수소연료전지차 연료소모량 측정

왜 배우는가: 수소연료전지차는 연료가 기체 수소이고 탄소를 포함하지 않아 내연기관 차량의 연비 측정법을 그대로 쓸 수 없다. 연료소모량 측정 방법과 장치의 정도는 연비 표시, 운행기록 분석, 연료비 산정의 신뢰성을 좌우하므로 실무에서 중요하다. 이 주제는 세 차례 회차에 걸쳐 2교시 논술형으로 출제되었다.

출제 이력: 제120회 2교시 6번, 제111회 2교시 5번, 제89회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수소연료전지차 연료소모량 측정은 운행 중 소비된 수소량을 측정 방법으로 구하고, 이를 주행거리와 비교해 연비를 산출하는 절차이다.

답안 첫 줄에는 이 정의를 그대로 쓰고, 이어서 아래 핵심어를 빠짐없이 나열한다.

• 연료소모량: 운행 중 소비된 연료량을 시동을 건 때부터 끌 때까지 누적한 값이다.
• 연비: 연료 단위량으로 실제 주행한 거리이며 에너지소비효율을 나타낸다.
• 중량법: 연료탱크의 질량 변화로 소모량을 구하는 방법이다.
• 압력·체적법(PVT법): 탱크의 압력, 체적, 온도로 기체 수소의 질량을 구하는 방법이다.
• 유량법: 연료공급 라인의 유량계로 공급량을 적산하는 방법이다.
• 측정 정도: 측정값의 정확도와 정밀도를 함께 가리키는 장치 성능 기준이다.
• 유량 측정비: 측정 가능한 최대 유량과 최소 유량의 비이다.

2. 개념 풀이

연료소모량은 자동차에 시동을 건 다음부터 시동을 끌 때까지 사용한 연료량을 누적한 값이다. 연비는 자동차가 연료 1리터로 실제 주행한 거리이며, 자동차의 에너지소비효율을 나타내는 지표이다. 수소연료전지차는 연료가 기체 수소이므로 리터 대신 킬로그램(kg) 단위로 소모량을 재고, 연비는 km/kg으로 나타낸다.

수소연료전지차의 연료소모량은 시험 전후 탱크 안 수소 질량의 감소량으로 구한다. 수소는 탄소를 포함하지 않으므로 배기가스 속 탄소량으로 연료 소모를 역산하는 탄소밸런스법을 쓸 수 없고, 탱크에서 실제로 빠져나간 수소 질량을 직접 재야 한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$Q_{H_2} = m_s - m_e$

여기서 Q_{H_2}는 시험 구간의 소모 수소 질량(kg), m_s와 m_e는 각각 시험 시작과 종료 때 탱크 내 수소 질량(kg)이다.

$연비 = L ÷ Q_{H_2}$

L은 시험 구간의 주행거리(km)이다. 연비는 주행거리를 소모량으로 나눈 값이므로, 소모량의 오차가 그대로 연비의 오차로 전달된다. 연비 측정의 정확도가 소모량 측정 정도에 달려 있는 이유이다.

수소 소모량을 재는 방법은 크게 세 가지이다.

• 중량법은 연료탱크를 저울 위에 두고 시험 전후의 질량 차이를 구하는 방법이다. 질량을 직접 재므로 원리가 단순하지만, 차량 상태에서 탱크 무게를 측정하기 어렵고 측정 중 부속 장치의 무게 변동을 보정해야 한다.
• 압력·체적법(PVT법)은 이상기체 상태방정식으로 탱크 압력, 체적, 온도에서 수소 질량을 계산하는 방법이다. 식은 다음과 같다.

$m = P V M / (Z R T)$

P는 압력(Pa), V는 탱크 체적(㎥), M은 수소의 몰질량(kg/mol), Z는 압축계수, R은 기체상수, T는 절대온도(K)이다. 수소연료전지차 탱크는 700bar 수준의 고압으로 수소를 저장하므로 기체가 이상기체에서 벗어나는 만큼 압축계수 Z로 보정해야 한다.

• 유량법은 연료공급 라인에 설치한 유량계로 공급된 수소량을 시간에 따라 적산하는 방법이다. 유량계의 정확도와 정밀도, 유량 측정비에 따라 측정 결과가 달라지므로 장치의 정도가 측정값을 좌우한다.

측정 정도는 측정값이 참값에 가까운 정도인 정확도와, 같은 조건에서 반복 측정한 값이 모이는 정도인 정밀도를 함께 가리킨다. 장치를 선정할 때는 정확도, 정밀도, 유량 측정비를 함께 정해야 한다. 유량 측정비는 측정 가능한 최대 유량과 최소 유량의 비이다. 수소 사용량의 변동이 측정 범위 안에 들어와야 소모량이 누락되지 않으므로, 운전 부하가 크게 변하는 시험에서는 유량 측정비가 큰 장치를 골라야 한다. 반대로 부하가 거의 일정한 조건에서는 측정 범위를 과하게 넓힐 필요가 없다. 가격이 높은 장치가 항상 좋은 장치인 것은 아니며, 시험 조건에 맞는 장치가 좋은 장치이다.

3. 등장 배경과 필요성

수소연료전지차는 수소와 공기 중 산소를 전기화학반응시켜 생성한 전기로 구동모터를 작동시킨다. 주행 중 배출되는 것은 물이 대부분이며 유해배출가스가 없어 친환경 차량으로 평가된다. 그러나 에너지원이 기체 수소이므로 리터 기준의 기존 연비 개념을 그대로 쓸 수 없고, 질량 기준의 측정 방법과 장치 정도 기준이 따로 필요하다.