[논문]수소에너지에 대한 ISO 표준화 동향과 시사점

김종원; 이택홍; 최재우

doi:10.7316/khnes.2016.27.3.245

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Commercial production line of FCEV was built in 2013 by Hyundai and followed by Toyota in 2014, with additional manufacturers planning to enter the market around 2017. Now there is limited hydrogen infrastructure over the world, but more hydrogen stations are planned, particularly in Japan, Korea, G...

Commercial production line of FCEV was built in 2013 by Hyundai and followed by Toyota in 2014, with additional manufacturers planning to enter the market around 2017. Now there is limited hydrogen infrastructure over the world, but more hydrogen stations are planned, particularly in Japan, Korea, Germany, UK and USA. ISO TC 197 which was created in 1990 focused standardization in the field of systems and devices for the production, storage, transport, measurement and use of hydrogen. Total number of published ISO standards related to the TC and its SCs (number includes updates) is 17. Now there are 20 participating countries and 13 observing countries. The current status of activity of ISO TC197 was reviewed and particularly issues on hydrogen quality and hydrogen refueling station were discussed.

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문제 정의

본 고에서는, 수소연료전지자동차 및 수소충전소 보급과 밀접한 ISO TC 197 WG24의 활동을 위주로 하여 언급해 보았다.
2016년 5월 현재 한국을 비롯하여 20개의 회원국과 13개의 참관국으로 구성되어 있다¹⁾. 일본, 독일 뿐만 아니라, 우리나라에서도 2015년 12월 8일, 연료전지자동차와 수소충전소 보급계획을 확정한바 있어, 본 고에서는 현재까지 제정된 수소에너지 분야 국제표준화 동향을 살펴보고 현재 논의진행되고 있는 중요 이슈에 대하여 정리하여 보고자 한다.

제안 방법

품질기준이 엄격하게 됨에 따른 비용 효과에 대한 분석은 통상, 수소생산과 수소를 이용한 연료전지(PEMFC) 운용에 드는 고정비(Capex)와 운영비(Opex)를 비교하게 된다. 시뮬레이션 결과로 보면 CO 0.

대상 데이터

JRC (Joint Research Center), ZSW (Centre for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Wurttemberg) 등 4개 연료전지 연구기관과 린데 등 4개 수소생산업체, NPL (National Physical Laboratory, 영국의 국립 측정기관) 등 국가 측정기관, 경제성 분석 기관 등이 참여하였다.
수소연료 표준화는 일본과 미국이 주도하고 있으며, 유럽도 이에 대응하기 위하여 HyQ라는 프로젝트로 2011~2013까지 36개월간 365만 유로를 들여 수소품질에 대한 연구를 실시하였다³⁾.

데이터처리

수소중 CO의 분석이 연료비 상승에 주요 영향을 줄 수 있으나 자주 분석하지 않는다면 수소 kg당 1유로 센트 이하 수준의 비용 상승을 예상하고 있다. 이들은 비용 분석을 위해 EURAMET¹⁴⁾을 이용하였으며, 실험실에서 교차 분석하여 타당성을 입증하였다. 수소연료 전지 상용화 보급을 위해서 중요한 점은 연료전지촉매의 가격 저감이며, 여기에는 수소순도의 수준이 영향을 준다.

성능/효과

1) 개정 발간될 ISO 19880-1은 개정대상문서(ISO/DIS 20100:2011)의 구성과 목차를 재구성한다.
1) 수소 연료의 품질기준은 수소연료전지 자동차의 보급에 따라 자동차의 수명 단축과 운행 장해 발생 요인을 막기 위해서 필요하다. 수소충전소의 유지보수, 점검에 따른 가동정지, 재가동에 따른수소연료의 품질 검사가 필요한 상황을 예상한다면, 수소공급처 뿐만 아니라 현장에서도 측정할 수있는 장비와 기술의 축적도 중요하게 될 것이다.
2) 연료전지 자동차의 보급에 따라 인프라 관련기술은 상당한 시장이 예상되는 분야이다. 그중에는 수소충전소의 현장 인증 시험 기술은 보급확산의 가속화와 유지보수산업의 활성화를 위해서도 적용이 되어야 할 기술이다.

후속연구

뿐만 아니라, 수소충전소에서의 기초적인 안전요구사항-코드, 표준화, 인허가에 대한 정비가 필요하며, 수소충전소가 차량 제조사에서 요구하는 스펙과 국제 표준을 만족하고 있는지를 긴 시간의 소요없이 확인/점검/ 인증이 가능해야 원활한 수소충전소의 보급 확대를 기대 할 수 있다.
현재는 수소충전소가 전세계 200여기 정도에 불과하지만, 우리나라만 해도 2025년 210기 건설을 목표로 잡고 있으며, 적어도 2025년에는 전세계에서 약 3천개소가 운영될 것으로 본다. 수소충전소와 관련된 평가기술 뿐만 아니라, 떠오르는 시장을 선점하기 위해 평가기준을 만족시킬 수 있는 저가 경량 소재 등 개발 능력을 갖춘 기업의 미래를 내다보는 행보를 기대한다.
1) 수소 연료의 품질기준은 수소연료전지 자동차의 보급에 따라 자동차의 수명 단축과 운행 장해 발생 요인을 막기 위해서 필요하다. 수소충전소의 유지보수, 점검에 따른 가동정지, 재가동에 따른수소연료의 품질 검사가 필요한 상황을 예상한다면, 수소공급처 뿐만 아니라 현장에서도 측정할 수있는 장비와 기술의 축적도 중요하게 될 것이다.
이미 연료전지자동차와 충전소가 운용되고 있는 현 시점에서 국제기준에 맞는 수소품질관리를 위한 분석장비와 분석수준에 대한 국내현황을 조사 분석하여, 인프라나 분석 기술 등에서의 부족한 부분을 보완하는 전략이 필요하다 하겠다.
따라서 수소품질의 표준화는 수소 상용화를 가속화 시키는데 도움을 줄 것으로 본다. 적어도 수소생산 공정은 수소품질에 중요한 영향을 주고 있으며, 수소품질은 미래 MEA개발 방향, MEA와 시스템의 새로운 스펙을 정의하는 데에도 또한 향후 개발 보급될 것으로 예상되는 새로운 수소저장재료와 기술에 대한 요구 스펙에 대해서도 가이드라인이 될 것이다.
특히 세계적으로 보면 수송분야의 원유 소비량은 적지 않아, 이를 대체하기 위하여, 1970년대 이후 석탄이나 오일셰일을 이용한 합성연료, 메탄올, 전기(배터리), 수소연료전지, 에탄올/바이오디젤 등의 바이오연료 등 다양한 연료가 상황에 따라 관심 대상이 되어 왔다. 향후, 환경과 자원고갈의 우려로 정책 방향은, 지속 가능한 태양에너지, 풍력 등 재생에너지를 활용하는 기술이 화두가 될 것이며, 재생에너지의 저장과 활용 확대라는 측면에서 수소도 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소에너지 분야의 기술표준을 담당하는 ISO/ TC197의 목적은 무엇인가?	국제기구를 통한 기술 표준화는 상용화를 앞둔 시점에서 이루어지며, 기술선진국은 이러한 표준화를 적극적으로 주도하여 상업화 보급에 기선을 잡기위해 노력하는 것이 일반적이다. 현재 수소에너지 분야의 기술표준은 1990년에 설치된 ISO/ TC197에서 이루어지고 있는데, 주목적은 수소의 생산, 저장, 수송, 측정 및 수소 사용을 위한 시스템과 부품에 대한 국제표준을 만드는 것이다. 2016년 5월 현재 한국을 비롯하여 20개의 회원국과 13개의 참관국으로 구성되어 있다1).
	일본에서 개발한 수소 스테이션 전용 강관의 장점은?	예를 들면 일본 신일철 주금(新日鉄住金)은 2015년 1월 20일, 연료 전지차(FCV)에 연료를 보급하는 수소 스테이션 전용 강관을 개발해 본격적인 판매를 시작했다. 기존의 강관에 비해 수소에 대한 내성이 높아 얇게만듬에 따른 경량화로 배관의 안전성 향상이나 코스트 저감으로 이어진다. 이 전용강관은 이미 이와타니 산업과 도쿄 가스 등이 운용하는 복수의 상용 수소스테이션에서 채용됐다16).
	수소의 품질을 높이면 어떤 이점이 있는가?	수소연료 중 포함되어 있는 ppm이나 ppb 수준의 극미량의 불순물도 연료전지-전극 접합체(MEA, Membrane-Electrode Assembly) 성능에 현저하게 영향을 주게 되므로, 수소의 품질은 연료전지의 성능에 있어서 중요한 역할을 한다. 수소의 품질을 높이면, 수소 연료비용은 상승하게 되지만, 불순물에 대한 내성을 낮추어도 되기 때문에 MEA 제조 시에 백금 사용량이 줄어들게 되어 MEA 제조 가격을 낮출 수 있다거나 연료전지 스택의 수명을 늘릴수 있다는 이점이 있다. 수소자동차의 보급과 인프라를 활성화하기 위해서는 경제성 측면에서 어느 것이 유리한지 분석하여 수소품질 기준을 정하는 과정을 거치고 있다.

참고문헌 (16)

http://www.iso.org/iso/iso_technical_committee?commid54560
New & Renewable Energy Center (Korea Energy Agency), Institute for New and Renewable Energy (POSTECH):"International Standard of Hydrogen and Fuel Cell Technology" (2015)
http://cordis.europa.eu/project/rcn/97940_en.html
X. Cheng, Z. Shi, N. Glass, L. Zhang, J. Zhang, D. Song, Z.S. Liu, H. Wang and J. Shen: "A review of PEM hydrogen fuel cell contamination: Impacts, mechanisms and mitigation", J. Power Sources, Vol. 165, 2007, pp. 739-756.

상세보기
H. Li, H. Yuan and X.Z. Wang: "PEM Fuel Cell Durability Handbook", CRC Pr Inc; 2011.
X.Z. Yuan, H. Li, Y. Yu, M. Jiang, W. Qian, S. Zhang, H. Wang, S. Wessel and Tommy T.H. Cheng: "Diagnosis of contamination introduced by ammonia at the cathode in a polymer electrolyte membrane fuel cell", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012, pp. 12464-12473.

상세보기
X. Wang, P. Baker, X. Zhang, H. F. Garces, L. J. Bonville, U. Pasaogullari, T. M. Molter: "An experimental overview of effects of hydrogen impurities on polymer electrolyte membrane fuel cell performance", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 397, 2014, pp19701-19713.
M.Tatsumi, D.Imamura, Y. Hashimasa, M. Akai and S.Watanabe, "Quality standard for hydrogen fuel of fuel cell vehicles", J. of the Hydrogen Energy Systems Society of Japan, Vol. 30, No. 1, 2005, pp. 49-52.
B. Kienitz, B. Pivovar, T. Zawodzinski and F. H. Garzond: "Cationic Contamination Effects on Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Performance", J. Electrochem.Soc., Vol. 158, 2011, B1175-B1183.

상세보기
T.M.Molter: "The Effects of Impurities on Fuel Cell Performance and Durability", 2009, presentation at DOE hydrogen program.
M. A. Uddin, X. Wang, J. Qi, M. O. Ozdemir, U. Pasaogullari, L. Bonville and T. Molter: "Effect of chloride on PEFC in presence of various cations", J. Electrochem. Soc., Vol. 162, 2015, F373-F379.

상세보기
K. Narusawa, M. Hayashida, D. Kurashima, K. Murooka, K.Wakabayashi and Y. Kamiya, "Analyses on a declining performance of PEMFC with fuel containing impurities (2nd report)", Japan Society of Mechanical Engineers, Part B, 69 (687), 2003, pp. 2553-2559.

상세보기
D. D. Papadias, S. Ahmed, R. Kumar and F. Joseck: "Hydrogen quality for fuel cell vehicles -A modeling study of the sensitivity of impurity content in hydrogen to the process variables in the SMR-PSA pathway", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 34, 2009, pp. 6021-6035.

상세보기
European Association of National Metrology Institutes (previously known as EUROMET)
https://h2tools.org/h2first/HyStEP
http://www.jiji.com/jc/zc?k201501/2015012000681&geco

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