70MPa 수소 탱크 인증을 위한 글로벌 규제 체계

FMVSS No. 308(미국), UN GTR No. 13(UN-ECE), 및 ISO 15869: 수소 탱크 승인을 위한 조화된 핵심 요건

수소 탱크의 안전성은 제조에서부터 성능에 이르기까지 모든 것을 규제하는 국제 표준에 크게 의존한다. 주요한 세 가지 규정은 미국 정부의 FMVSS 308, 유엔에서 개발한 UN GTR 13, 그리고 보다 광범위한 산업 응용 분야를 다루는 ISO 15869이다. 이들 규칙은 수소를 70MPa의 압력 수준에서 저장하는 탱크에 대해 엄격한 요건을 설정한다. 파손 시 175MPa 이상의 압력을 견뎌야 하며, 일반적인 급유 작업 중 발생하는 상황을 약 5,500회 반복한 수준의 광범위한 피로 시험이 추가로 요구된다. 온도가 섭씨 85도에 도달할 때 투과율은 시간당 리터당 0.15NmL 이하로 유지되어야 한다. 누출의 경우, 탱크를 연속 200시간 동안 가압한 후에는 어떠한 검출 가능한 배출도 있어서는 안 된다. 사용되는 재료 또한 엄격한 사양을 충족해야 하며, 탄소섬유는 인장강도가 최소 3,500MPa 이상이어야 하고, 수지 매트릭스는 섭씨 120도 이상의 열에도 견딜 수 있어야 한다. 모든 제조업체는 적절히 인증된 독립 실험실에서 제품을 시험받아야 한다. 이를 통해 탱크가 정상적인 마모뿐 아니라 측면으로 30G의 힘이 가해지는 사고와 같은 극한 상황에서도 견딜 수 있도록 보장한다. 이러한 표준화는 서로 다른 국가들이 원활하게 협력할 수 있도록 하며, 운영 시간당 백만 분의 일에 불과한 치명적인 고장 위험을 극도로 낮게 유지하는 데 기여한다.

주요 차이점: UN R134와 FMVSS 308의 내화성 기준 차이 및 수소 탱크 설계에 미치는 영향

다양한 내화 기준으로 인해 엔지니어들은 시스템 설계 시 어려운 선택을 해야 한다. 유럽연합의 규정 134는 구성 부품이 약 1,100도의 고온 탄화수소 화재 속에서 20분 동안 고장 없이 열 보호 기능을 유지해야 한다고 요구하지만, 미국 기준인 FMVSS 308은 800도에서 단 12.5분만 충족하면 된다. 이처럼 온도 요구 조건의 큰 차이는 신소재 개발을 촉진시켰다. 전 세계에 제품을 판매하는 기업들은 종종 세라믹 마이크로스피어를 수지에 혼합하고 약 15밀리미터 두께의 에어로겔 차단재를 설치한다. 이러한 변경은 전체 시스템 무게를 약 3.8킬로그램 증가시키지만, 탄소섬유 파손 위험을 거의 절반으로 줄인다. 더 까다로운 EU 기준을 충족하기 위해선 일반 알루미늄 부품에서 고가의 티타늄 밸브로 전환해야 하며, 이는 생산 비용을 약 18% 증가시키지만 압력 급상승 시 치명적인 고장을 방지한다. 이러한 규제 차이를 살펴보면 수소 저장 탱크가 지역마다 다르게 설계되는 이유를 알 수 있다. 한 시장에서 통하는 것이 다른 지역의 안전 기대 수준을 충족하지 않을 수 있기 때문이다.

70 MPa 수소 탱크의 구조적 완전성 및 재료 신뢰성

반복 압력 및 열 응력 하에서의 카본/에폭시 복합재 열화

CFRP 복합재료는 수소 저장 탱크를 더 가볍게 만들어 주지만, 실제 운용 조건에서 사용 시 몇 가지 문제점이 있다. 이러한 탱크가 약 5MPa에서 70MPa 사이의 반복적인 압력 변화를 겪을 경우, 에폭시 부분에 미세한 균열이 생기기 시작한다. 또한 영하 40도에서부터 섭씨 85도까지의 급격한 온도 변화 역시 층간 계면에서 박리 현상을 유발한다. 이러한 두 가지 문제가 복합적으로 작용하면, 약 1만 5천 사이클 후 파열 강도가 15%에서 25% 정도 감소하는 현상이 나타난다. 정상 조건보다 빠른 속도로 수행한 테스트에서는 흥미로운 결과가 나타났는데, 열 순환(thermal cycling)이 단순한 압력 순환보다 약 두 배 더 많은 균열을 유발한다는 점이다. 이는 시간이 지남에 따라 이러한 탱크의 신뢰성 유지에 있어 온도 차이가 더 큰 역할을 한다는 것을 의미한다. 제조업체들은 이러한 열화 현상에 대응하기 위해 파손 시에도 더 강한 내구성을 갖는 특수 고변형 에폭시를 사용하는 것이 일반적이다. 또한 호프 응력을 더 고르게 분산시키기 위해 보통 ±55도 각도로 섬유를 감는 방식도 조정한다. 일부 기업들은 수소의 누출을 줄이기 위해 나노입자 점토(nanoclay) 입자를 첨가해 개질한 라이너를 적용하기도 한다.

SAE J2579 및 ISO 15869 부록 D에 따른 폭발 압력, 피로 수명 및 누출 밀폐성 시험

이러한 시스템의 안전 인증과 관련하여, 기본적으로 세 가지 주요 항목을 점검합니다: 탱크가 파열되기 전까지 견딜 수 있는 압력, 반복적인 스트레스 하에서의 수명, 그리고 누출 여부입니다. 파열 시험의 경우 요구 사항이 비교적 명확한데, 탱크는 구조적 문제가 발생하지 않도록 최소 157.5 MPa의 압력을 견뎌내야 하며, 이는 정상 작동 압력의 약 2.25배에 해당합니다. 피로 시험은 탱크에 수천 회의 압력 사이클을 가하는 것으로, 적용되는 표준에 따라 정확한 횟수가 다릅니다. SAE J2579 기준으로는 약 11,000회, ISO 15869 부록 D 기준으로는 15,000회입니다. 이러한 시험들은 실제 조건에서 약 15년간 일반적인 급유를 반복했을 때의 상황을 시뮬레이션한 것입니다. 누출 검사는 일반적으로 헬륨 질량 분석법(helium mass spectrometry)을 사용합니다. 87.5 MPa의 압력에서, 허용되는 최대 누출률은 SAE 기준으로 0.15 NmL/hr/L, ISO 기준으로는 0.25 NmL/hr/L입니다. 안전 마진 측면에서도 두 표준 간에 약간의 차이가 있습니다. SAE J2579는 정상 압력 수준보다 2.25배의 안전 계수를 요구하는 반면, ISO 15869 부록 D는 설계 압력보다 2.35배를 요구합니다. 이러한 모든 시험 외에도 제조사들은 탱크가 실제로 얼마나 견고한지를 입증하기 위해 화재 시뮬레이션(bonfire simulation) 및 총격 시험(gunfire simulation)도 수행합니다. 또한 수소 압력이 탱크의 정격 압력의 110%에 도달하면 자동으로 작동하는 열활성 압력 방출 장치(TPRD)도 중요합니다.

70 MPa 급수소 동안의 열 관리 과제

주울-톰슨 효과로 인한 온도 급상승: 수소 탱크 안전을 위한 물리학, 측정 및 함의

수소를 70MPa로 빠르게 재충전할 때 수소가 급격히 압축되면, 조울-톰슨 효과(Joule-Thomson 효과)로 인해 온도가 섭씨 85도 이상으로 상승하는 지점이 발생한다. 기본적으로 가스가 너무 빠르게 압축되면 시스템이 식힐 수 있는 속도보다 더 빠르게 열이 발생하게 된다. 이러한 고온 부위는 Type IV 탱크에 실제 문제를 일으킨다. SAE J2601과 같은 기관에서 설정한 표준은 충전 전 과정 동안 적외선 카메라와 내장 센서를 통해 지속적인 모니터링을 요구한다. 온도가 너무 올라가면 위험한 85도 이하로 다시 식을 때까지 충전을 실제로 중단해야 한다. 온도가 통제되지 않게 되면 수소의 누출 속도도 빨라지는데, 섭씨 10도당 약 15% 더 증가하게 된다. 더욱 심각한 것은 복합 소재 층들이 벗겨질 위험이 생긴다는 것이다. 따라서 최신 시스템에서는 예측에 기반해 주입량을 조절하는 스마트 제어 장치와 안전 수준에 도달하기 훨씬 앞서 작동하는 압력 방출 장치를 포함하고 있다. 이러한 안전 조치들은 급속 충전 시 효율성을 약 2% 정도 감소시키지만, 도로에서의 안전을 확보하기 위해 절대적으로 필요하다.

자주 묻는 질문 섹션

70MPa 수소 탱크의 주요 안전 기준은 무엇인가요?

70MPa 수소 탱크의 주요 안전 기준에는 파열 압력, 피로 시험 및 투과율에 대한 요구사항을 규정하는 FMVSS 308, UN GTR 13 및 ISO 15869이 포함됩니다.

미국과 EU 규정 간의 내화성 기준은 어떻게 다른가요?

미국 FMVSS 308은 부품이 800도에서 최소 12.5분간 견딜 수 있어야 하며, EU Regulation 134는 1,100도에서 20분간 견딜 것을 요구하여 재료 선택과 설계에 영향을 미칩니다.

CFRP 복합재가 직면하는 문제는 무엇인가요?

CFRP 복합재는 사이클적인 압력과 온도 스트레스로 인해 에폭시 내 균열이 발생하여 예상보다 빠른 열화가 나타날 수 있습니다.

수소 탱크는 어떤 압력 시험을 거치나요?

수소 탱크는 SAE J2579 및 ISO 15869 부록 D와 같은 표준에 따라 최소 157.5MPa까지 견딜 수 있는 파열 압력 시험과 수천 회의 압력 사이클을 포함하는 피로 수명 시험을 거칩니다.

주-톰슨 효과는 급유 과정에 어떻게 영향을 미치나요?

조울-톰슨 효과는 70MPa의 빠른 압축 동안 85도 섴시우스를 초과하는 온도 급상승을 유발할 수 있으므로, 안전을 확보하기 위해 모니링과 냉각 조치가 필요하다.