수소전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술, 미반응 수소를 다시 쓰는 방법

수소전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술은 연료전지 스택에서 반응하지 않고 배출되는 수소를 다시 스택 입구로 보내 활용하는 기술이다. 수소 이용률을 높이고 배출량을 줄이면서 스택 성능과 차량 연비를 개선할 수 있어 수소전기차 시스템의 핵심 보조기술로 평가된다.

수소전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술 원리

연료전지 스택에 공급된 수소가 한 번의 통과 과정에서 모두 반응하는 것은 아니다. 스택 내부의 각 셀에 충분한 수소를 공급하고 국부적인 연료 부족을 방지하려면 실제 반응량보다 여유 있게 수소를 투입해야 한다. 출구로 나온 미반응 수소를 그대로 배출하면 연료 손실이 발생하므로 이를 분리하고 다시 입구로 보내는 재순환 과정이 필요하다.

재순환된 가스에는 수소뿐 아니라 생성수와 질소가 포함될 수 있다. 공기극의 질소가 전해질막을 통해 수소극 쪽으로 이동하거나 수분이 축적되면 수소 농도가 낮아지고 셀별 공급 편차가 발생할 수 있다. 따라서 재순환 시스템은 단순히 가스를 되돌리는 장치가 아니라 수분과 불순물을 관리하고 필요한 순간에 퍼지를 수행하는 제어시스템이다.

이젝터 방식의 특징

수소전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술에서 대표적으로 검토되는 장치가 이젝터다. 이젝터는 고압의 공급 수소가 노즐을 통과할 때 발생하는 유동에너지를 이용해 스택 출구의 저압 가스를 흡입하고 다시 공급라인으로 보내는 장치다.

회전부와 전기모터가 없어 구조가 비교적 단순하고 소비전력이 적다는 장점이 있다. 반면 공급압력과 유량에 따라 흡입성능이 달라지기 때문에 넓은 운전영역에서 안정적인 재순환비를 확보하기 어렵다. 차량의 저부하와 고부하 조건을 모두 만족하도록 노즐과 혼합부, 확산부 형상을 최적화해야 한다.

블로어와 펌프 방식의 특징

전동 블로어나 펌프를 사용하면 운전조건에 따라 재순환 유량을 능동적으로 제어할 수 있다. 시동과 저부하 구간에서도 필요한 유량을 확보하기 쉬운 반면, 모터 소비전력과 소음, 부품 수, 내구성과 비용을 고려해야 한다. 수소의 누설 방지와 윤활, 응축수 유입에 대한 대응도 중요하다.

하이브리드 재순환 방식

차량의 넓은 부하 범위를 대응하기 위해 이젝터와 블로어를 결합하는 방식도 고려할 수 있다. 고부하에서는 공급수소의 에너지를 활용하는 이젝터가 주로 작동하고, 저부하와 시동구간에서는 블로어가 재순환을 보조하는 구조다. 시스템은 복잡해질 수 있지만 운전영역과 효율을 동시에 확보할 가능성이 있다.

고효율·대용량 수소 재순환 시스템 개발 로드맵

보고서는 미반응 수소 재순환장치의 최적설계, 장치 제작과 시운전, 스택 용량 선정과 시스템 통합, 운영 특성평가를 거쳐 연비향상과 소형화를 달성하는 흐름을 제시한다. 장치 단품 성능만 평가하지 않고 스택과 수소공급장치, 제어 소프트웨어를 통합해 검증하는 것이 핵심이다.

1단계: 운전영역과 목표 재순환비 설정

차량의 시동, 공회전, 정속주행, 가속과 고출력 운전에서 필요한 수소 유량을 분석해야 한다. 목표 재순환비와 허용 압력손실, 소비전력, 수소 이용률을 정의한 뒤 이젝터나 블로어의 용량을 선정한다. 특정 운전점에서만 높은 효율을 얻는 설계는 실제 차량 조건에서 성능이 제한될 수 있다.

2단계: 시제품 제작과 유동특성 평가

이젝터는 노즐 직경과 위치, 혼합부 길이, 출구 확산각에 따라 흡입비와 압력회복 특성이 달라진다. 수소와 수분이 혼합된 실제 조건을 반영해 시험하고, 저온에서 응축이나 결빙 가능성도 확인해야 한다. 블로어 방식은 회전수별 유량과 압력, 소비전력, 소음과 온도 특성을 평가한다.

3단계: 스택 통합과 제어 최적화

재순환장치가 스택에 연결되면 수소농도와 압력, 수분상태가 시간에 따라 변한다. 센서 정보와 차량 요구출력을 활용해 공급밸브와 퍼지밸브, 블로어를 제어해야 한다. 퍼지 횟수를 줄이면 수소 손실은 감소하지만 질소 축적이 심해질 수 있으므로 출력 안정성과 연료소비를 함께 최적화해야 한다.

연비향상과 스택 소형화가 가능한 이유

미반응 수소를 다시 사용하면 같은 주행거리에 필요한 신규 수소 공급량을 줄일 수 있다. 또한 스택 내부에 충분한 수소농도를 유지하면 국부적인 연료 부족을 억제해 셀 성능을 안정화할 수 있다. 시스템 효율이 높아지면 목표 차량출력을 만족하기 위해 필요한 스택 용량을 줄일 가능성이 생기며, 이는 부피와 무게, 촉매 사용량 절감으로 이어질 수 있다.

다만 재순환장치를 추가하면 배관과 밸브, 세퍼레이터, 센서와 제어기가 필요해진다. 블로어 소비전력과 부품 무게가 커지면 연비개선 효과가 상쇄될 수 있다. 따라서 수소전기차 연비향상 및 소형화를 위한 고효율/대용량 수소 재순환 시스템 기술은 차량 단위의 에너지 흐름과 총소유비용으로 평가해야 한다.

사업화 과정에서 점검할 항목

• 저부하부터 최대출력까지 필요한 재순환비를 안정적으로 확보하는지 확인한다.
• 응축수와 결빙, 질소 축적이 발생하는 조건을 반영해 퍼지전략을 설계한다.
• 블로어 소비전력과 이젝터 압력손실을 포함한 시스템 순효율을 계산한다.
• 수소 누설과 밸브 고착, 센서 오류에 대응하는 고장안전 제어를 적용한다.
• 진동과 온도변화, 반복 시동·정지에 대한 내구시험을 수행한다.
• 장치의 부피와 배관 길이, 정비공간을 포함해 차량 패키징을 검토한다.

수소 재순환 시스템 FAQ

자료 기반: 수소 연료전지 시스템 전략품목 보고서의 고효율·대용량 수소 재순환 시스템 기술과 연차별 개발목표. 실제 차량 적용에는 최신 안전·시험규격을 확인하세요.