[카엔테크]터질 수 없는 수소전기차 연료탱크

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수소연료전지전기차(FCEV) 안전성에 대한 소비자 관심이 뜨꺼운 가운데 수소가스를 담는 수소연료탱크를 살펴봤다. 차량용 연료로 사용되는 기체연료는 LPG(액화천연가스), LNG(압축천연가스), 수소가 대표적이다. 이들은 모두 고압으로 연료탱크에 저장된다. 고압가스를 저장하는 연료탱크는 연료를 담는 라이너(통) 재질과 구성, 강도에 따라 타입(Type)1에서 4까지 구분된다.

타입(Type)별 연료탱크 재질 비교.
<타입(Type)별 연료탱크 재질 비교.>

타입1은 완전 스틸(강철)로 이뤄진 연료탱크이고 타입2는 탱크통 일부를 유리섬유로 감고 타입3는 탱크통을 완전 탄소섬유로 감은 형태다. 가장 높은 단계인 타입4는 비 강철 라이너, 즉 고밀도 플라스틱 라이너를 완전 탄소섬유로 감아서 완성된다.

CNG버스 연료탱크나 주로 가정이나 식당에서 사용하는 LPG 가스탱크는 강철재질로 만든 타입1 방식이다. 반면에 수소전기차 연료탱크는 고강도 플라스틱 재질의 탱크를 탄소섬유 실(Thread)로 감아 만든 타입4 방식의 초경량 복합소재 연료탱크로 만들어진다.

타입4 연료탱크는 탄소섬유로 만들어져 강철로 만든 타입1·2에 비해 60%가량 가볍다. 이 때문에 연료 소모도 적고 타이어나 브레이크 라이너의 수명도 비교적 길다는 장점도 있다.

수소전기차에 타입4 탱크를 탑재한 가장 큰 이유는 수명과 안전성 때문이다. 700bar 고압의 수소를 충전하기 때문에 탱크가 '늘었다'와 '줄었다'를 반복하는데 이 과정에서 타입1·2 탱크는 금속 피로도가 쌓여 수명이 비교적 짧다. 반면 타입4의 라이너는 플라스틱 소재로 만들어져 복원력이 뛰어나 피로도에 강하다. 또 고온에서 자가 가스방출시스템을 적용해 화재나 충격·충돌에도 견디도록 설계됐다.

수소전기차 고객이 가장 우려하는 것은 수소연료탱크가 수소폭탄처럼 정말 폭발하느냐는 것이다. 하지만 수소전기차는 폭발할 수 있는 화학적 환경이 애초부터 조성되지 않는다.

타입4 연료탱크 제조방식을 살펴보면 에폭시와 열경화성 수지 등을 합침 시킨 복합소재가 적용됐다. 탱크가 고압에서도 잘 견도록 탄소섬유를 다양한 패턴으로 여러 겹으로 감은 형태다. 마치 실을 왼쪽으로도 감고, 또 오른쪽, 사선 방향 등으로 둘러 감았다.

특수 패턴으로 겹겹이 감긴 탄소섬유는 총격이나 큰 외부 충격을 받더라도 폭발하지 않고 '피식'하는 소리와 함께 찢어지면서 수소가스를 공기 중으로 날려 보낸다. 탄소섬유 재질이 가진 탄력적인 특성 때문이다. 수소전기차의 수소는 지구상에서 가장 가벼운 원소이기 때문에 1초에 24m를 날아갈 정도로 확산이 빨라, 누출과 동시에 공기 중으로 희석된다.

일반 수소와 수소폭탄 원자구조 비교.
<일반 수소와 수소폭탄 원자구조 비교.>

더불어 수소연료탱크는 화재나 사고 등 주변 온도의 변화나 충격이 감지되면 수소를 방출시켜서 사고를 미리 차단한다. 이 같은 이유에서 유럽은 CNG·LPG차량은 지하주차장 이용을 막고 있지만, 수소전기차는 이를 허용하고 있다. 수소전기차와 수소폭탄에 사용되는 수소연료 구조가 전혀 다르기 때문이다.

수소전기차에 쓰이는 수소는 양성자 1개와 전자 1개로 구성된 일반수소다. 반면에 수소폭탄은 양성자에 중성자 1개가 추가된 중수소와 2개가 추가된 3중수소를 사용한다.

수소전기차는 일반 수소와 공기 중의 산소가 반응해 물이 생성되는 과정에서 발생하는 전기를 이용한다. 반면 수소폭탄은 중수소와 삼중수소를 플라즈마 상태로 약 1억℃ 이상 가열해 핵융합 반응을 일으키며 엄청난 에너지를 발생시키는 원리다. 이때 발생한 핵융합에너지가 중수소와 삼중수소에 추가된 중성자를 움직여 큰 운동에너지를 만들고 이 에너지로 수소폭탄이 폭발한다.

수소폭탄이 핵융합 반응을 일으키려면 기본적으로 원자폭탄이 기폭제 역할을 해야만 수소폭탄이 폭발한다. 자연상태에서는 수소폭탄 폭발에 필요한 고온 1억℃를 발생시키는 건 사실상 불가능하다. 또 수소가 중수소와 삼중수소로 변환되는 것도 불가능하다.

결국 수소전기차는 폭발할 수 있는 환경이 만들어질 수 없는 구조인데다 기폭제 역할을 하는 원자폭탄도 없기 때문에 수소전기차 연료탱크가 폭발하는 건 불가능한 일이다.

현재 타입4 방식 수소연료탱크 제조사는 국내 일진복합소재가 유일하고 일본 토요타와 미국 링컨 등 3개 업체가 전부다. 그만큼 기술 장벽이 높다.

현대차 신형 수소연료전기차 넥쏘(NEXO)에 탑재된 수소연료탱크.
<현대차 신형 수소연료전기차 넥쏘(NEXO)에 탑재된 수소연료탱크.>

일진복합소재는 타입4 방식의 CNG 압축천연가스 탱크 제조기술을 기반으로 수소연료탱크 개발, 2014년 현대차의 첫 수소전기차 '투싼 ix'에 수소연료탱크를 독점 공급했고 작년 하반기부터는 현대차 신형 수소전기차 '넥쏘(NEXO)'에도 독점 공급하고 있다.

일진복합소재는 압력(700Var) 보다 1.25배 넘는 압력으로 1만2500번의 충·방전 테스트를 거친다. 연료탱크를 높은 곳에서 떨어트리거나 탱크를 장착한 차를 불태우고 총으로 탱크를 조준 사격하는 등 다양한 안전실험을 진행하고 있다.

박태준 자동차 전문기자 gaius@etnews.com