무분별한 화석연료 사용과 전 세계적으로 발생한 팬데믹(COVID-19) 이후 기후 위기의 심각성 인식이 크게 증가하였다. 이에 따라 세계 주요국에서는 구체적인 탄소중립 정책을 단계적으로 발표하여 빠른 속도로 기후 위기 대응 체제에 돌입하고 있다¹⁾.

이 중 수소에너지는 기후 위기 대응에 필요한 미래의 청정 에너지원으로 부각되고 있으며 세계 주요국에서는 탄소경제에서 수소를 주 에너지원으로 사용하는 수소경제(hydrogen economy)^2,3) 시대로 전환을 추진하고 있다.

국내에서도 2020년 4월 수소산업 발전을 위한 중장기 로드맵을 발표하는 등 수소 모빌리티를 포함한 수소경제 활성화를 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 수소 모빌리티 분야에서 수소전기차 및 수소충전소 보급은 해마다 증가하고 있으며 정부는 2030년까지 660기, 2040년까지 1,200기의 수소충전소(충전 인프라) 보급을 목표로 하고 있다⁴⁾.

국내뿐만 아니라 세계 주요국에서도 수소 모빌리티 확충 계획을 수립하고 있다. Table 1은 연도별 세계 주요국의 수소충전소 보급 계획을 나타내고 있다⁵⁾. 이를 보면 국내와 마찬가지로 세계 주요국에서도 수소경제 시대로의 전환을 추진하고 있음을 확인할 수 있다.

성공적인 수소 모빌리티로의 전환을 위해서는 수소충전소와 같은 수소 인프라의 선제적 구축이 필수적이다.

특히 수소충전소는 수소 생산에서부터 최종 수요자에게 공급되기까지의 과정 전반에서 연료 청정성을 유지하는 역할을 하며 기존의 화석연료 기반 인프라를 대체하는 핵심 기반 시설로 정부가 제시한 수소산업 로드맵에서 중요한 역할을 차지하고 있다.

그러나 수소충전소의 보급은 정부 계획에 비해 지연되고 있는 실정이다. 이와 같은 인프라 구축의 지연은 수소전기차 이용자에게 충전 편의성과 접근성 측면에서 불편을 초래하고 있으며 이는 수소 기차의 구매를 고려하는 잠재적 소비자에게 심리적 장벽으로 작용하고 있다. 이로 인하여 수소전기차의 실제 보급은 기대에 미치지 못하고 있으며 수소 경제 확산에도 부정적인 영향을 미치고 있다.

Table 2는 정부가 제시한 연도별 수소충전소 보급 계획과 실제 구축 현황을 비교한 것이다. 최근 3년간 충전소 보급률은 89.3%로 계획 대비 구축 실적이 미진한 수준임을 확인할 수 있다.

수소충전소 구축 지연의 주요 원인으로는 핵심 부품에 대한 국내 원천 기술 부재가 지적된다. 현재 수소충전소 핵심 구성 요소 중 고압밸브, 레귤레이터, 수소 저장 용기 등은 전량 해외에서 수입되고 있으며 이에 따라 충전소 부품의 전체 국산화율은 40%에 불과하다는 조사 결과가 보고된 바 있다^5-7).

이러한 점은 단순한 수입 의존 문제를 넘어 충전 인프라의 공급 안정성과 기술 주권 확보 측면에서도 심각한 위험 요인이다. 특히 글로벌 공급망 변동성이 커지는 가운데 국산화율 제고는 수소경제 자립의 핵심 사항으로 볼 수 있다.

Table 3은 연도별 수소충전소 핵심 부품 국산화율을 정리한 것이다. 2024년 기준 수소충전소 핵심 부품 5종 중 압축기 및 냉동기의 국산화는 완료된 반면 고압밸브, 디스펜서 수소 저장 용기 등의 부품은 아직 국산화 진행 중에 있다. 이를 통해 향후 수소충전소의 안정적인 구축 및 운영을 위해서는 국산화가 완료되지 않은 핵심 부품의 국산화 추진이 시급하다는 점을 확인할 수 있다.

창원산업진흥원은 기체 수소충전소 9개소를 운영하고 있는 기관으로 실제 운전 환경에서의 부품 유지 보수 및 성능 이력 데이터를 축적하고 있다. 실제 이력 분석 결과에 따르면 고압 릴리프밸브는 체크밸브나 유량 조절 밸브 등 타 고압밸브에 비해 고장 발생 빈도가 높고 파손의 심각성도 상대적으로 크게 나타났다.

이에 따라 본 논문에서는 고압 릴리프밸브를 국산화 우선 대상 부품으로 선정하고 해당 부품의 내구성 향상 및 국산화를 위한 기술 개발을 추진하고자 한다.

수소충전소에 사용되는 릴리프밸브는 배관 내 압력이 설정된 한계값을 초과하지 않도록 과도한 압력을 방출하여 시스템을 보호하는 역할을 수행하며⁸⁾ 인적, 물적 피해를 예방하는 핵심 안전 부품이다^9,10).

그러나 실제 수소충전소 운영 과정 중 초고압¹¹⁾에서 해외 선진사 릴리프밸브의 파손으로 작동 불능 사례가 발생하여 충전소 운영이 중단되는 등 안전성 및 신뢰성 확보에 어려움이 있었다. 이에 따라 해당부품의 성능적 취약성 개선과 기술적 대안 마련의 필요성이 제기되고 있다.

Fig. 1은 실제 수소충전소에 설치된 해외 선진사 릴리프밸브의 설치 사진과 파손 부위를 보여준다.

Fig. 1. 
Damage patterns in foreign products

본 논문에서는 해당 제품의 설계 구조와 재료 특성을 분석하고 구조 해석을 통해 취약 부위를 도출함으로써 개선된 릴리프밸브의 개발을 목표로 연구를 수행하였다

Fig. 2는 실제 수소충전소에 설치된 비교 대상 제품인 릴리프밸브의 3D 형상을, Fig. 3은 해당 밸브에 대한 구조 해석 결과를 나타낸 것이다.

Fig. 2. 
3D modeling of foreign products

Fig. 3. 
Structural analysis results of foreign products

구조 해석은 상용 유한 요소 해석 프로그램인 ANSYS Mechanical (Ansys, Canonsburg, PA, USA)을 활용하여 수행되었으며 해석 조건은 밸브 릴리프 설정 압력인 105 MPa로 설정하였다.

해석 결과 밸브 몸체에서는 내부 압력에 의해 발생하는 최대 응력이 약 400 MPa 미만으로 분석되어 구조적으로 비교적 안정적인 것으로 판단되었다. 그러나 밸브 콘의 가이드 역할을 하는 부품에서 최대 851.8 MPa의 응력이 발생하였으며 이는 실제 현장에서 파손이 발생한 부품 및 위치가 일치하는 것으로 확인되었다.

해당 부품은 밸브 핸들 측으로 오일이 누설되지 않도록 O-ring이 설치되는 부분으로 얇은 rib 형태로 되어 있다. 반복적인 고압 유동이 O-ring 측으로 전달됨에 따라 응력 집중이 발생되어 파손의 위험이 높은 구조적 취약 지점으로 분석되었다. 재료의 기계적 강도 차이에 따라 수명 차이가 발생할 수 있으나 초고압 운전 조건에서 반복 하중이 가해지는 수소 충전 시스템 특성상 해당 부품의 내구성 확보는 필수적이다.

초기에는 해당 제품이 일반 탄소강 계열 재질로 제작되었을 것으로 추정하고 내구성 개선을 위한 재료 변경을 고려하였으나 Table 4에 제시된 성분 분석 결과에 따르면 비교 대상 제품은 Cr 약 18%, Ni 약 7%, C 약 1.3%의 조성을 가지는 것으로 확인되었다. 이는 높은 내마모성 및 피로 수명을 확보한 고성능 소재임에도 불구하고 구조적 취약부에서 파손이 발생한 사례로 단순한 재료 보강만으로는 근본적인 내구성 문제 해결에 한계가 있음 시사하고 있다.

따라서 본 논문에서는 구조적으로 응력 집중을 최소화하고 반복 하중에 대한 저항성을 높일 수 있는 최적화 설계 방향을 채택하였다.

본 논문에서는 해외 제품 대비 내구성 향상을 목표로 압력 1,000 bar, 사용 온도 -40℃에서 85℃의 조건을 만족하는 수소 충전 시스템에 적합한 고압 릴리프밸브를 설계하였다. 밸브의 주요 재료는 크롬-몰리브덴 강인 SCM440을 적용하였으며 이를 통해 밸브 본체의 기계적 신뢰성과 내구성을 확보하고자 하였다. 또한 해외 선진사 제품에서 응력 집중 문제가 확인된 유동 구간의 구조를 개선하고자 밸브 콘의 작동 메커니즘을 변경하였다.

기존 해외 제품은 플러그 가이드의 외측에 O-ring을 설치하는 방식으로 누설을 방지를 위한 rib 구조를 포함하고 있으나 해당 구조는 고압 환경에서 반복 작동 시 구조적 안정성이 낮은 것으로 분석되었다. 이에 본 연구에서는 구조적 취약부인 플러그 가이드를 제거하고 볼 체크밸브 구조를 채택하여 단순화된 설계를 적용하였다. 이를 통해 O-ring 설치에 따른 누설 발생 가능성을 최소화하고 밸브 전체의 내구성과 신뢰성을 향상시키고자 하였다.

Fig. 4는 설계된 시제품의 3D 모델링 형상을 제시한 것이다.

Fig. 4. 
3D modeling of developed products

Fig. 5는 제작된 릴리프밸브 시제품의 구조적 성능을 평가하기 위하여 구조 해석을 수행한 결과이다. 해석 조건은 비교 대상인 해외 선진사 제품과 동일하게 밸브 내부 오일의 릴리프 설정 압력 105 MPa로 설정하였다.

Fig. 5. 
Structural analysis results of developed products

시제품에서는 최대 응력이 602 MPa로 나타났으며 일부 좁은 면적이 집중된 replace seat 부위에서 발생하였다. 사용된 SCM440 소재의 최소 항복 강도가 834 MPa임을 고려할 때 해당 부품은 응력 허용 범위 내에서 안정적으로 작동할 수 있으며 약 1.38의 안전율(safety factor)을 확보하였다.

또한 동일한 조건에서 구조 해석한 해외 선진사 제품과 비교하였을 때 시제품은 최대 응력이 약 29% 감소한 것으로 나타났다. 이는 기존 제품의 구조적 취약부를 분석하여 설계를 개선한 결과이며 구조적 안정성 확보에 효과적임을 구조 해석 결과로 확인하였다.

아울러 제작된 릴리프밸브 시제품의 작동 및 이상유무를 확인하기 위하여 실제 수소충전소 현장에 시제품을 적용하였으며 Fig. 6은 수소충전소 현장에 적용된 사진이다. 실제 수소충전소 고압 환경에서의 성능 검증을 통해 고압 릴리프 밸브의 국산화 가능성 확인하였다.

Fig. 6. 
Field application of developed products