alumiium linersI S O 7 8 6 6 : 1 9 9 9 ,clauses10.2 and 10.3

I S O 7 8 6 6 : 1 9 9 9 ,clauses10.2 and 10.3

Plastic liners ISO 15869_1. cluse4

Items of prototype testing Annex

Accelerated stress rupture test D.1 ○ ○ ○Ambient temperature pressure cycling test D.2 ○ ○ ○Bonfire test D.3 ○ ○ ○ ○Boss torque test D.4 ○Brinell hardness test D.5

Coating batch tests D.6

Coating tests D.7 ○Composite flaw tolerance test D.8 ○ ○ ○Drop test D.9 ○ ○Environmental test D.10 ○ ○ ○Extreme temperature pressure cycling D.11 ○ ○ ○High temperature creep test D.12 ○ ○ ○Hydraulic test D.13

Hydrogen gas cycling test D.14 ○Hydrostatic burst pressure test D.15 ○ ○Leak-Befor-Break (LBB) test D.16 ○ ○ ○Leak test D.17

Penetration test D.18 ○ ○ ○Permeation test D.19 ○Resin shear strength D.20 ○ ○ ○Softening temperature of plastics D.21 ○Tensile propertles of plastics D.22 ○NDE defect size by flawed tank cycling C ○ ○

○ EIHP draft는 다음의 2개 장으로 구성되어있다.

1. SPECIFIC COMPONENTS OF MOTOR VEHICLES

USING COMPRESSED GASEOUS HYDROGEN

2. VEHICLES WITH REGARD TO THE INSTALLATION

OF SPECIFIC COMPONENTS FOR THE USE OF

COMPRESSED GASEOUS HYDROGEN

○ EIHP draft 제1장의 SPECIFIC COMPONENTS로는 다음과

같은 부품이 기술되어 있다. ISO draft와의 비교를 위하여

Container 관계만을 선정한 것이 다음의 것이다.

SPECIFIC COMPONENTS：Automatic Valve, Container,

Fittings, Flexible Fuel Line, Heat exchanger, Hydrogen

Filter, Manual Valve, Non-return Valve, Pressure Regulator,

Pressure Relief Device (temperature triggered), Pressure

Relief Device (pressure triggered), Receptacle,

Sensors(pressure or temperatur or hydrogen or flow sensors)

○ E I H P ( d r a f t )에서의 구성재료와 용기시험에 관한 일람표가

<표 4 - 3 >이다

○ 이 밖에 중요한 활동으로는 일본정부의 수소안전이용등 기

발기술개발 사업 등으로 정비된 압축수소자동차 연료장치

용용기의 기술기준 JARI S 001 (2004)이 3 5 0기압 압축수소

가스저장용기 기준으로 정비되어 있고, 700기압기준작성작

업을 수행중에 있다.( 1 5 )



<표 4-3> EIHP에서의 재료에 관한 기준과 설계확인 시험항목( 1 3 ) , ( 1 4 )

Type 1 (Metal)All metal

construction

Type 2 (HoopWrapped) Metal

Liner reinforced withresin impregnatedcontinous filamentwrapped in discretecircumferetial bands

Type 3 (FullyWrapped) MetalLiner reinforced

with resinimpregnated

comtinuous filamentfully wrapped

around the liner

Type 4 (Non-metallinc) Resinimpreganated

continuous filamentwith a non-metallic

Liner

Material tests for steel ISO 9809 ISO 9809 ISO 9809

Material tests for alumiium ISO 7866 ISO 7866 ISO 7866

Metal and bosses 記述おし ISO 9809,ISO 7866

Material tests for steel liners ISO 9809 ISO 9809

Material tests for alumiium liners ISO 7866 ISO 7866

Plastic liners2.4 SERVICECONDITIONS た港合する材料

Material Tests Annex 7:Part B

Tensile Test B1 ○ ○ ○ ○Brinell Hardness Test B2 ○ ○ ○Charpy Impact Test B3 ○ ○ ○Corrosion Test B4 ○ ○ ○Sustained Load Cracking Test B5 ○ ○ ○Sofening Temperature Test B6

Glass Transition Temperature Test B7 ○ ○ ○Resin Shear Strength Test B8 ○ ○ ○Coating Test B9 ○ ○ ○ ○Hydrogen Compatibility Test B11 ○ ○ ○ ○Container Tests Annex 7:

Part B

Leak-Before-Break Perfomance Test B12 ○ ○ ○ ○Extreme Temperature PressureCycling Test B13 ○ ○ ○

Leak Test B14 ○Burst Test B16 ○ ○ ○ ○Ambient Temperature PressureCycling Test B17 ○ ○ ○ ○

Acid Environment Test B18 ○ ○ ○Bonfire Test B19 ○ ○ ○ ○Penetration Test B20 ○ ○ ○ ○Composite Flaw Tolerance Test B21 ○ ○ ○High Temperature Creep Test B22 ○ ○ ○Accelerated Stress Rupture Test B23 ○ ○ ○Impact Damage Test B24 ○ ○Permeation Test B25 ○Boss Torque Test B26 ○Hydrogen Gas Cycling Test B27 ○

NDE (Non-Destructive Examination)Annex 7:A3, 1,

2○ ○ ○

○ 검색조건

- CA(Chemical Abstract)에서 제공하는 특허정보 데이터베

이스인 WPI(World Patent Index)에서 저장 용기 관련

IPC 분류코드인 F17 특허를 선택하고, 이 중에서 수소 및

자동차 (또는 FUEL CELL) 키워드를 모두 만족하는

1 9 9 0년 이후 출원 특허를 검색하였다. 검색 결과는 모두

5 4 8건이며 검색된 결과를 모두 분석하였다. 이들 자료 중

압력 용기에 해당하는 F 1 7 C 0 0 1이 검색하고자 하는 조건

인 고압수소 저장용기에 가장 부합되는 자료로 보이며,

전체 특허 중에서 이 분류 코드가 차지하는 비율은 아래

IC 분석결과를 참고하기 바란다.

○ 특허출원의 시계열 추이

- 특허출원 건수의 시계열 추이를 분석한 결과를 <그림 5 - 1 >

에 보였으며 전반적으로 증가추세에 있음을 알 수 있다.

특히 2 0 0 0년 이후에는 수소 저장용기 관련 특허 수가 급

제5장 기술정보 분석 4 5

제5장

기술정보 분석

격히 증가하는 사실을 발견할 수 있다.

○ 한국, 미국, 일본의 특허출원 시계열 추이1 )

- 한국, 미국, 일본 3개국의 특허출원 건수의 시계열 추이를

비교 분석한 결과를 <그림 5 - 2 >에 보였다. 모든 국가에

있어 특허 출원 건수는 전반적으로 꾸준한 증가추세를

보이고 있다. 3개 국가 중에서 일본이 수소 저장용기와

관련하여 가장 높은 활동도를 보이고 있다. 예를 들어

2 0 0 0년의 경우 일본의 특허 수는 1 3 0건으로 이는 미국의

5 2건의 2배 이상에 해당하는 수치이다. 한국은 3개 국가

중에서 가장 낮은 활동도를 보이고 있다.


1) 특허 출원국 기준

<그림 5-1> 특허출원 시계열 분포

○ 우선권 주장국의 특허출원 분포 비교

- 각 특허에 대하여 우선권 주장국에 대한 분포를 분석한

결과 <그림 5 - 3 >과 같이 일본이 전체의 6 9 %를 차지하여

가장 높은 비중을 보였으며, 미국이 13%, 독일이 1 2 %를

차지하였다.


<그림 5-2> 한국, 미국, 일본의 특허출원 시계열 추이 비교

<그림 5-3> 우선권 주장국의 특허출원 분포비교

- 전체 특허 중 한국 특허는 2 0건이 있으나, 이중에서 우선

권 주장국을 한국으로 지정한 특허는 한건도 없었다.

○ CC 분류별 특허 분포2 )

- 각 특허별로 C A에서 부여한 CC(Classification Code)에 대

하여 분석한 결과를 <그림 5 - 4 >에 나타내었다. 그림에서

알 수 있듯이 ELECTROCHEMICAL, RADIATIONAL,


2) CA(Chemical Abstract)에서 지정하고 있는 CC(Classification Code)분류를 적용하였다.

<그림 5-4> 각 분류별 분포


AND THERMAL ENERGY TECHNOLOGY에 해당하

는 특허가 가장 높은 비중을 차지하고 있으며, 세부 분류

로는 ENERGY HANDLING, TRANSPORT, AND

S T O R A G E와 REVIEWS 그리고 ENERGY SOURCES

<표 5-1> 수소저장 관리 CC 분류표

C C 설 명 세부설명

1 6FERMENTATION ANDBIOINDUSTRIAL CHEMISTRY

-

2 0HISTORY, EDUCATION, ANDD O C U M E N T A T I O N

2 8HETEROCYCLIC COMPOUNDS(MORE THAN ONE HETERO ATOM)

-

3 8 - 3 PLASTICS FABRICATION AND USES PLASTIC PRODUCT USES

4 2 - 1 3COATINGS, INKS, AND RELATEDP R O D U C T S

OTHER USES

4 7 - 4APPARATUS AND PLANTE Q U I P M E N T

HIGH- AND LOW-TEMPERATURE APPARATUS


MATERIAL HANDLINGA P P A R A T U S


INSTRUMENTATION ANDCONTROL APPARATUS

4 8 UNIT OPERATIONS AND PROCESSES -

4 9 - 0 INDUSTRIAL INORGANIC CHEMICALS R E V I E W S

4 9 - 1 INDUSTRIAL INORGANIC CHEMICALS E L E M E N T S

5 0 - 1 PROPELLANTS AND EXPLOSIVES PROP ELLANTS

5 0 - 8 PROPELLANTS AND EXPLOSIVES O T H E R

5 1 - 2 4FOSSIL FUELS, DERIVATIVES,AND RELATED PRODUCTS

OTHER (COAL ANDP E T R O L E U M )

5 2 - 0E L E C T R O C H E M I C A L ,RADIATIONAL, AND THERMALENERGY TECHNOLOGY

R E V I E W S


ENERGY SOURCES


C C 설 명 세부설명


E N E R G Y - C O N V E R S I O NDEVICES AND THEIRC O M P O N E N T S


ENERGY HANDLING,TRANSPORT, AND STORAGE


SAFETY ASPECTS

5 6 - 8NONFERROUS METALS ANDA L L O Y S

STRUCTURE, PHASETRANSFORMATION, ANDPHASE EQUILIBRIUM

5 6 - 9NONFERROUS METALS ANDA L L O Y S

J O I N N I N G

5 9 - 1AIR POLLUTION AND INDUSTRIALH Y G I E N E

A N A L Y S I S


AIR POLLUTANTS AND AIRP O L L U T I O N


INDUSTRIAL HYGIENE


O T H ER

순서로 높은 비중을 차지하였다. 각 CC 분류에 대한 설

명은 <표 5 - 1 >에 나타내었다.

○ 7 0 0기압수소가스저장용기는 p r e - c o m m e r c i a l단계에 있는 것

으로 보고있다. 미국 Q u a n t u m사와 캐나다의 D y n e t e k사가

리딩그룹을 형성하고 있고, 일본의 Ishikawajima Harima

Heavy Industry와 JFE Container 등이 일본정부의 재정적인

지원아래 적극적으로 개발하고 있다. 한국에서는 한국기계

재료연구원과 I n n o c o m이 공동개발한 것으로 보도되고 있다.

○ 앞으로의 주요개발과제로는 저가의 일반산업용소재를 사용

한 생산기술개발과 수소가스온도를 7 7 K로 낮추어 충전하게

되면 4배의 저장량을 확보할 수 있어 이를 저비용으로 실현

시킬 수 있는 기술 그리고 기계적 강도강화내벽 설치 등을

통하여 원통형이 아닌 휘발유/디젤 등 액체연료저장용기와

같이 공간을 최대한 활용할 수 있는 형태의 저장용기를 실

현하는 기술 등을 둘 수 있다.

제6장 전기발생기관의 메커니즘 5 1

제6장

결 론

참고문헌

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Review “Low Cost, High Efficiency, High Pressure Hydrogen

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2004. 4. No.4, 267.

3. 太田健一郞, 佐藤登：燃料電池自動車の開發と材料, p.240,

C M C ( 2 0 0 4 ) .

4. 高野俊夫：車輛搭載および水素供給用高壓水素容器の開發, 水

素移用技術集成, pp.268~285, NTS(2003. 11. 1).

5. K-A Adamson：Fuel Cell Today Market Survey, Light Duty

Vehicles, March 2005, Fuel Cell Today.

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Presentation to the committee on November 18, 2004.

7. N A P：Review of the Research Program of the FreedomCAR

and Fuel Partnership, First Report(2005).

8. w w w . e e r e . e n e r g y . g o v / h y d r o g e n a n d f u e l c e l l s / p d f s / m e r i t 0 3 / 4 4

q u a n t u m _ n e e l _ s h i r o s h . p d f

9. w w w . e e r e . e n e r g y . g o v / h y d r o g e n a n d f u e l c e l l s / a n n u a l _ r e p o r t 0 3 _

제6장 전기발생기관의 메커니즘 5 3

s t o r a g e . h t m l

10. www.nedo.go.jp/iinkai/gizutsu/gizutus/roadmap/2/rmgaiyou.pdf

11. K.Newell, Low Cost, High Efficiency, High Pressure Hydrogen

Storage, DOE Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure

Technologies Program Review May 2004.

12. B. Geving, Low Cost, High Efficiency, High Pressure Hydrogen

Storage, DOE Hydrogen, Fuel Cells & Infrastructure

Technologies Program Review May 2005.

13. 原子力安全·保安院保安課, 水素ガスズタンド基準に係る技術

檢討委員會燃料電池用水素容器技術檢討委員會報告書につい

て, p.47, 平成1 4年 1 2月

14. www.meti.go.jp/feedback/downloadfiles/i50224hj.pdf


고압수소저장기술과안전기준2 0 0 5년 1 2월 1 5일 인쇄

2 0 0 5년 1 2월 2 0일 발행

발 행 처

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◯우 1 3 0 - 7 4 2

전화 : 3299-6114

등록: 1991년2월 1 2일 제5 - 2 5 8호

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이룸출판사

BA533 조 만·이혁재

저자소개

조 만

·1 9 7 2년：핵공학박사, 서울대학교·1 9 6 2년~ 2 0 0 4년：한국원자력연구소 책임연구원·2 0 0 2년~현재：한국과학기술정보연구원 전문연구위원·관련분야 저서(한국과학기술정보연구원발행 기술동향보고서)·– 1. 연료전지자동차의 최근동향, 2005.·– 2. 하이브리드자동차의 최근동향, 2004.·– 3. Ballard Power Systems사의 특허를 통해 본 연료전지시

스템기술, 2004 등

이 혁 재

·2 0 0 0년：이학박사, 서강대학교·2 0 0 3년 ~ 2005년：한국과학기술기획평가원선임연구원·현, 한국과학기술정보연구원 선임연구원

2005. 12 - kistigift.kisti.re.kr/.../kisti-200512-jm-pressure_hydrogen.pdf · 2008-11-18 ·...

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