수소연료전지차 공기 공급 시스템

왜 배우는가: 공기 공급 시스템은 연료전지차의 출력과 내구성을 좌우하는 보조 장치이다. 연료전지 발전의 기본 원리와 직접 이어져 있고 시험에 반복해서 출제되는 주제이므로, 흐름과 부품 기능을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제138회 1교시 8번, 제135회 4교시 4번, 제131회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공기 공급 시스템(APS)은 외기를 여과·압축·냉각·가습하여 연료전지 스택의 공기극에 공급하는 장치이다. 답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 공급 공기의 유량과 상태를 스택 부하에 맞춰 유지하는 것이 목적이라고 덧붙인다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 공기 공급 시스템: 외기를 흡입해 스택에 공급하는 연료전지차의 보조 시스템이다.
• 공기극: 셀에서 산소가 환원되어 물이 생성되는 전극이며 캐소드라고도 한다.
• 에어 필터: 흡입 공기의 먼지와 이물질을 걸러 스택 오염을 막는 부품이다.
• 공기 압축기: 공기를 압축하여 공기극에 필요한 압력과 유량을 만드는 부품이다.
• 냉각기: 압축 과정에서 올라간 공기 온도를 낮추는 열교환 부품이다.
• 가습기: 공급 공기에 수분을 더해 전해질막이 마르지 않도록 하는 부품이다.
• 공기 유량 제어: 부하에 맞춰 압축기 회전수와 공급량을 조절하는 기능이다.
• 배출 수분 회수: 스택 배출 공기의 수분을 모아 가습에 재사용하는 기능이다.

이 키워드들은 공기가 흡입되어 스택에 도달하는 순서대로 나열한 것이다. 답안에서는 이 순서를 따라 부품 역할을 쓰면 된다.

2. 개념 풀이

공기 공급 시스템의 정식 정의는 연료전지 스택의 공기극에 산소를 연속으로 공급하고, 공급 공기의 압력·유량·온도·습도를 운전 조건에 맞게 조절하는 하위 시스템이다. 연료전지는 연료와 공기가 공급되는 동안 전기를 연속으로 만들기 때문에, 공기 공급이 부족하면 출력이 바로 떨어진다. 따라서 이 시스템의 기능 중심은 산소 공급량을 부하에 맞추는 데 있다.

연료전지 시스템에서 공기 공급 시스템은 수소 공급 시스템, 열관리 시스템과 함께 스택을 둘러싼 보조 장치이다. 세 시스템이 맞물려야 스택이 정격 출력을 낸다. 특히 공기 공급은 전기 출력과 함께 늘어나는 산소 요구량을 맞춰야 하므로 가장 빠르게 응답해야 하는 보조 장치이다.

원리는 전극 반응으로 설명한다. 공기극에서는 산소가 연료극에서 넘어온 수소이온과 외부 회로를 통해 온 전자를 받아 물을 만드는 산소 환원 반응이 일어난다. 연료극에서는 수소가 산화되어 수소이온과 전자를 내놓는다. 두 반응을 합친 전체 반응은 다음과 같다.

$2H_2 + O_2 = 2H_2O$

식의 H2는 수소, O2는 산소, H2O는 물이다. 이 식에서 산소 1몰당 수소 2몰이 필요하므로, 공기극 산소가 모자라면 수소가 남고 반응 속도와 출력이 함께 떨어진다.

공기 상태는 압력, 유량, 온도, 습도의 네 가지로 나누어 본다. 압력과 유량이 부족하면 산소 분압이 낮아져 반응이 느려지고, 온도가 높으면 막이 건조해져 이온 전도 저항이 커진다. 습도가 낮으면 고분자 전해질막이 마르고, 지나치면 물이 기체 확산 통로를 막아 침수가 생긴다. 공기 공급 시스템의 핵심은 네 가지 상태를 부하에 맞춰 동시에 조절하는 것이다. 어느 하나라도 어긋나면 출력과 내구성이 함께 떨어진다.

같은 전류를 내더라도 고도가 높거나 외기 온도가 낮으면 공기 밀도와 산소 분압이 달라지므로 공급량 보정이 필요하다. 이 보정이 제어기의 중요한 기능이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 공기 과잉률: 스택 반응에 필요한 이론 공기량 대비 실제 공급 공기량의 비율이다. 값이 낮으면 공기극 산소가 부족해지고, 지나치게 높으면 압축 동력 손실이 커진다.
• 가습: 공급 공기에 수분을 더해 전해질막의 함수 상태를 유지하는 과정이다. 막이 충분히 젖어 있어야 수소이온이 잘 이동한다.
• 압축열: 공기를 압축하면 온도가 올라가는 현상이다. 이 열을 냉각기로 낮추지 않으면 스택 온도가 운전 조건을 벗어난다.
• 서지 현상: 공기 유량이 적을 때 압축기 출구 압력이 불안정하게 진동하여 소음과 진동을 일으키는 현상이다. 압축기 제어로 피해야 한다.
• 막 가습기: 스택 배출 공기의 수분을 고분자 막을 통해 공급 공기로 옮기는 장치이다. 배출 수분을 재활용하는 역할을 한다.

3. 등장 배경과 필요성

연료전지차는 내연기관처럼 연료를 연소시키는 엔진이 없고, 연료전지 스택이 수소와 산소의 반응으로 전기를 만들어 모터를 구동한다. 전기를 만드는 반응은 산소 공급량에 직접 묶여 있으므로, 대기 공기를 그대로 스택에 넣는 방식으로는 운전 조건 변화를 따라갈 수 없다. 그래서 공기를 여과하고, 압축하고, 가습하는 전용 장치가 필요해졌다.

차량은 정차, 저속 주행, 급가속 등 부하 변동이 크다. 가속 시에는 짧은 시간에 많은 산소를 공급해야 하고, 정속 주행이나 감속 시에는 공급량을 줄여야 한다. 이 변동은 압축기 회전수로 맞추는 것이 일반적이며, 변화에 빠르게 응답하는 능력을 부하 추종성이라 한다. 부하 추종성은 차량용 시스템의 핵심 요구 성능이다.