수소전기차 넥쏘, 연료탱크가 폭발한다면..그래도 안전할까?

[데일리카 하영선 기자] 최근 친환경차에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데, 수소전기차의 안전성에도 궁금증이 늘고 있다.

심한 충격이나 충돌에도 버틸 수 있는 수소연료탱크의 내구성뿐 아니라 심지어 수소연료탱크가 폭발하더라도 안전성에는 이상이 없는 걸까?

15일 수소전기차 넥쏘를 판매하고 있는 현대자동차에 따르면 수소전기차는 수소폭탄과는 원리가 다르다. 또 넥쏘에 적용된 수소연료탱크는 법규상 15년간 사용할 수 있는 내구성을 갖췄으며, 화재나 가혹한 충돌 상황에서도 안전성을 확보했다는 주장이다.

■ 수소폭탄과 수소전기차의 원리

수소폭탄에는 중수소와 삼중수소가 사용되며, 수소전기차는 수소 분자가 사용되어 작동하는 원리가 다르다.

수소전기차에 사용하는 수소는 우리가 일반적으로 말하는 ‘수소 분자’이다. 수소전기차는 수소 분자를 압축해 700bar 정도의 압력으로 탱크에 저장 후 낮은 압력으로 전환해 연료전지로 보내 전기화학 반응으로 전기를 만드는 방식이다.

수소탱크 용기의 저장 압력이 높은 부분에 대해서는 충분히 고려한 설계와 검증을 거친 때문에 안전성은 일반 휘발유나 경유를 연료로 사용하는 내연기관이나 압축천연가스(CNG. Compressed Natural Gas) 차량과 비슷하다.

그러나 수소폭탄에는 중수소와 삼중수소가 사용된다. 중수소와 삼중수소는 엄청난 에너지가 필요해 자연 상태에서 존재하기 어렵다.

만약 공기 중에 중수소와 삼중수소가 있다 해도 우리가 생각하는 수소폭탄의 폭발력을 내려면 1억도 이상의 엄청난 온도와 수천 기압의 압력이 필요하다.

수소폭탄이 터지는 핵융합 환경을 만들려면 먼저 원자폭탄을 터뜨려 온도를 1억도 이상으로 올려야만 가능하다. 수소전기차는 단지 산소와 수소를 결합시켜 전기를 생산할 뿐이다.

■ 매일 609km 주행시 123년간 사용 가능한 수소연료탱크 내구성

법규상 넥쏘에 적용된 수소연료탱크의 최대 사용 한도는 15년(유럽 20년), 충전 횟수 4000회(유럽 5000회)에 달한다. 하지만 현대차가 사용하는 수소연료탱크는 법적 요구사항을 훨씬 뛰어넘는 안전성과 내구성을 갖추고 있다는 게 현대차 측의 설명이다.

실제 현대차 연구소는 수소연료탱크를 충전하는 시험 과정을 4만5000회 가량 거쳤다. 낙하 시험이나 혹한·혹서 모사 시험 등 가혹한 환경에서의 테스트 뒤에도 1만5000회 가량 충전을 진행, 운송 중 낙하에 의한 충격 손상 시험, 예리한 칼날 손상에 따른 복합재 인공 결함 탱크의 내구 시험을 1만2000회씩 진행하여 수소연료탱크의 내구성을 충분히 검증했다.

4만5000회 충전 내구성은 700bar로 1일 1회 충전한다고 가정할 경우 하루 최대 주행거리 609km로 최대 123년 동안 사용 가능한 수치이다.

■ 고압수소시스템 부품, 200여개에 달하는 안전성·내구성 테스트

현재 국토교통부에서 제시하는 ‘자동차용 내압용기 안전에 대한 규정’에 따르면 파열과 화염, 총격 시험 등 총 14개 항목에서 안전성을 검증받아야 한다. 이 외에도 전후방 충돌시험, 혹서기 및 혹한기 시험 등 다양한 안전 시험 과정을 거친다.

시험 결과, 수소를 700bar 충전한 탱크에 총탄을 쏴도 폭발하지 않고, 관통된 부위를 통해 내부의 수소만 대기중으로 방출됐다. 내연기관 자동차와 같은 조건으로 측방, 후방 충돌시험을 진행했을 때도 수소연료탱크 시스템의 안전성이 검증됐다.

현대차는 넥쏘의 수소연료탱크 및 고압 수소부품은 개발 초기보다 시험 항목을 거의 2배로 늘렸다. 양산을 위해 안전 수준을 높여 국내외 법규를 모두 충족시켰다. 여기에 자체적으로 200여개 항목의 별도 테스트를 진행하여 요구 기준보다 훨씬 엄격하게 안전과 내구성을 검증하고 있다.

현대차는 넥쏘의 전반적인 성능 및 안전성을 위해 200여 대에 달하는 시험차를 사용해 꼼꼼한 안전 검증 과정을 거쳤다.

■ 차량 화재 발생시도 수소연료탱크는 안전

수소는 공기보다 14배 정도 가벼워 누출 시 공기 중으로 빠르게 날아간다. 화재가 발생해도 누출된 수소에 불이 붙는 경우는 사실상 없다.

수소연료탱크, 연료 공급 시스템, 연료전지스택에는 실시간으로 수소 누출 여부를 모니터링하는 수소 누출 감지 센서가 장착돼 있다. 만약 주행 중 수소 누출 혹은 외부 충돌에 의한 배관 수소 누출을 감지할 경우, 운전석 전면 디스플레이를 통해 운전자에게 경고하고, 수소연료탱크 밸브를 차단해 수소 공급을 중지하고 수소 대량 누출에 의한 사고를 사전에 막는다.

만약 화재로 수소연료탱크 주변 온도가 과도하게 올라가면 안전밸브를 통해 수소연료탱크 내부의 수소 가스를 신속하게 강제 방출하기 때문에 수소가 가득찬 탱크가 폭발하는 일은 없다.

심지어 차가 완전히 불타버린다 해도 수소연료탱크 외부 표면에 내화재를 적용했기 때문에 수소연료탱크는 폭발하지 않는다. 사실상 모든 종류의 자동차 중 화재나 폭발 위험성 측면에서 가장 안전하게 만들어진 셈이다.

■ 밀폐된 공간에서 수소가 누출 된다면?

우리가 평소 접하는 생활공간에서 완전 밀폐된 공간은 찾기 어렵다. 개인 차고, 아파트 지하 주차장, 터널 등은 완전히 밀폐된 공간은 아니다.

완전히 밀폐하지 않는 이상 수소가 빠져 나가버리기 때문에 누출로 인한 폭발 걱정은 없다는 게 상식이다.

■ 수소연료탱크의 구조와 재질 강도 수준

수소연료탱크의 내피는 수소의 투과를 최소화하는 얇은 폴리아미드 라이너(나일론 소재)로 구성된다. 외피는 700bar의 높은 압력을 유지하는 20~25mm 두께의 탄소섬유 강화 플라스틱(탄소섬유+에폭시 소재)으로 만들어졌다.

수소연료탱크의 파열 안전성을 위해서는 ‘강도’가, 내구성을 위해서는 ‘강성’이 중요하다. 강도는 어떤 힘을 받았을 때 부서지는 것에 대한 저항, 강성은 모양이 변형되는 것에 대한 저항을 하는데 탄소섬유 강화 플라스틱은 같은 무게의 강철과 비교했을 때 강도는 6배, 강성은 4배로 가벼우면서 튼튼하다.

한편, 현대차는 14일 서울 동대문에 위치한 DDP에서 개최된 2019 어린이 안전짱 체험 박람회에서 수소전기차 안전 기술력을 공개해 주목을 받았다.

현대차는 이번 박람회에서 수소전기차의 충돌 테스트 시험 차량과 테스트 장면, 수소연료탱크 안전도 시험 영상 등을 처음으로 공개했다.

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