연료 전지 시스템의 "성능 전사"를 살펴보겠습니다.

이는 업계가 "좋은 연료전지 시스템이란 무엇인가?"라는 핵심 질문에 대한 더욱 명확한 답을 찾았음을 의미합니다. 연료전지 시스템은 실질적인 행동으로 이 질문에 답하고 있습니다. 허우준보 박사는 자동차와 발전이라는 두 가지 주요 시나리오에 초점을 맞춰 시스템 안정성, 신뢰성, 수소 소비량, 고장률, 수명 등 핵심 지표의 설계 및 공정 반복을 최적화하는 데 주력했으며, 그 결과 자동차 엔진 시스템과 수소 에너지 저장 발전 시스템이라는 두 가지 탁월한 제품을 업계에 선보였습니다.

자동차 분야에서 당사는 30kW~235kW의 출력 범위를 갖는 일련의 연료 전지 엔진 시스템 개발을 완료했으며, 이는 승용차, 시내버스, 경·중·대형 트럭, 지게차, 트레일러, 건설 기계 등 다양한 차량에 널리 사용될 수 있습니다.

자동차용 연료전지 엔진 제품 (왼쪽 70kW, 오른쪽 235kW)

그중에서도 HYPSR-04 모델 70kW 온보드 시스템을 장착한 수소 연료 전지 버스 17대가 최근 인상적인 운행 실적을 보여주었습니다. 이 버스들은 저장성 자싱시 자산현에서 약 1년 반 동안 연속 운행하며 총 80만 킬로미터를 주행했고, 평균 수소 소비량은 100km당 3.7kg으로 업계 평균인 100km당 5kg보다 훨씬 낮아 자산시의 대중교통 에너지 절약 및 환경 보호 전환에 상당한 이점을 보여주고 있습니다.

자산현 버스

구매 비용 외에도 100km당 에너지 소비량은 차량의 가장 중요한 경제 지표 중 하나입니다. 연료전지차의 상용화를 위해서는 모든 단계에서 지속적인 비용 절감을 추진하는 것 외에도 운행 중 차량 사용 비용을 줄이고 수소 소비량을 감소시켜 연비를 향상시키는 것이 매우 중요합니다. 낮은 수소 소비량을 달성한 운행 데이터는 연료전지 시스템과 차량 출력 매칭에 있어 탄탄한 기술적 기반을 갖추고 있음을 입증합니다.

또한, 낮은 고장률은 실제 운행에서 이 버스들의 또 다른 주요 장점입니다. 70kW 수소 연료 전지 시스템은 일상적인 버스 운행 요구를 충족할 뿐만 아니라, 장기간 고빈도 사용에도 불구하고 큰 고장 없이 안정적이고 효율적인 전력을 공급할 수 있어 복잡한 도로 조건과 변화하는 기후 조건에도 뛰어난 적응성을 입증합니다.

"총 주행거리는 80만 킬로미터에 달하며, 평균 연료 소비량은 100킬로미터당 3.7kg에 불과합니다. 다양한 환경에서 원활하게 작동하는 것은 당사 수소 연료 전지 기술의 신뢰성과 실용성을 입증하는 최고의 사례이며, 수소 연료 전지 기술의 엄청난 잠재력을 보여줍니다. 수소 연료 전지의 적용은 자산시와 전체 대중교통 산업에 광범위한 영향을 미칠 뿐만 아니라, 더 많은 도시들이 친환경 버스를 도입하는 데 중요한 참고 자료가 될 것입니다."

신에너지 자동차는 개발 초기 단계에서 안정성과 신뢰성에 대한 의문을 항상 제기받는데, 수소 연료전지 자동차도 예외는 아닙니다. 연료전지 회사들이 출시하는 각 차량은 시장 성능 테스트뿐만 아니라 지방 정부와 운영업체, 나아가 전체 산업에 대한 신뢰도 검증이라는 과제에 직면합니다.

리위안 테크놀로지는 시장의 신뢰를 얻고 자동차 연료전지 시스템의 안정성과 내구성을 보장하기 위해 시스템 아키텍처 설계, 고장 진단 메커니즘, 작동 상태 모니터링에 탁월한 노력과 노하우를 쏟아부어 모든 단계를 정밀하게 다듬고, 과학 기술의 힘으로 품질의 기반을 구축하여 안전성과 신뢰성을 제품의 차별화된 특징으로 만들었습니다.

"엔진 제어 시스템에 고장 진단 체계를 구축하여 공기 통로 압력 이상, 수소-공기 압력 차이 과다, 수소 압력 이상, 냉각수 회로 압력 저하, 냉각수 온도 상승, 배수 밸브 막힘 등 주요 고장 유형을 신속하게 진단할 수 있도록 했습니다. 또한 심각한 결과를 초래할 수 있는 고장에 대해서는 스택 손상을 최대한 방지하기 위한 보호 대응 메커니즘을 마련했습니다."라고 허우준보 박사는 설명했다.

동시에, 각 온보드 연료 전지 시스템은 TBOX(아래 그림 참조)와 통합되어 있어, 장기간에 걸쳐 발생하는 성능 저하를 실시간으로 모니터링하고 제어 시스템에 경고하며, 이에 상응하는 고장 복구 전략을 제공합니다. TBOX 기반의 실시간 데이터 업로드 시스템은 연료 전지 엔진 시스템의 작동 상태를 원격으로 모니터링하고 원격으로 고장 진단을 수행할 수 있습니다. 또한, 지속적으로 확장되는 작동 데이터 세트를 활용하여 데이터 내에 포함된 고장 정보를 분석, 학습 및 추출하고, 데이터 기반 지능형 진단 메커니즘을 지속적으로 개선할 수 있습니다.

TBOX 원격 단말기 모니터링 시스템

높은 안정성, 낮은 수소 소비량, 그리고 내구성을 갖춘 연료 전지 시스템 특성 덕분에 이 "신예" 연료 전지는 수조 달러 규모의 수소 자동차 시장에 새로운 가능성을 열어주었다는 것은 의심의 여지가 없습니다.

자동차 분야 외에도 고정형 발전 분야는 지속적으로 육성되고 있는 응용 시나리오 중 하나입니다. GGII는 2030년까지 국내 연료전지 에너지 저장 발전의 누적 설치 용량이 5GW에 달할 것으로 예상하며, 2023년부터 2030년까지 연료전지 발전 시스템의 추가 시장 규모는 240억 위안을 넘어설 것으로 전망합니다.

모듈화, 지능화, 안정성 및 내구성, 신뢰성이라는 네 가지 핵심 성능에 초점을 맞춰 고정형 발전 시스템이 이미 수소 에너지 저장 시장에 진출했습니다.

캐비닛형 발전 모듈의 정격 출력은 100kW이고 출력은 380V AC입니다. 컨테이너형 모듈의 정격 출력은 1MW이고 출력은 10kV AC입니다.

캐비닛형 발전 모듈(왼쪽), 컨테이너형 발전 모듈(오른쪽)

발전 모듈은 독립적으로 작동할 수 있으며, 다중 모듈 병렬 확장을 지원합니다. 변압기 장비 및 에너지 저장 장치와 결합하여 100kW에서 100MW까지 분산 발전 용량을 유연하게 확장할 수 있습니다. 표준화된 생산, 통합 운송, 간편한 현장 시공 등의 특징을 갖추고 있습니다.

둘째, 각 발전 모듈 제품은 독립적인 자체 제어 기능을 갖추고 있어 전체 발전 시스템의 지능화를 보장하고 수소 소비 감소 및 배출량 감축이라는 목적을 달성합니다.

컨테이너형 모듈에는 4개의 연료전지 시스템이 내장되어 있습니다. 마이크로그리드 컨트롤러는 외부 명령을 수신하여 각 연료전지 시스템과 인버터에 제어 신호를 전송합니다. 여러 모듈을 병렬로 운전할 경우, 각 연료전지 시스템의 작동 데이터가 모듈 수준에서 통합 지능형 ​​에너지 관리 시스템에 고속 실시간으로 연결되어 클라우드 기반의 중앙 집중식 스케줄링 및 원격 운영/유지보수가 가능해집니다.

지능형 에너지 관리 시스템은 스택 수준에서 각 연료 전지의 출력 전력을 실시간으로 최적화하고, 각 스택의 평균 효율을 향상시키며, 시스템의 총 수소 소비량을 줄이고, 전력 변동률 제약을 고려하여 스택 성능 저하를 지연시킬 수 있습니다. 시스템 수준에서 에너지 관리 시스템은 전력 소비 모드를 자체적으로 조절하는 기능을 갖추고 있어 전력 소비 특성에 따라 최적의 발전 모드를 자동으로 적용함으로써 잦은 시동/정지, 빈번한 부하 변동 등 손실이 큰 상황을 방지합니다.

셋째, 고정형 발전 설비는 연료전지 제품의 안정성과 내구성에 대한 요구 조건이 매우 높습니다. 리위안 테크놀로지는 소재, 부품, 시스템 수준까지 최적화를 진행해 왔습니다. 예를 들어, PEM, GDL, 촉매와 같은 핵심 원자재 선정 및 MEA 구조 최적화를 통해 막전극 연구개발팀은 4층 프레임 구조의 막전극을 개발하여 고정형 발전소에 필요한 긴 수명의 MEA를 구현했습니다. 또한, 시동/정지, 가변 부하, 고/저 부하 등 다양한 작동 조건에서 시스템의 응답 전략을 최적화함으로써 양성자 교환막, 촉매, 가스 확산층 등의 재료 손실을 방지하고 스택의 수명을 연장했습니다.

넷째, 시스템 설계 및 제어 단계에서는 연료전지 스택의 신뢰성을 향상시키기 위해 다양한 방법을 조합하여 사용합니다.

공기 공급 시스템을 위해 공기 압축기와 배압 밸브의 통합 제어 방식이 개발되었으며, 이를 통해 공기 흐름과 흡입 압력을 분리하여 두 장치가 시스템 요구 사항에 신속하고 정확하게 대응할 수 있을 뿐 아니라 작업 조건 및 환경 조건이 크게 변하는 상황에서도 강력한 안정성을 유지할 수 있습니다. 따라서 가변 부하 조건에서 공기 공급 부족으로 인한 굴뚝 손상을 효과적으로 방지할 수 있습니다.

수소 순환 시스템에 적용 가능한 수소 이젝터 비례 밸브 피드포워드 + 적응형 폐루프 제어 방식이 개발되었다. 이 방식은 수소 방출 밸브 개방 시점과 비례 밸브 개방 변화 시점을 정확하게 일치시켜 수소 방출 밸브 개방으로 인한 막 전극 양쪽의 압력 변동을 효과적으로 억제하고 막 전극 천공 위험을 크게 줄일 수 있다.

본 연구에서는 막 수분 함량 상태 관측기를 설계하여, 양극 수소 유량 추정치와 음극 스택 입구 및 출구 압력 차이를 기반으로 스택의 양극 및 음극 측 액체 수분 함량을 추정하고, 수소 방출 밸브 개방 시간 및 공기 과잉 비율을 조절하여 막 수분 함량을 실시간으로 적정 범위 내로 제어함으로써 막 건조 및 침수 고장 발생 빈도를 효과적으로 줄였다.

"당사의 연료전지 발전 시스템은 진정으로 안정적이고 신뢰할 수 있으며, 다양한 규모의 고정식 발전소에 적합합니다."라고 리위안 테크놀로지는 결론지었습니다.

회사 공장 부지 내 무탄소 스마트 에너지 시범 사업에서 수전해를 이용한 수소 생산과 연료전지 발전을 결합한 발전소가 안정적으로 가동 중이며, 전기-수소-전기 변환 효율이 35%에 달해 업계 최고 수준의 효율을 달성하고 있는 것으로 알려졌습니다.

산업적인 측면에서 볼 때, 장기 에너지 저장 기술의 대표적인 사례인 수소 에너지 저장은 신에너지 저장에 대한 공식 지원 대상에 포함되었습니다. 수소 생산, 저장 및 운송 비용이 절감됨에 따라 분산형 발전 장치가 더욱 활성화될 것으로 기대됩니다.

연료전지 발전은 아직 개발 초기 단계에 있으며 극복해야 할 많은 어려움과 과제에 직면해 있지만, 업계의 선구자로서 미래지향적인 비전과 확고한 발걸음으로 응용 시나리오를 심층적으로 탐구하고 기술적 난관을 하나씩 극복하며 연료전지 발전 응용 분야의 발전을 위한 견고한 길을 열어왔습니다.