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학술

수소 유량 교정시스템 개발

수소 상거래의 핵심, '수소차 정량 충전' 시대!




한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)이 수소경제 시대 상거래 공정성과 직결되는 정량 충전의 핵심 기술을 개발했다.

KRISS 열유체표준센터 강웅 책임연구원팀은 수소충전소에서 정량의 수소가 충전될 수 있도록 유량계를 검증하는 교정시스템을 개발하는 데 성공했다. 소비자가 지불한 금액만큼 정확한 양의 수소가 충전됨에 따라 상거래 신뢰도가 올라가고 수소차 보급에 날개를 달 것으로 전망된다. 

이번 시스템은 이동식으로 개발되어 전국 수소충전소 현장 어디서든 즉시 정확하게 교정할 수 있다.

친환경차의 대표주자로 자리 잡은 수소차는 충전한 수소가 화학반응을 일으켜 발생한 전기로 운행한다. 수소차는 한번 충전에 600 km까지 달릴 수 있어 400 km 수준의 전기차에 비해 에너지 저장 측면에서 매우 우수하다고 평가받고 있다. 

수소차의 뛰어난 저장 능력은 수소기체를 고압·저온의 가혹한 조건에서 충전함으로써 가능해진다. 제한된 저장탱크의 부피에서 충전효율을 높이기 위해서는 700 기압(bar)의 고압, 영하 40 ℃의 저온 상태를 유지해야 한다.

현재 수소충전소에서는 충전량에 따라 비용을 내고 있다. 충전기 내의 유량계가 계량하는 수소기체의 질량값에 의해 금액이 부과되는 방식이다. 이처럼 수소유량계는 수소 거래 비용의 공정성을 책임지는 역할을 하지만, 지금까지는 수소가 석유 등과 달리 고압·저온의 가혹 조건에 놓여 있기 때문에 유량 측정이 매우 어렵고 결과가 불확실했다. 



2018년 개정된 국제법정계량기구(OIML)의 규정에서는 수소유량계의 최대 허용오차를 1.5 % ~ 2.0 %로 정하고 있다. 하지만 현재 국내 충전소에서 사용하는 코리올리 유량계는 교정 시 상압, 상온에서 액체인 물을 이용한다. 정확도 검증과 향상을 위한 교정이 실제와 전혀 다른 조건에서 이루어져 오차가 얼마인지조차 파악하기 어려운 것이 실정이다. 



KRISS 강웅 책임연구원팀은 충전소에서 수소가 차량에 주입되는 방식처럼 수소유량계를 검증할 수 있는 수소 유량 현장교정시스템을 개발했다. 시스템의 저장탱크에 고압·저온 조건으로 수소기체를 충전하고, 수소기체의 질량을 국가측정표준으로부터 소급된 정밀 저울로 측정하면 유량계의 정확도를 평가할 수 있다. 

연구팀은 현재 실험실에서 해당 시스템으로 시중의 수소유량계를 평가*하고 있다. 이번 기술은 유량계가 설치된 수소충전기뿐만 아니라, 개별적인 유량계까지도 함께 평가할 수 있다.

* 현재 국내 법규상으로는 수소를 수소차 이외의 다른 곳에 충전할 수 없다. 이에 연구팀은 고압의 질소기체를 활용하여 실험했다. (2020년 현재 법안 개정 검토 중)

현재는 수소충전기의 유량계와 수소차의 저장탱크 각각에서 산출한 충전량 사이에도 차이가 발생하여 거래 신뢰성에 대한 문제가 제기되고 있다. 이번 기술을 통해 교정이 이루어지면 소비자와 수소충전소, 수소차 생산자에 이르는 연결고리에 높은 신뢰가 구축될 것으로 기대된다.

KRISS 강웅 책임연구원은 “지금까지는 소비자가 수소 충전을 위해 일정 금액을 지불해도 진짜 그만큼 충전됐는지 의심이 가는 상황이었다”라며 “현재 부처에서 검토 중인 관련 법안 개정이 이루어져 시스템을 현장에 적용한다면, 상거래 질서 확립은 물론 수소 충전 및 계량의 핵심 부품 국산화까지도 기대할 수 있을 것이다”라고 말했다.



이번 기술은 KRISS 주요사업인 수소융복합스테이션 신뢰성 측정표준 기술개발사업*의 하나로 개발되었으며, 현재 유럽측정표준협력기구 (EURAMET)의 수소차측정연구프로젝트에 참여하여 협력 연구를 진행하고 있다.
  
* 사업 책임: KRISS 소재에너지융합측정센터 백운봉 책임연구원


* 연구성과 추가 설명


○ 용어 설명
 
1. 교정(calibration)
- 국가측정표준체계에서 상위 단계와 하위 단계의 측정기술을 비교하여, 하위 단계의 수준을 상위 단계 수준으로 맞추는 것으로 정정(Correction)보다는 비교(Comparison)에 가까운 개념.
- 이번 기술은 국가측정표준체계에서 최상위 단계에 있는 질량표준(kg 원기)을 기반으로, 유량계가 측정하는 수소기체의 질량과 비교하여 정확도를 평가할 수 있다.

2. 수소충전소(hydrogen station)
- 수소차 내부 수소저장탱크에 고압(700 기압), 저온(영하 40도씨)의 수소기체를 충전하기 위한 설비로 수소스테이션이라고도 한다. 

3. 수소충전기(dispenser)



- 충전 노즐을 수소차의 주입구에 연결하여, 수소기체를 차량의 저장탱크에 주입하는 장치로서, 충전기 내부의 수소유량계(코리올리식 질량유량계)를 통해 수소차로 주입된 수소 충전량을 계량한다.

4. 코리올리 유량계(Coriolis flowmeter)


- 코리올리힘(Coriolis force)의 원리를 이용, 일정하게 진동하고 있는 배관에 흐르는 유체의 질량유량에 따라 배관의 비틀림현상이 비례하게 발생하는 방식으로 질량 유량을 측정하는 유량계.

5. 국제법정계량기구(OIML, International Organization of Legal Metrology)
- 계량기 사용 시 발생하는 행정상, 기술상의 문제점을 해결하기 위해 설립된 정부 간 국제기구로 법정 계량(Legal Metrology) 제도의 국제적 통일을 도모한다.


○ 연구성과 이미지 및 상세 설명



· 수소 유량 현장교정
- 수소충전소에서 수소전기차에 수소를 주입하는 동일한 방법으로 저장탱크에 수소를 충전하고, 충전된 수소기체의 질량을 국가측정표준(질량표준)으로부터 소급된 정밀저울을 이용하여 계량하는 방법. 이를 통해 수소충전기 내부의 수소유량계로 측정된 충전량과 비교하여 계량정확도를 검증할 수 있다.
- 또한 수소저장탱크 전단에 개별적인 수소유량계를 설치한다면, 저장탱크의 수소충전량과 개별 수소유량계의 측정된 수소충전량의 비교를 통해, 수소유량계를 교정할 수 있다.






○ 이번 기술 뭐가 다른가?

- 기존의 충전조건과 다른 유체상태, 다른 압력·온도조건에서 수소유량계를 교정하는 방식이 아닌, 국가측정표준으로부터 소급된 KRISS 수소유량 현장교정시스템을 통해 수소충전소에서의 수소차로의 실제 충전조건에서의 수소충전량 계량정확도를 검증하는 기술을 개발했다.


○ 어디에 쓸 수 있나?

1. 수소스테이션 수소충전기의 계량정확도 검증
- 현재 수소차의 충전에 사용되는 수소충전기의 계량정확도를 검증하여 수소충전소 운영자와 수소차 생산자, 수소차 소비자 간의 수소 상거래의 공정성을 확보할 수 있다.

2. 수소스테이션 인프라 성능 개선 연구
- 고압 및 저온의 수소기체의 안전하고 효율적인 충전을 위해 적용되고 있는 수소충전 프로토콜(SAE J2601) 검사를 통해 국내 수소충전소의 성능을 개선할 수 있다.

3. 수소유량계 국산화 연구
- 현재 국내 수소충전소의 충전기에 설치된 유량계는 전량 독일산 코리올리 질량유량계로, 수소 유량 현장교정시스템을 국내에서 연구, 개발되는 수소유량계의 성능평가에 사용한다면, 계량기 핵심 요소부품인 수소유량계의 국산화를 도모할 수 있다.

○ 지원사업 관련 정보

- 한국표준과학연구원 주요사업: 국가과학기술연구회 빅(BIG) 사업 중 하나인 ‘수소융복합스테이션 신뢰성 측정표준기술개발’ 사업의 지원을 받음.


 * 강웅 책임연구원 프로필



1. 인적사항
 · 성 명 : 강웅
 · 소 속 : 한국표준과학연구원 물리표준본부 열유체표준센터
 · 직 위 : 책임연구원  
 · 전 화 : 042-868-5319
 · e-mail : woong.kang@kriss.re.kr

2. 학력
 · 부산대학교 기계공학과 학사(1998~2002)
 · 카이스트 기계공학과 석사(2002~2004)
 · 카이스트 기계공학과 박사(2004~2009)

3. 경력사항
 · 2009.3 ~ 2011.1 삼성중공업 조선해양연구소 선임연구원
 · 2011.2~현재 : 한국표준과학연구원 열유체표준센터 책임연구원

4. 수상실적
 · 2004 : 대한기계학회 유체공학부분 우수학위논문상
  · 2013 : 한국가스학회 추계학술대회 우수논문상
 · 2018 : 한국유체기계학회 하계학술대회 우수발표논문상
 · 2018 : 한국수소및신에너지학회 추계학술대회 우수논문상
 · 2019 : APMP(아시아·태평양 측정표준 협력기구) 젊은 과학자상

5. 전문 분야 정보
 · 기체유량 국가 측정표준시스템 개발 연구
 · 수소 충전 유량 측정 기술 연구
 · 온실가스 배출 유량 측정기술 연구 

6. 발표논문 및 특허
 ·  “The impact of geometric parameters of a S-type Pitot tube on the flow velocity measurements for greenhouse gas emission monitoring” Flow Measurement and Instrumentation 67, 10-22, 2019 등 SCI급 17편 
 ·  "열식 질량 유량계 및 열식 질량 유량 측정 시스템" 등 국내외 특허 11건



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