연료전지의 수소 순도 보장
신뢰성 높고 표준에 적합한 수소 시스템을 구축하려면 노즐에서 샘플링을 실행하는 것이 중요한 이유
국제 에너지 환경이 더 친환경적이고 지속 가능한 솔루션으로 변화함에 따라, 수소는 운송, 산업, 발전 분야의 탈탄소화에 중추적인 연료가 되었습니다.
수소의 가장 유망한 애플리케이션 중 하나는 차량 및 고정 시스템에서 높은 효율과 무공해 기능을 제공하는 양성자 교환막(PEM) 연료전지 내의 수소 사용입니다. 하지만, 연료전지의 성능, 안전성, 수명은 공급되는 수소 순도에 절대적으로 좌우되며, 이는 다른 산업 용도보다 훨씬 더 엄격한 조건입니다. 미량의 오염물이라도 돌이킬 수 없는 손상, 운영 효율 감소, 시스템 신뢰성 저하를 초래할 수 있습니다.
수소 순도 보장은 단순히 실험실 분석으로 해결되는 문제가 아니며, 생산에서 저장, 운송, 분배에 이르는 전체 가치 사슬을 어우르는 포괄적인 접근 방식이 필요합니다. 각 단계에서 수소는 품질 저하와 오염에 노출되기 쉬우므로, 견실한 샘플링 및 검증 절차가 필수입니다.
이러한 환경에 대응하여, 클린 에너지 시장을 전문으로 다루는 Swagelok Munich의 애플리케이션 엔지니어인 Sauhaib Filali는 수소 인프라와 연료전지 배포에 관여하는 엔지니어, 사업자, 이해관계자를 위한 기술 가이드로서 이 기술 백서를 저술했습니다. 이 자료는 수소 샘플링의 원리와 엔지니어링 과제를 살펴보고, 관련 표준을 검토하며, 정확하고 규정에 적합한 연료 품질 검증을 뒷받침하는 실용적인 시스템 아키텍처를 제시합니다.
이 질의응답(Q&A) 세션에서 Sauhaib씨는 시장, 이 기술 백서를 작성하게 된 이유, 이 기술 백서가 고객에게 어떻게 도움이 되는지 설명합니다.
Q: 자기 소개와 함께 어떻게 이 업계에 종사하게 되었는지 알려주시면 감사하겠습니다.
A: 저는 모로코 카사블랑카 하산 2세 대학교에서 프랑스어 공학 프로그램을 통해 기계공학 전공으로 첫 번째 학사 학위를 받았습니다. 하지만, 저는 기술적 전문성을 심화하고 국제적인 공학 경력을 쌓고자 하는 의지가 있었으므로, 독일로 이주하여 독일어로 커리큘럼이 진행되는 베를린 응용과학대학교에서 기계공학 전공으로 두 번째 학사 학위를 받았습니다.
저는 Swagelok Munich에 2022년 입사하여 현재 수소 생산, 분배, 저장, 샘플링, 차량 애플리케이션을 포함한 전체 클린 에너지 가치 사슬의 설계, 문서화, 구현을 지원하고 있습니다. 제 업무에는 공정공학, P&ID 개발, 부품 명세, 3D 시스템 모델 및 어셈블리 도면 개발, 고객에 대한 현장 기술 지원이 포함됩니다.
더불어, 저는 안전하고 표준에 부합하는 시스템 설계를 보장할 수 있도록 시스템과 부품이 국제 수소 규정을 준수하는지 평가하는 일도 합니다. 저는 Hannover Messe, TankTech와 같은 업계 행사에서 수소 시스템 설계 모범 사례, 수소 연료 품질, 샘플링 및 안전 표준에 대해 정기적으로 강연을 하고 있습니다.
Q: 현재와 그리고 미래의 수소 시장을 어떻게 보고 계십니까?
A: 애플리케이션 엔지니어로서 저는 국제 수소 시장이 빠르게 발전하는 모습을 지켜봤습니다. 수소 시장은 대담한 정치적 야망과 초기 실험적 단계에서 더 구조화된 표준 중심의 배치 단계로 진전되었습니다. 전해조(Electrolyzer) 용량이 크게 증가했으며, 연료전지 모빌리티가 아시아와 유럽에 걸쳐 탄력을 받기 시작했습니다.
유럽의 접근 방식에는 구속력이 있는 인프라 목표가 포함되었으므로 특히 제게 인상적이었습니다. 예를 들어, 유럽연합의 대체 연료 인프라 규정(AFIR) 에서는 2030년까지 핵심 운송 노선을 따라 200 km마다 수소 충전소를 사용할 수 있도록 만들 것을 요구하고 있습니다.
그렇다고 해도, 시장은 아직 진짜 과제에 직면하고 있습니다. 가장 큰 과제 중 하나는 배치(deployment)와 신뢰성 사이의 격차입니다. 너무 많은 시스템이 연료 품질과 장기적인 내구성에 대한 일관적인 주의 없이 구축되고 있습니다. 수소 연료전지는 미량 오염물에 극도로 민감하며, 최근까지도 품질 보증이 간과되는 경우가 많았습니다.
이제 저는 업계가 이에 대응할 수 있다면 좋겠습니다. 마침내, ISO 19880-9와 같은 새로운 표준이 디스펜서상의 수소 샘플링에 대한 명확한 지침을 제시하면서, 차량에 공급되는 수소가 중요한 순도 사양을 충족함을 보장하는 데 기여하고 있습니다. 저는 이러한 변화가 수소 경제를 확장성 높은 장기적 성공으로 이끌 것이라고 낙관합니다.
Q: 업계의 어떤 상황이 이 기술 백서를 저술하도록 만들었습니까?
A: 저는 PEM 연료전지 스택에 대한 수소 연료 품질 조건과 이를 지키는 데 있어 샘플링의 역할에 대한 업계의 이해에 중대한 격차가 있음을 알게 되었습니다. 수소 연료는 순도가 최소 99.97%이어야 하며, 미량 오염물만 허용됩니다. 하지만, 대부분의 고객은 분배 시점에서 그러한 수준의 순도를 달성하는 방법을 확신하지 못합니다. 대부분은 압축, 저장, 분배 중에 수소 품질이 저하될 수 있다는 사실을 깨닫지 못하고 공급업체의 분석 인증서에만 의존합니다.
샘플링은 수소가 사용 시점에 필요한 사양을 계속 충족하는지 검증하는 데 필수적인 공학적 접근 방식입니다. 하지만, 샘플링은 복잡한 공정이며, 올바르게 실행하지 않으면 부정확한 결과, 규정 미준수 또는 장기적인 시스템 손상을 초래할 수 있습니다.
Q: 고객이 인지해야 할 가장 중요한 수소 표준 몇 가지는 무엇입니까?
>A: 안전하고 신뢰성 높은 운영에 필요한 수소 품질을 보장하려면 연료전지 시스템과 관련된 모든 고객이 알아야 한다고 생각하는 수소 표준이 몇 가지 있습니다. 이를 서로 동조해야 하는 다음 세 가지 주요 단계의 관점으로 설명하겠습니다. 측정해야 하는 대상, 샘플 채취 방법, 샘플 분석 방법.
첫 번째 단계에서 ISO 14687(일부 지역의 경우 SAE J2719)은 임계 불순물(critical impurity)의 허용 한도를 포함한 수소 연료 품질 조건을 정의합니다. 그다음 두 번째 단계에는 퍼징 및 그라운딩부터 재질 호환성에 이르는 모든 것을 포함하여 디스펜서에서 적절한 수소 샘플을 채취하는 방법을 다루는 ISO 19880-9 및 ASTM D7606-17과 같은 표준이 있습니다. 세 번째 단계는 분석과 관련된 것이며, ISO 21087에 실험실에서 사용해야 하는 분석 방법과 운반 도중 샘플을 안정적으로 유지하는 방법이 요약되어 있습니다.
요점은 이 세 단계가 조화를 이루어야 한다는 것입니다. 시스템이 기술적으로 잘 구축되어 있더라도, 적절한 표준에 부합하는 샘플링이 이루어지지 않는다면 순도 결과를 신뢰할 수 없습니다.
Q: 수소 샘플링과 관련하여 가장 큰 공학적 과제 하나는 무엇입니까?
A: 제 경험에 따르면, 샘플 무결성을 유지하는 것입니다. 이는 추출에서 분석에 이르기까지 샘플이 실제 수소 조성을 정확하게 대표함을 보장하는 것을 의미합니다. 쉬운 일처럼 들리지만, 극소량의 누설, 데드 레그에 갇힌 소량의 잔류 가스, 불완전한 퍼징이 있다면, 측정하려는 샘플에 오염물이 들어가거나 불순물이 희석될 수 있습니다. 그 결과, 해당 샘플은 수소 스트림의 실제 구성 성분을 더 이상 반영하지 않게 됩니다.
이를 해결하려면 호환 재질 사용에서 시작하여, 무용 용적(dead volume) 제거, 철저한 퍼징 보장을 포함하여 샘플링 시스템을 적절하게 설계해야 합니다. 그 이후에만 수소가 소스에서와 같은 순도로 변화 없이 분석기에 도달함을 확신할 수 있습니다.
시스템의 청정도는 샘플링 공정으로 파악할 수 있습니다. 고순도 수소라도 잘못 설계되거나 실행된 샘플링 방법으로 인해 품질이 저하할 수 있으며, 오염되거나 대표성 없는 샘플이 결과를 무효화할 수 있습니다.
나머지 수소 연료 시스템과 동등한 주의와 충실도로 샘플링 시스템을 설계해야 하는 이유가 그 때문입니다. 실제로, 샘플링은 단지 분석 방식일 뿐만 아니라, 연료전지의 성능과 안전에 직접 영향을 주는 중요한 시스템 차원의 결정입니다.
Q: 고객이 이 기술 백서에서 딱 한 가지를 기억할 수 있다면 어떤 것이 되었으면 좋겠습니까?
A: 고객이 이 기술 백서에서 단 한 가지만 기억할 수 있다면, 노즐에서 측정되는 연료 품질이 가장 중요하다는 것이었으면 합니다. 생산 플랜트에서 나올 때는 수소 순도가 충분히 높더라도, 수소 가치 사슬 중간에서 오염물이 들어갈 수 있습니다. 연료전지에 정확히 필요한 순도의 수소가 공급되는지 확인하려면 노즐에서 바로 테스트해야하는 이유가 그 때문입니다.
“수소 샘플링은 단지 부차적인 고려 사항이 아니라, 연료전지를 보호하는 데 핵심적인 역할을 합니다.”
- Sauhaib Filali, Swagelok Munich
Read Sauhaib의 기술 백서 “연료전지 애플리케이션의 수소 순도 보장(Ensuring Hydrogen Purity for Fuel Cell Applications).” 수소 샘플링에 대해 궁금한 점이 있다면 가까운 공인 Swagelok 판매 및 서비스 센터에 연락하여 도움을 받으십시오.