날로 심각해지는 지구온난화와 이로 인해 초래되는 기후 위기는 이제 인류의 생존을 위협하는 수준까지 도달하고 있다. 다양한 분야에서 에너지 사용을 저감하고 온실가스 배출을 억제할 필요성에는 이견이 없지만 어느 나라도 아직까지 만족할 만한 수준의 온실가스 배출 저감에는 도달하지 못하고 있다¹⁾. 이러한 심각한 상황을 반영하듯 최근 개최된 유엔 산하 기후변화협약 당사국 총회²⁾에서는 2030년까지 인류가 기후 시스템에 간섭할 수 있는 온도 상승 한계점을 1.5℃라고 표현하였다³⁾.

지구온난화와 기후 변화는 이산화탄소를 비롯한 온실가스 배출로부터 기인한다. 많은 국가들이 이를 저감하기 위한 다양한 정책을 도입하고 있고 산업 전반의 다양한 섹터(sector)에서 각자 가장 효율적인 이산화탄소 배출 저감 대책을 수립하고 있다⁴⁾.

이산화탄소의 배출 섹터는 발전(에너지), 수송, 산업, 건물 등 다양하게 구분되는데 이 중 수송 분야도 상당한 부분을 차지하고 있다. 수송 분야는 타 분야와 달리 배출원이 분산되어 있고 이동하기 때문에 배출량 저감이 상대적으로 어렵다. 수송 분야에 대한 국가별 통계는 서로 다르지만 대략 27% 정도의 이산화탄소가 수송 분야에서 배출되고 있다⁵⁾. 우리나라와 일본의 경우 각각 15.9%와 18.3%, 미국의 경우 29.9%의 이산화탄소 배출이 도로 기반 수송 섹터에서 발생하고 있다²⁾. 따라서 도로 운송 부분에서 이산화탄소 배출을 줄이는 것은 온실가스 저감과 기후 변화 대응을 위해 상당히 중요하고 시급한 과제라 할 수 있다. 2030 국가 온실가스 감축목표(nationality determined contributions)에 따르면 2018년 정부는 국내 수송 부분의 온실가스 감축목표를 28.1%로 설정하였고, 2021년에는 이를 37.8%로 상향 조정하였다⁶⁾.

도로 운송 부분의 이산화탄소 배출원은 일반 승용차량도 있지만 트럭도 있다. 화물을 운반하는 트럭은 단위 차량당 배출량이 크고 운송 거리가 길기 때문에 많은 이산화탄소를 배출한다. 또한 승용차량의 경우 하이브리드차, 전기차, 수소차 등 다양한 저감 방안이 존재하지만 대형 트럭에서는 전기 파워트레인을 사용하는 것이 제한적이다. 트럭의 경우 장거리 운전이 많고 무거운 화물 운송에 따라 고출력 운전이 필요하기 때문에 연료전지 기반의 수소 전기 트럭이 일반 배터리가 장착된 형태보다 더 적합한 것으로 평가되고 있다⁷⁾. 연료전지 기반의 수소 전기 트럭은 연료전지 시스템이 기본 전력을 생산하며 배터리에 저장된 에너지로 순간적인 최대 출력을 공급한다⁸⁾. 도로 운송용 연료전지 차량에는 주로 고분자 전해질 연료전지(polymer electrolyte membrane fuel cell, PEMFC)를 탑재한 연료전지 파워트레인이 사용된다⁹⁾. 우리나라 현대자동차(Seoul, Korea)에서는 엑시언트 모델에 연료전지 파워트레인을 장착하여 수소 전기 트럭을 제조하고 있으며 내수 시장과 유럽 시장을 대상으로 판매를 진행하고 있다¹⁰⁾.

연료전지 차량의 보급이 확대되면서 승용차량에 대한 동적 모델 개발과 차량 연계 시뮬레이션 연구는 활발하게 진행되었으나^11-15) 연료전지 탑재 수소 전기 트럭에 대한 연구는 상대적으로 많이 진행되지 않았다. 본 논문에서는 PEMFC 스택을 탑재한 대형 트럭의 동적 시뮬레이션 모델을 개발하고 차량 모델과 연계하여 트럭의 운전 부하를 반영하여 연료전지 스택의 동적 거동을 모사하는 연구를 진행하였다. 그리고 개발된 시뮬레이션 모델을 기반으로 출력 부하 변동에 따른 연료전지 스택의 온도와 캐소드에서 배출되는 공기의 온도와 습도 변화를 예측하여 연료전지 스택의 운전 안정성을 확인하고자 하였다. 모델 개발을 위하여 Mathworks (Natick, MA, USA)의 Simulink와 Simscape 프로그램을 사용하였고, 연료전지 스택과 구동 장치(power train)를 모사하였다.

연료전지 트럭의 가속 페달이 시스템의 부하로 입력되면 해당 속도로 차량이 운행되도록 모터 및 동력부가 제어되는 방식으로 모델을 구성하였다. 기본적인 부하 변동 패턴에 따른 연료전지 스택의 동적 거동을 분석하였으며 이를 바탕으로 대형 트럭의 운행 모드를 부하 입력으로 적용하여 가속 페달 입력에 따른 연료전지 및 배터리의 동적 특성을 분석하였다.

본 연구에서는 연료전지 기반의 구동 장치를 사용하는 대형 트럭을 모델링하였다. 대형 트럭의 경우 중량이 큰 차량을 움직이는 것이기 때문에 일반 승용차와는 다르게 페달 작동 시 가속 및 감속이 빠르게 되지 않는 특성이 있다. 본 연구에서는 연료전지 트럭 모델에 임의의 운전 부하를 반영하여 공차 중량 및 GCW 시의 배터리와 연료전지의 출력 거동을 분석하였다.

트럭 거동의 경우 차량의 중량에 따라 출력 속도가 입력 부하 속도에 추종하는 정도에 차이가 발생하였으며 고중량으로 운행하는 경우 급가속 시 차량 속도가 느리게 증가하는 결과가 나타났다. 연료전지 출력값의 경우 차량 중량이 작을수록 차량 속도 변화가 수월하기 때문에 더 급격한 전압 변화가 나타난다. 따라서 차량 중량에 따른 차량 속도 변화는 향후 차량 운전 시 연료전지 스택의 degradation에 영향을 미칠 것으로 예상된다.