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문제 정의
- 본 사업은 제도·정책 분야, 수소안전성 분야, 운행안전성 분야, 전기안전성 분야의 4분야로 구성되어 진행되었다. 본 사업의 목표는 수소연료전지자동차에 대한 정부의 자동차관리 효율화를 위하여 수소 연료전지자동차의 사고위험성 및 사고시 피해 최소화를 위한 안전성 평가기술을 확보하고, 수소연료전 지자동차에 대한 고전압장치, 수소 안전성 등에 대한 안전기준 및 안전성 평가기술을 개발하여 안전기준 국제조화 및 수소연료전지자동차 관리 정책에 반영하는 것이다.1,2)
- 본고에서는 수소연료전지자동차 안전성평가 기술 개발사업의 최종 성과인 자동차 안전기준에 관한 규칙(이하 “안전기준”이라 한다. ) 개정내용과 안전기준 시험 내용을 기술하고자 한다.
- 수소연료전지 자동차에 대한 실차 화재시험은 고압 수소저장시스템 및 수소탱크의 안전장치 동작여부, 화염의 형상 및 온도 분포를 확인하여 고압 수소 저장시스템 및 수소탱크의 화재 안전성을 확인하는 것이다.
제안 방법
- 가열온도는 890℃에서 1,100 ℃로 하고 가열시점으로부터 2분 경과 후 시험을 종료한다. 2분간의 가열과정에서 구동축전지의 발화 및 폭발 여부를 확인하고 시험종료 후 전압을 측정한다.
- 수소연료전지자동차에는 전기제어식 제동장치가 장착되어 있으며, UN R 13H와 국제조화를 이루면서 전기제어식 제동장치의 안전성을 평가하였다. Fig. 6과 같은 전기제어식 제동장치에서 현재 양산중인 EHB에 대한 평가를 중점적으로 하였고, EMB는 시제품으로 평가하였다.4)
- 고압수소압축 방식의 연료전지자동차용 수소저장 시스템에 대한 화재안전성 평가를 GTR에 준하여 평가하였고 시험결과는 아래와 같다.
- 고전원전기장치는 수소연료전지자동차의 특성을 반영하여 개정하였다. 고전원전기장치의 활선도체부 설치기준, 활선도체부와 전기적샤시의 절연저항 기준, 절연저항 감시시스템 등을 마련하였다.
- 구동축전지를 상온에서 완전 방전시켜 SOC 0% 상태를 유지하여 구동축전지를 1C(전체용량에 대하여 1시간 동안 충·방전할 수 있는 전류량) 전류로 방전시킨다. 과방전 진행과정에서 구동축전지의 발화 및 폭발 여부를 확인하고 시험종료 후 전압을 측정한다.
- 구동축전지를 상온에서 완전방전 후 SOC 150%에 도달하면 충전을 종료한다. 과충전 진행과정에서 구동축전지의 발화 및 폭발 여부를 확인하고 시험종료 후 전압을 측정한다.
- 구동축전지를 상온에서 완전 방전시켜 SOC 0% 상태를 유지하여 구동축전지를 1C(전체용량에 대하여 1시간 동안 충·방전할 수 있는 전류량) 전류로 방전시킨다.
- 구동축전지를 상온에서 완전방전 후 정격전류로 목표 SOC까지 충전하고, 단락 회로의 전체 저항은 50mΩ 이하로 구성하여 구동축전지를 단락시킨다. 단락상태에서 구동축전지의 발화 및 폭발 여부를 확인하고 시험종료 후 전압을 측정한다.
- 본 과제를 통해서 단품 및 차량의 각 조건에서 안전성에 대해 검토하였고, 안전과의 연관되는 요소를 도출하여 안전설계를 위한 평가를 진행하였으며, 최종적으로 국제동향을 분석하여 한국의 특성에 맞는 안전기준(안)을 도출하였다. 또한 부품단위, 시스템 단위, 차량단위에서의 문제 발생시 안전성과의 연관성을 분석하고, 안전성 확인 평가기술 및 해석기술을 정립하여, 안전기준(안)을 도출함으로써 수소 연료전지 자동차의 안전성을 확보할 수 있는 설계기준을 제시되었다. 이는 향후 수소연료전지자동차 보급시 안전도 향상 기술개발과 관련된 세계적인 수준의 자동차기술 및 부품기술을 가질 수 있을 것으로 판단된다.
- 수소연료전지의 출력 측정방법을 마련하고 전체적인 구성을 내연기관과 명확히 구분하여 정리하였고, 수소연료전지 최고출력에 관한 제원의 허용차를 명문화하였다. 또한 시행세칙에서 수소연료전지자동차의 연료소비율 시험에 대한 시험절차도 제정하였다.
- 본 과제를 통해서 단품 및 차량의 각 조건에서 안전성에 대해 검토하였고, 안전과의 연관되는 요소를 도출하여 안전설계를 위한 평가를 진행하였으며, 최종적으로 국제동향을 분석하여 한국의 특성에 맞는 안전기준(안)을 도출하였다. 또한 부품단위, 시스템 단위, 차량단위에서의 문제 발생시 안전성과의 연관성을 분석하고, 안전성 확인 평가기술 및 해석기술을 정립하여, 안전기준(안)을 도출함으로써 수소 연료전지 자동차의 안전성을 확보할 수 있는 설계기준을 제시되었다.
- 본 사업은 제도·정책 분야, 수소안전성 분야, 운행안전성 분야, 전기안전성 분야의 4분야로 구성되어 진행되었다.
- 수소가스를 연료로 사용하는 자동차뿐만 아니라 가스를 연료로 사용하는 모든 자동차의 가스용기 고정성, 누출시 격리, 도관 설치기준 등을 개정하였다. 특히 가스용기와 용기 밸브를 차체 최후단으로부터 300mm 이상, 차체 최외측면으로부터 200mm 이상의 이격거리를 명문화하여 가스 용기 및 용기 밸브 등 수소가스 배관시스템의 설계기준을 확립하였다.
- 수소가스를 연료로 사용하는 자동차의 수소 누출 안전성 및 감지장치 안전기준을 신설하였다. 수소를 배출하는 배기구에 배출되는 수소 농도를 평균 4%, 순간 최대 8%로, 차단밸브 이후에서 수소가스 누출 시 승객공간에는 1%로 제한하였다.
- 수소연료전지의 출력 측정방법을 마련하고 전체적인 구성을 내연기관과 명확히 구분하여 정리하였고, 수소연료전지 최고출력에 관한 제원의 허용차를 명문화하였다. 또한 시행세칙에서 수소연료전지자동차의 연료소비율 시험에 대한 시험절차도 제정하였다.
- 수소연료전지자동차는 기존에 없던 개념의 자동차이므로 연료전지자동차, 연료전지에 대한 정의를 신설하고 고전원전기장치에 대하여 최고치를 설정하는 것으로 개정하였다.
- 수소연료전지자동차는 배기구, 승객거주공간에서 수소누출, 밀폐 및 반밀폐공간에서 수소누출감지기 작동시험을 하였으며, Fig. 10과 같이 안전기준 제17조를 만족시켰다.
- 수소연료전지자동차에는 동력원과 관련된 장치로 구동전동기와 연료전지가 있으며, 구동전동기는 기존 안전기준 시행세칙을 준용하고 연료전지 출력과 관련된 시행세칙은 신규로 제정하였다.
- 수소연료전지자동차에는 전기제어식 제동장치가 장착되어 있으며, UN R 13H와 국제조화를 이루면서 전기제어식 제동장치의 안전성을 평가하였다. Fig.
- 수소연료전지자동차의 안전성 확보를 위하여 자동차관리법 시행규칙에 압축수소가스 내압용기에 대한 각인, 표시방법을 신설하였으며, “자동차 및 자동차부품의 성능과 기준에 관한 규칙”에 수소연료전지 자동차의 전기적 특성, 충돌특성, 구동축전지 성능 및 자동제어 등 안전성 평가 기술개발 결과를 반영하여 ‘14년 6월 10일 개정하였으며, 주요 내용은 다음과 같다.
- 시험자동차는 50km/h ± 20% 주행상태로 하였으며 20MHz ～ 2GMHz 주파수 범위 내에서 최대 전계강도 24V/m 이상을 시험자동차에 인가하여 시험을 실시하였으며, 전 주파수 범위에서 어떠한 오작동 현상도 발생하지 않았다.
- 연료소비율은 도심과 고속도로를 재현한 주행모드를 이용하여 각각의 연료소비율을 측정한 후 이를 복합하여 최종 연료소비율을 Table 3과 같이 산출하였으며, 연료 소모량은 중량 측정방법으로 측정하였다.5)
- 챔버 온도를 80℃로 유지하면서 구동축전지를 챔버에 넣고 4시간 경과 후 시험을 종료한다. 열노출 상태에서 구동축전지의 발화 및 폭발 여부를 확인하고 시험종료 후 전압을 측정한다.
- 전기제어식 제동장치의 안전성평가는 가속페달 해제에 의한 전기회생제동장치의 제동등 점등조건을 확립하고, 제동장치 성능에 영향을 미치는 전기조절 전달장치 내부의 고장 및 전기적 단선․단락 영향성을 평가하였다.
- 정면 및 측면충돌시 압축수소 누출안전성 등을 위하여 수소연료전지자동차의 연료장치 충돌시험방법 및 절차를 마련하고, 사고시 충격에 의한 누출방지를 위하여 압축수소 등의 연료탱크 및 그 부착장치에 대한 안전성 확인 기준을 마련하였다.
- 8과 같이 구동축전지를 염수로 충분히 채운 수조에 완전히 침수시키고 1시간을 유지한다. 침수 상태에서 구동축전지의 발화 및 폭발 여부를 확인하고 수조에서 꺼내어 전압을 측정한다.
- 수소가스를 연료로 사용하는 자동차뿐만 아니라 가스를 연료로 사용하는 모든 자동차의 가스용기 고정성, 누출시 격리, 도관 설치기준 등을 개정하였다. 특히 가스용기와 용기 밸브를 차체 최후단으로부터 300mm 이상, 차체 최외측면으로부터 200mm 이상의 이격거리를 명문화하여 가스 용기 및 용기 밸브 등 수소가스 배관시스템의 설계기준을 확립하였다.
대상 데이터
- 시험 자동차는 Ignition On 상태이며 기타 전장품은 정상 동작 상태에서 안전기준 제111조2를 만족시켰다.
- 화재시험 장소는 경기도 포천시에 위치한 포탄 시험장을 임대하여 사용하였고, 화재시험을 하기 위한 곳은 두께가 1m정도 되는 콘크리트 방벽이 설치되어 있어서 Fig. 12와 같이 안전하게 시험을 진행 할 수 있었다.
성능/효과
- 1) 8분간 TPRD에서 가장 먼 부분을 국부화재 인가한 경우 탱크 파열 및 이상거동은 발생하지 않았으며, 전체 화재 인가시 TPRD는 정상 작동하였다.
- 2) 화재 인가시 탱크 내부 온도는 8℃ 상승하였으며, 상대적으로 최외각층인 카본파이버층이 얇은 35MPa 154L 탱크는 31℃ 상승하였다.
- 3) TPRD 작동 후 수소 방출시 65초∼95초의 시간내에 탱크 내부 수소가 전부 방출되었다.
- 4) 70MPa 압력 분출시 화염의 길이는 약 6m, 35MPa 압력분출시 화염의 길이는 5m로 관찰되었으며 폭은 1m 이내였다. 열화상카메라로 측정한 방출화염의 최고온도는 900℃로 관찰되었다.
- 고전압 (+) 활선도체부와 전기적샤시, 고전압 (-) 활선도체부와 전기적샤시의 절연저항 평가에서 안전기준에서 규정한 100Ω/V 이상을 만족시켰으며, 절연저항 모니터링 평가에서는 100Ω/V 이하시 계기판의 경고등이 점등되었다.
- 시험결과, 충돌후 고전원 활선도체부와 노출 도전부와의 절연저항은 100Ω/V [DC] 이상으로 확인되었다. 또한 연료전지의 잔류전압은 60초 이내에 0V로 계측되었고, 구동용 축전지는 전해액이 누출되지 않았으며 차실내로 침입하지 않았고, 충돌후 승객 거주공간, 화물공간에서 수소농도가 계측되지 않아 기준을 만족시켰다.
- 모든 전장품은 정상동작 상태이며 공회전 상태에서 Blower 및 창닦이기 등은 최대 전력소모상태에서 Fig. 11과 같이 안전기준 제111조2를 만족시켰다.
- 충돌 후 30분 동안 측정결과, 수소는 누출되지 않았고, 압력변화가 없음을 확인하였다. 수소 연료라인의 손상은 발견되지 않았고, 고전압 전기안전성 또한 이상이 없음을 확인하였다.
- 수소가스를 연료로 사용하는 자동차의 수소 누출 안전성 및 감지장치 안전기준을 신설하였다. 수소를 배출하는 배기구에 배출되는 수소 농도를 평균 4%, 순간 최대 8%로, 차단밸브 이후에서 수소가스 누출 시 승객공간에는 1%로 제한하였다. 또한 수소가스 누출시 경고등 작동조건과 차단밸브 작동 조건을 마련하였다.
- 3과 같이 이동대차를 이용하여 84km/h 속도로 후방에 추돌하였으며, 시험자동차에 수소를 충전하였다. 시험결과, 수소탱크내의 수소 압력은 낮아지지 않았고, 수소탱크는 파손되지 않았으며, 자동차의 부착지점으로부터 분리되지도 않았다.
- 2와 같이 40% Offset 상태에서 56km/h 속도로 정면으로 충돌하였으며, 시험 자동차에 수소를 충전하였다. 시험결과, 충돌후 60초이내 30V/DC 미만으로 규정되어 있으나, 시험결과 3.71초가 소요됨을 확인하였다. 충돌 후 30분 동안 측정결과, 수소는 누출되지 않았고, 압력변화가 없음을 확인하였다.
- 시험결과, 충돌후 고전원 활선도체부와 노출 도전부와의 절연저항은 100Ω/V [DC] 이상으로 확인되었다.
- 시험결과, 화재 시험 시작 후 13분 23초에 40L 수소탱크에서 TPRD가 작동하여 내부가스를 방출하였고, 이어서 31초 후에 104L TPRD가 작동하여 내부 가스를 방출하였으며, 탱크의 폭발 등 이상 현상은 발생하지 않았다.
- 연료전지는 안전기준 제111조 제3호에 따라 최고 출력을 Fig. 5와 같이 시험하였으며, 허용오차인 -5%를 만족하였다.
- 71초가 소요됨을 확인하였다. 충돌 후 30분 동안 측정결과, 수소는 누출되지 않았고, 압력변화가 없음을 확인하였다. 수소 연료라인의 손상은 발견되지 않았고, 고전압 전기안전성 또한 이상이 없음을 확인하였다.
- 평가 결과 각 고장 발생모드에서 정상적인 제동이 불가한 경우, 백업모드 활성화에 의해 페달감은 이상하지만 안전기준의 최소한 요구기준(제동거리 : 70m, 감속도 : 6.43m/s2)을 만족하였다.
후속연구
- 또한 부품단위, 시스템 단위, 차량단위에서의 문제 발생시 안전성과의 연관성을 분석하고, 안전성 확인 평가기술 및 해석기술을 정립하여, 안전기준(안)을 도출함으로써 수소 연료전지 자동차의 안전성을 확보할 수 있는 설계기준을 제시되었다. 이는 향후 수소연료전지자동차 보급시 안전도 향상 기술개발과 관련된 세계적인 수준의 자동차기술 및 부품기술을 가질 수 있을 것으로 판단된다.
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