중국 연구진, 수소연료전지 구동 CO₂ 히트펌프에 PCM 축열 결합 시뮬레이션

pv magazine · 2026년 9월 30일 · EnergyNews 요약

중국 둥관이공대학과 중산대학 연구진이 양자교환막 연료전지(PEMFC), CO₂ 히트펌프, 상변화물질(PCM) 축열조를 결합한 난방 시스템의 작동을 MATLAB으로 시뮬레이션했다. 시스템은 각 20개 셀로 구성된 PEMFC 스택 30개가 CO₂ 히트펌프 압축기에 직접 전력을 공급하며, 축열조에는 길이 0.4m·지름 0.05m의 헥사데칸 충전 튜브 100개가 들어간다.

연구진은 주변 온도와 연료전지 양극·음극 입구 온도를 2C에서 34C까지 각각 변화시켰고, 음극 입구 온도가 성능 지표에 가장 큰 영향을 미친 것으로 나타났다. 음극 입구 온도가 2C에서 34C로 상승할 때 수소-열 변환계수는 28.458kWh/kg에서 36.825kWh/kg으로 29.4% 상승하고 수소-전기 변환계수는 8.825kWh/kg에서 14.206kWh/kg으로 60.97% 올랐으나, 시스템 성적계수(COP)는 3.225에서 2.592로 19.63% 하락했다.

일일 온수 수요 75리터, 온도 상승 40C 조건에서 PCM 축열조가 약 3.5kWh의 열에너지를 공급해 수요를 충족할 수 있다고 추정했다. 연구 결과는 학술지 Results in Engineering에 'Impact of thermal boundary conditions on hydrogen-driven CO₂ heat pump with PCM' 제목으로 게재됐다.

이 글에 나온 용어

히트펌프COP

heat pump

히트펌프는 전기로 냉매를 압축·팽창시켜 낮은 온도의 열을 끌어올려 높은 온도의 공간으로 옮기는 장치다. 열을 만들어내는 것이 아니라 옮기는 것이므로, 투입한 전력량보다 더 많은 열을 공급할 수 있다. 이 성능을 나타내는 지표가 COP(성적계수)로, COP = 공급한 열에너지 / 투입한 전기에너지 로 정의되는 무차원 값이다. 전기 저항식 히터의 COP 가 1 인 데 비해 히트펌프는 조건에 따라 1 보다 크며, 바깥 공기가 차가울수록 끌어올려야 할 온도차가 커져 COP 는 낮아진다. 실무에서는 정격 조건의 COP 뿐 아니라 한 계절 전체 평균 성능을 나타내는 SCOP 나 냉방 기준 지표도 함께 본다. 건물 난방을 전기로 전환하는 수단으로 다뤄져 제로에너지건축물 설계에서 자주 등장한다.

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연구 결과는 그린수소가 전력 조달 방식 최적화만으로는 경제성을 확보하기 어렵고 장기 수익 보장 제도가 변수임을 수치로 제시한다. 프랑스의 예산법안과 유럽 내 연료전지 철도·항만 장비 수주는 수소 수요처 형성 단계의 지원 제도와 실제 적용 사례를 함께 보여준다.

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