[기획특집: 그린수소 기술혁신 및 활용(수소 전주기 기술)] 연료전지 안전기준 개발 현황

1. 서 론

1)

기후변화 문제는 현대사회가 해결해야 할 가장 큰 과제 중 하나로 이를 해결하기 위하여 전 세계 적으로 신재생에너지, 탄소중립 등 친환경적인 에 너지로의 에너지 패러다임 변화가 가속화되고 있 고, EU, 미국, 일본 등 선진국을 중심으로 2050년 탄소중립 목표를 선언하였다[1]. 국내에서도 2050 년 탄소중립 목표를 선언하고 온실가스를 감축하 기 위한 이행으로 대통령 직속 ‘2050 탄소중립위 원회’를 설치하여 친환경에너지로의 에너지 전환 정책에 강력한 메시지를 전달했다. 더불어, 국내 대기업을 중심으로 기업에서 사용하는 전력량의 100%를 재생에너지로 사용하겠다는 목표인 RE100 (Renewable Energy 100%)에 참여하는 기업들 수 가 증가하는 등 정부뿐만 아니라 산업체에서도 적

교신저자(E-mail: [email protected])

극 동참하고 있다.

태양광 및 풍력 등 재생에너지의 확대는 에너지 지속성이 높은 연료전지를 활용할 수 있는 기반을 조성할 수 있다. 태양광과 풍력의 단점은 에너지 원인 태양의 일조량과 바람세기가 일정하지 않아 간헐적인 발전을 하는데, 재생에너지의 발전량이 급격히 높아지면 잉여 전력이 발생하게 된다. 이 때 발생되는 잉여 전력을 이용하여 수전해를 통해 수소를 생산하고 필요한 전력을 연료전지로 발전 할 수 있다. 새만금에 태양광 및 풍력 발전 등 재 생에너지 3020 이행계획에 의해 잉여 전력의 양은 증대되고 이를 활용할 수 있는 연료전지의 보급이 확대될 것으로 예상된다[2].

이산화탄소는 주로 탄화수소 연료의 연소과정 에서 발생되며, 지구 온난화 지수는 낮지만 전체 온실가스의 대부분을 차지한다. 대기 중에서 배출 되는 이산화탄소를 고정시키거나 재사용 가능한 이산화탄소를 ‘회색탄소(gray carbon)’라 부르며,

연료전지 안전기준 개발 현황

최 재 욱ㆍ이 정 운

^†

Current State of Development on Fuel Cell Safety Code

Jae Uk Choi and Jung Woon Lee^†

Institute of Gas Safety R&D, Korea Gas Safety Corporation, Chungcheongbuk-do 27738, Republic of Korea

Abstract: 2019년 정부의 ‘수소경제 활성화 로드맵’ 발표 후 수소연료전지 보급에 추진 동력원이 되었고, 2020년 2월

‘수소경제 육성 및 수소안전관리에 관한 법률’이 세계 최초로 제정되면서 수소연료전지의 안정적인 보급 확산을 견인 하고 있다. 수소안전관리에 의한 법률에 의해 수소용품 4종 및 수소사용시설 1종에 대한 KGS Code 3종(수소추출설 비, 고정형 연료전지, 수소연료사용시설)이 2021년 7월 제정되었고, 8월 2종(수전해설비, 지게차용 이동형 연료전지) 이 추가 제정되어 2022년 2월부터 수소용품 및 시설에 대한 안전관리가 시작된다. 연료전지의 안정적인 보급을 위해 서는 국내에 적합한 안전기준 개발이 필수적이다. 또한 신규 출현되는 제품 및 시설의 개발⋅보급 시기에 맞추어 안전 기준 개발이 병행되어야 할 것이다. 본고에서는 고정형 및 이동형 연료전지의 국내외 안전기준 분석 및 위험요소 분석 등을 통한 연료전지 안전기준 개발 현황을 소개하고자 한다.

Keywords: stationary fuel cell, mobile fuel cell, product safety, facility safety, code & standard

고정시키거나 재사용할 수 없고 대기 중으로 배출 되는 이산화탄소를 ‘블랙카본(black carbon)’이라 한다[3]. 수소를 연료로 하는 연료전지는 이산화탄 소 배출에 자유롭지만, 현재 국내에서 대부분 설 치되어 운영 중인 가정용, 건물용 및 발전용 연료 전지는 도시가스 및 LPG를 개질하여 수소를 스택 에 공급하여 전기화학반응에 의하여 전기와 열을 생산하는 방식이어서 기존 연소방식에 비해서는 40% 이상 이산화탄소의 발생을 저감시키지만 여 전히 이산화탄소를 발생시킨다. 최근에 탄화수소 연료를 이용한 연료전지의 이산화탄소를 고정 및 재사용하는 기술들이 다양하게 개발되고 있다[4-5].

연료전지의 특성상 다양한 응용처 및 환경하에 보급되어지는 연료전지의 보급확대를 위해서는 안전기준 개발 및 검증을 통하여 안정적인 보급 확대가 필요하다. 해외에서는 IEC (International Electrotechnical Commission, 국제전기기술위원 회) TC (Technical Committee) 105에서 다양한 응 용처별 WG (working group)을 통하여 성능 및 안 전기준을 개발하고 있고, FCHEA (Fuel Cell &

Hydrogen Energy Association)에서는 수소연료전 지 보고서, 코드, 표준 및 안전에 대한 자료를 제 공하고 있다[6].

국내에서는 2020년 2월 ‘수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한 법률(이하 수소법)’이 세계최초 로 제정되면서 수소용품(수전해설비, 수소추출설 비, 고정형 및 이동형 연료전지) 및 수소사용시설 에 대한 안전관리가 2022년 2월 5일부터 시행되 어진다. 산업계 준비를 위해 수소용품 4종 및 시설 1종에 대한 상세기준(KGS Code) 제정을 앞당겨 제정하도록 노력하였으며, 2021년 7월 5일 상세기 준 수소용품 중 수소추출설비(KGS AH171, 수소 추출설비 제조의 시설⋅기술⋅검사 기준) 및 고정 형 연료전지(KGS AH371, 고정형 연료전지 제조 의 시설⋅기술⋅검사 기준) 등 수소용품 2종 및 수소연료사용시설(KGS FU671, 수소연료사용시 설의 시설⋅기술⋅검사 기준) 1종 등 총 3종이 제정 승인⋅공고되었다. 또한 수전해설비(KGS AH271, 수전해설비 제조의 시설⋅기술⋅검사 기준) 및

이동형 연료전지(KGS AH372, 이동형 연료전지 (지게차용) 제조의 시설⋅기술⋅검사 기준) 등 수 소용품 2종이 2021년 8월경에 이동형 연료전지 (KGS AH373, 이동형 연료전지(드론용) 제조의 시설⋅기술⋅검사 기준) 수소용품 1종이 11월경에 제정 승인⋅공고될 예정이다.

본고에서는 고정형 및 이동형 연료전지의 국내 외 안전기준 분석, 위험요소 분석을 통한 고정형 및 이동형 연료전지 안전기준 개발현황에 대해서 소개하고자 한다.

2. 본 론

국내에서 보급이 확산되는 가정용, 건물용 및 발전용 등 고정형 연료전지와 신규 출현하는 지게 차, 드론, 열차, 선박 등 이동형 연료전지의 안정적 인 보급을 위해서는 국내에 적합한 연료전지 안전 기준 개발이 필요하다. 연료전지의 안전기준 개발 요소는 Table 1과 같이 제품 안전기준, 부품 안전 기준 및 설치 안전기준으로 구분되어질 수 있고, 연료전지 시스템 안전에 대한 국민의 수용성도 중 요한 요소이다.

제품 안전을 향상시키기 위하여 고정형 연료전 지의 형태(고분자전해질 연료전지, 고체산화물 연 료전지, 고온고분자전해질 연료전지 등)에 따라 적합한 안전기준 개발이 되었고, 특히, 건물용 연 료전지의 경우 주로 건물의 지하실에 설치되는 복 합배기관을 허용하는 안전기준 개발을 통하여 타 공과 연도의 개수를 줄여 건물용 고분자전해질 연 료전지의 안정적인 보급활성화에 기여하였다[7].

또한, 규제자유특구 혁신사업인 ‘가정용⋅건물 용 수소연료전지 발전시스템 실증’과제를 통해 건 물용 시스템사의 애로사항인 고체산화물 연료전 지 복합 배기 허용 및 정전 시 계통 전환을 통한 독립 운전 허용에 관한 안전기준개발 연구도 수행 하고 있다. 이동형 연료전지의 경우 다양한 응용 처에 따른 이동형 연료전지가 신규 출현하고 있는 데, 각각의 응용처에 적합한 안전기준 개발을 추 진하고 있다. 부품 안전을 위해서는 현재 건물용

연료전지 전력변환장치 성능 인증(KGS AB934 PC53)이 이루어지고 있으나, 개질기, 스택 등 핵 심부품 및 연료승압 블로워, 조정기 등 보조기기 (BOP, Balance of Plant)의 추가적인 부품인증 기 준 개발이 요구되어진다. 이러한 부품 인증 항목 확대를 통하여 시스템의 안전을 향상시켜야 할 것 이다. 제품이 설치되어 운영 시 제품의 위험요소를 파악하여 설치 안전기준에 반영하여 위험요소를 최소화시켜야 한다. CO, H2 등의 연료전지 배출가 스의 제한을 통한 위험요소를 최소화하고, 복합 배기 허용을 통한 보급활성화도 도모한다.

2.1. 고정형 및 이동형 연료전지 적용범위 현재 고정형 연료전지는 Table 2와 같이 액화석

유가스 안전관리 및 사업법(이하 액법)에 의해 도 시가스 및 LPG를 연료로 이용하는 가스소비량 232.6 kW (20만 kcal/h) 이하의 연료전지 제품에 한하여 제품 검사(KGS AB934)가 이루어지고 있고, 가스소비량 232.6 kW (20만 kcal/h) 초과의 연료 전지는 전기사업법에서 관리가 되고 있다. 2022년 2월 5일 안전관리에 관한 수소법이 시행되면, 도 시가스 및 LPG뿐만 아니라 수소, 메탄올 등 연료 전지에 적용되는 모든 연료가 적용대상이 된다.

시설 기준은 현재 LPG 사용 연료전지는 액법 시설 기준인 용기를 사용하는 KGS FU431, 소형저장탱 크를 사용하는 KGS FU432, 저장탱크를 사용하는 KGS FU433로 구분되고, 도시가스를 사용하는 경우 도시가스사업법(이하 도법)의 시설 기준인

Table 2. Safety Code Conditions for Stationary Fuel Cell[8-14]

Conditions Before Hydrogen Law After Hydrogen Law

Product

Law (KGS Code)

Safety Control and Business of Liquefied Petroleum Gas Act (KGS AB934)

Hydrogen Economy Promotion and Hydrogen Safety Management Law (KGS AH371)

Type All type Fuel Cell All type fuel cell

Fuel Natural Gas, LPG All fuel for Fuel Cell

Capacity below 232.6 kW of gas consumption below 232.6 kW of gas consumption

Facilities

Law (KGS Code)

Safety Control and Business of Liquefied Petroleum Gas Act (KGS FU431, FU432, FU433) Urban Gas Business Act (KGS FU551)

Hydrogen Economy Promotion and Hydrogen Safety Management Law (KGS FU671) Safety Control and Business of Liquefied Petroleum Gas Act (KGS FU431, FU432, FU433)

Urban Gas Business Act (KGS FU551) Scope Use of Fuel Cell for Natural gas and LPG Use of Fuel Cell for all fuel

Table 1. Safety Code Items for Fuel Cell

Product Safety Standard Part Safety Standard Installation

Safety Standard Enhancement of the public acceptance for fuel cell system safety

⋅Development of safety standards suitable for various types of stationary fuel cells and rationalization safety standards for corporate supply difficulties

⋅Development of safety standards for mobile fuel cells by various applica- tions such as forklifts, drones, trains and ships

⋅Promotion of overseas expansion of stationary and mobile fuel cell manu- facturer

⋅Promoting certification of key parks such as reformer, stack other than power conditioning system which is fuel cell part certification item

⋅Promoting certification of BOP parts such as Fuel booster blower, regulator etc.

⋅Contributing to system safety by im- proving safety Fuel Cell Key Parts

⋅When the system is grid-connected, provide Safety Evaluation Guidelines for the installation and suggest the di- rection of stand-alone operation in case of blackout

⋅Promotion of dissemination by ration- alizing fuel cell exhaust Gas (CO, H2) safety standards and allowing common vent

⋅Providing a safety based for commer- cialization and dissemination of fuel cell systems in Korea

KGS FU551이 적용된다. 수소법이 시행되면 LPG 및 도시가스 이용 연료전지 기존 액법 및 도법의 시설기준을 따르고, 수소 등 그 외의 연료는 수소 법 시설 기준인 KGS AH671을 적용한다.

이동형 연료전지는 지게차, 드론, 열차, 선박 등 다양한 응용처에 따라 다른 안전기준 개발이 필요 한 실정이다. 이동형 연료전지 중 상용화가 시작 되는 지게차용 이동형 연료전지 안전기준의 적용 범위를 Table 3과 같이 살펴보면, 수소법에 의해 용량이 DC 150 V 이하의 지게차(Class 1, Class 2, Class 3)에 적용되며, 수소 및 메탄올을 연료로 하는 고분자전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 및 직접메탄올 연료전지 (DMFC, Direct Methanol Fuel Cell)가 해당된다.

Table 3. Safety Code Conditions for Mobile Fuel Cell

Law (KGS Code)

Hydrogen Economy Promotion and Hydrogen Safety Management Law

(KGS AH372)

Type PEMFC, DMFC

Fuel Hydrogen, Methanol

Capacity Below DC 150V

수소법 시행 전⋅후 수소용품 안전관리 대상에 대한 비교를 Table 4에 나타내었다. 수소법 시행 이전인 현재 수소용품에 대한 검사는 도시가스 및 LPG 사용 연료전지에 한대 제품 및 시설 검사 대 상이었으나, 수소법 시행 이후에는 모든 연료를 사용하는 연료전지 제품 및 시설에 대해서도 안전 관리 대상이 될 예정이다. 또한 현재 안전관리 대 상이 아니었던 수전해설비, 수소추출설비, 이동형 연료전지까지 안전관리 대상에 포함이 될 예정이다.

수소용품 제조사는 현행 액법과 동일하게 기술검 토, 제조시설 완성검사, 안전관리자 선임 후 용품 검사를 통과하면 수소용품을 보급할 수 있다. 수 소연료사용시설도 액법과 동일하게 기술검토, 시 설완공 후 완성검사 및 매 1년마다 정기검사가 적 용된다.

2.2. 고정형 및 이동형 연료전지 안전기준 분석 Table 5와 같이 국내외 고정형 연료전지 안전 기준을 비교 분석한 결과, 국제 표준으로 IEC 62282-3-100 (Fuel cell technologies - part 3-100:

stationary fuel cell power systems - safety), IEC 62282-3-200 (Fuel cell technologies - part 3-200:

stationary fuel cell power systems - performance test methods), IEC 62282-3-201 (Fuel cell tech- nologies - part 3-201: stationary fuel cell power systems - performance test methods for small fuel cell power systems)이 고정형 연료전지 성능 및 안전관련 기준이고, 북미에서는 2014년부터 기존 ANSI FC 1을 폐지하고, IEC 62282-3-100을 북미 안전기준으로 채용하였다. 일본에서도 기존에 전 세계적으로 유일하게 연료전지 형태별 기준인 고 분자전해질 연료전지 기준인 JIS C 8821 series, 고체산화물연료전지 기준인 JIS C 8841 series를 2019년에 폐지하고 국제 표준인 JIS C 62282-3- 100, JIS C 62282-3-200, JIS C 62282-3- 201기준 을 일본 내 표준으로 부합화 하였다. IEC 62282-3 series에서는 급배기구 및 배기구 막힘 시 일산화 탄소(CO) 농도 제한, 수소 등 배출가스 농도 제한, 실외 설치 시 유풍시험 성능, 화염이 차단될 경우 3초 이내 연료공급을 차단하는 버너 안전기준 등이 포함되어 있다. 유럽의 경우 국제 표준과는 별도 로 국가마다 영국 BS EN 50465(Gas appliances.

Table 4. Comparison of Safety Management for Hydrogen Products and Facilities

Safety Code items Before Hydrogen Law After Hydrogen Law

Product Water Electrolysis X ○

Hydrogen Generator X ○

Stationary Fuel Cell ○ ○

Mobile Fuel Cell X ○

Facilities Use of Fuel Cell for hydrogen △(only NG, LPG) ○

Combined heat and power appliance of nominal heat input inferior or equlal to 70 kW), 독일 DIN EN 50465, 프랑스 NF EN 50465 기준을 운용하 고 있다. EN 50465 기준은 입열량 70 kW급 이하 의 연료전지에 적용되며, 급배기, 작동안전성, 안 전장치, 화염안전성능 등 항목이 포함되어 있다.

국내에서는 KS C 8569 (Fuel Cell System) 표준 이 있고, 검사기준으로 KGS AB 934 (Facility/

Technical/Inspection Code for Manufacture of Gas Fuel Cells) 안전기준이 있다.

해외기준에서 이동형 연료전지를 크게 IEC 62282-4-Series의 모빌리티에 적용되는 Fuel cell power system, IEC 62282-5-Series의 Portable fuel cell, IEC 62282-6-Series의 Micro-fuel cell으로 구 분하여 기준을 규정하고 있다. 그리고 세부 분류 로 안전(Safety), 성능(Performance), 기타 기준이 필요한 장치로 나누어 기준들을 분류하였다. 세부 안전기준은 재료, 구조, 성능으로 나누어 안전에 필요한 규격들을 규정하였는데, 크게 전기설비, 배 관, 피팅류, 과압방지장치, 외함, 밸브, 용기, 수소 가 포함된 제품 등으로 구분하여 각 장치별 안전 기준을 명시하였다. 성능기준은 연료전지 시스템 의 성능평가를 위한 시험방법 및 데이터 시트 등

을 명시하여, 표준화된 성능 평가가 이루어질 수 있도록 기준을 명시하였다. 62282-4-Series의 Fuel cell power system 안전기준은 연료전지를 지게차, 굴삭기, 드론 등에 적용했을 때에 대한 안전기준, 성능 조건 등을 규정하고 있다. 굴삭기(IEC 62282- 4-600), 드론(IEC 62282-4-202)기준은 아직 개발 중이며, 지게차 기준은 IEC 62282-4-101 [Fuel cell technologies. Fuel cell power systems for pro- pulsion other than road vehicles and auxiliary power units (APU) - Safety of electrically pow- ered industrial trucks] 및 IEC 62282-4-102 (Fuel cell technologies. Fuel cell power systems for in- dustrial electric trucks. Performance test methods) 로 제정이 완료되었다. 국내에서는 KS C IEC 62282-4-101가 부합화되어 산업용 전동트럭(지게 차)의 안전기준을 제시하고 있고, IEC 62282-4-102 는 성능시험 기준을 명시하고 있다.

연료전지 발전시스템을 연료 저장소, 열관리 시 스템, 전력 조절 시스템, 수 처리 및 밀폐 시스템, 연료전지 모듈, 환기시스템 등으로 나누어 재료, 구조, 성능 시험 항목에 대해 규정하고 있다. 기초 성능평가 관련 시험에는 진동, 누설, 온도, 강도, 내전압, 전기 안전성, 환경시험, 온도시험, 외부누

Table 5. Domestic and International Codes & Standards for Stationary Fuel Cell System

Country Code No. Issue Year Code Name

International

IEC 62282-3-100 2019 Fuel cell technologies - part 3-100: stationary fuel cell power systems - safety IEC 62282-3-200 2015 Fuel cell technologies - part 3-200: stationary fuel cell power systems –

performance test methods

IEC 62282-3-201 2017 Fuel cell technologies - part 3-201: stationary fuel cell power systems – performance test methods for small fuel cell power systems Europe EN 50465 2019 Gas appliances. Combined heat and power appliance of nominal heat input

inferior or equlal to 70 kW North

America ANSI/CSA FC 1 2014 Fuel cell technologies - part 3-100: stationary fuel cell power systems – safety(Adopted IEC 62282-3-100)

JAPAN

JIS C 62282-3-100 2019 Fuel cell technologies - part 3-100: stationary fuel cell power systems - safety JIS C 62282-3-200 2020 Fuel cell technologies - part 3-200: stationary fuel cell power systems –

performance test methods

JIS C 62282-3-201 2019 Fuel cell technologies - part 3-201: stationary fuel cell power systems – performance test methods for small fuel cell power systems

KOREA KGS AB 934 2019 Facility/Technical/Inspection Code for Manufacture of Gas Fuel Cells

KGS C 8569 2020 Fuel Cell System

설시험, 기계적 성능, 외함 시험, 폐수 방출 시험 등이 있다. 62282-5-100 (Fuel cell technologies.

Portable fuel cell power system)의 Portable fuel cell 기준은 연료전지 시스템을 전력 생산 목적으 로 사용하며, 이동 가능하고, 특정 위치에 고정되 지 않는 휴대용 연료전지에 대한 안전기준을 규정 하고 있다. 이 기준은 사용 연료를 프로판과 부탄 과 같은 액화 석유 가스, 천연가스, 가솔린, 디젤, 액체 알코올(메탄올, 에탄올) 등으로 규정하여, 다 양한 연료로 전력을 생산하는 경우를 고려하고 있 다. 연료전지 시스템을 연료 처리 시스템, 열관리 시스템, 제어시스템, 통풍 시스템, 연료전지 모듈, 전력 조절 시스템 등으로 나누어 재료, 구조, 성능 시험에 대해 규정하고 있다. 기초성능평가 관련 시험에는 액체 연료 사용시스템의 유출시험, 표면 온도시험, 접지시험, 탱크, 압력시험, 자유낙하시험, 절연체 강도시험, 방풍시험, 산소결핍시험, 오염물 배출 시험 등이 있다. IEC IEC 62282-6-Series의 Micro-fuel cell 기준은 연료카트리지를 사용자가 교체할 수 있으며, 휴대용 연료전지의 전압, 전력 (600 V a.c, 850 V d.c. 이하)보다 낮은 범위로 구

동되는 마이크로 연료전지 발전 시스템(60 V d.c.

240 VA 이하)에 대한 안전기준을 규정하고 있다.

마이크로 연료전지 발전 시스템을 연료카트리지, 연료조절장치, 열관리, 연료전지 모듈 등으로 나누 어 재료, 구조, 성능 시험에 대해 명시하였다. 사용 연료는 수소가스, 메탄올, 포름산 등으로 다양하게 적용할 수 있도록 규정하였으며, 기초성능평가 관 련 시험에는 압력차동시험, 진동시험, 고온 노출, 가스온도시험, 낙하시험 등이 있다.

모빌리티 적용 Fuel cell power system, Portable fuel cell, Micro-fuel cell 기준은 공통적으로 연료 전지 시스템의 전기안전시험(내전압, 전력안전성 등)과 온도시험 등을 명시하고 있다. 하지만, 마이 크로, 휴대용 연료전지의 경우, 사용자가 들고 다 니는 것을 고려하여, 낙하시험과 배출물 유해요소 평가를 추가로 시험항목에 규정하였다. Fuel cell power system 경우에는 이동형 연료전지가 지게 차 등에 장착된 채로 운전하기 때문에, 활용처의 운전조건에서 안전하기 위한 진동시험, 환경시험, 외함시험 등을 시험항목에 규정하였다.

Table 6. International Codes & Standards for Portable Fuel Cell System

Country Number Publication

(revision) Title

International

IEC 62282-4-101 2014

Fuel cell technologies. Fuel cell power systems for propulsion other than road vehicles and auxiliary power units (APU) - Safety of electrically

powered industrial trucks

IEC 62282-4-102 2017 Fuel cell technologies. Fuel cell power systems for industrial electric trucks.

Performance test methods.

IEC 62282-4-600 2020 Performance, Fuel cells, Electric generators, Heat, Electric power systems, Test methods

IEC 62282-5-100 2018 Fuel cell technologies. Portable fuel cell power system IEC 62282-6-100 2010 Fuel cell technologies. Micro fuel cell power systems-Safety IEC 62282-6-150 2011 Fuel cell technologies - Part 6-150: Micro fuel cell power systems - Safety

- Water reactive (UN Devision 4.3) compounds in indirect PEM fuel cells IEC 62282-6-300 2012 Fuel cell technologies - Part 6-300: Micro fuel cell power systems - Fuel

cartridge interchangeability

IEC 62282-6-400 2019 Fuel cell technologies - Part 6-400: Micro fuel cell power systems - Power and data interchangeability

North America

NFPA2 2016 Portable Fuel Cell [Power System] Installation.

ANSI FC 3 2017 American Standard for Portable Fuel Cell Power Systems,

China T/CEEIA264 2017 Technical specification of fuel cell power system for unmanned aerial vehicle T/CEEIA265 2017 Technical specification of fuel cell fuel system for unmanned aerial vehicle

2.3. 고정형 및 이동형 연료전지 안전기준 개발 수소법 제정에 의한 고정형 및 이동형 연료전지 상세 기준 개발을 위해, 국내외 안전기준 분석, 시 스템 위험요소 분석 및 항목 검증 등을 통해 안전 기준을 개발하였다. 개발된 상세 기준의 제조기술 기준은 재료, 구조 및 치수, 장치 및 성능 항목으 로 구분되어 있고, 성능 항목은 제품 성능, 재료 성능, 작동 성능으로 구분하여 고정형 및 이동형 특성 및 국내업체의 수용성을 검증하고 안전기준 이 개발되었다.

고정형 연료전지는 액법에서 2008년 12월 기준 제정 이후 10차례 개정을 거쳐 안전기준이 국내 고정형 연료전지 시스템 보급활성화에 기여하였 다. 수소법으로 고정형연료전지 안전기준이 이관 되면서 연료 배관, 물 배관, 재료 등 기존 기준에 서 반복되는 내용을 줄여 기준을 쉽게 이해하도록 개선하였고, 구조 항목에서 개질기 및 버너의 안 전 항목을 세분화 및 상세화하였고, 배기가스 조 성 및 외함의 IP등급, 화염감시장치 등 안전 성능 기준을 개선하였다. Figure 1과 같이 배기가스 중 CO 농도 측정 구간이 기존 액법 KGS AB934에서 는 정격운전 도달 후 30분 후부터 3시간의 평균 CO 농도가 0.1% 이하로 제한되었으나, 수소법 KGS AH371에서는 해외기준 및 정격운전에서는 모든 형태의 연료전지가 거의 CO가 거의 배출되 지 않은 특성을 고려하여 0.02%로 변경하였고, 건 물용 연료전지 기술개발이 성숙되는 시점에서 부

하운전 필요성이 요구되어 부하운전 시 배기가스 중 CO 농도 측정 구간을 추가하였다. 또한 고온용 연료전지의 시동에서 정격운전까지의 운전시간이 장시간 소모되는 특성을 반영하여 시동 시부터 정 격운전까지 CO 농도 항목을 추가하였으나, 배기 가스 농도는 초기 연소 시 불안정한 특성을 고려 하여 0.1%로 CO 농도를 설정하였다. 위의 모든 측정값은 5초 이하 간격으로 측정된 CO%의 30분 이동 평균값이고, 시동의 경우 정격 도달 시간이 30분 이내일 경우 전 구간 평균으로 한다.

수소를 연료로 사용하는 연료전지 특성 상 수소 를 주기적으로 미량을 배출하게 되는데, IEC 62282-3-100 및 KS C 8569에서는 배출되는 수소 농도를 폭발하한계의 25% 수준인 1% 이하로 규 정하고 있으나, 수소법에서는 배기구 이탈 시 수 소가스 배출에 의한 건물용 연료전지 특성상 실내 에 설치되어 축적되는 위험을 줄이고자 정격 도달 후 3시간 동안 5초 이하 간격으로 측정된 배기가 스 중의 수소가스 농도를 평균 0.005% 이하로 규 정하였다. 작동성능 중 버너의 운전성능은 기존에 는 최초 점화만 퍼지(purge)하도록 규정하고 있었 으나, 점화가 실패하여 가연성 가스가 축적된 상 태에서 점화될 경우 폭발 점화가 일어날 수 있어 점화, 재점화, 재시동 항목을 세분화 하였다. 연료 전지의 가스소비량에 따른 안전차단시간을 연료 전지의 연료소비량(kW), 점화방식, 시동 시, 운전 중 등 세분화하여 안전차단시간을 설정하였다.

Figure 1. CO concentration performance of exhaust gas for stationary fuel cell.

또한, 급기구 및 배기구가 막힐 경우 공기 공급 및 배기가스의 배출이 원활하지 못해 불완전 연소가 발생하는데, 급기구 막힘, 배기구 막힘 및 급기팬 이상 상황에도 배기가스 중 평균 CO 농도가 0.04%

이하여야 한다.

고정형 및 이동형 연료전지는 기본적인 연료전 지의 구조 및 특성은 유사하여 공통 제조기술기준 인 절연, 전기배선 재료, 스택 재료, 배관 재료, 구 조, 내 가스 성능 및 효율 등은 부합화하도록 노력 하였다. 지게차용 이동형 연료전지의 비정상적 상 황의 위험을 방지하기 위해 비상정지 제어 항목은 연료가스의 압력 또는 온도가 현저하게 상승하였 을 경우, 연료가스의 누출이 검지된 경우, 배터리 전압에 이상이 생겼을 경우, 제어 전원 전압이 현 저하게 저하하는 등 제어장치에 이상이 생길 우려 가 있은 경우, 스택에 과전류, 과전압, 이상온도가 생겼을 경우 등을 포함하여 추가적인 위험이 발생 하지 않도록 하였다. 지게차용 연료전지의 경우 충전방식만을 허용하고 있는데 충전라인에는 역 류방지 기능이 있는 리셉터클을 설치하고 그 리셉 터클과 용기 사이에는 추가로 역류방지밸브를 설 치하도록 규정하였다. 지게차용 이동형 연료전지 는 고분자전해질 연료전지와 직접메탄올 연료전 지가 해당되어 직접메탄올 연료전지의 메탄올 저 장 및 배출에 대한 안전기준이 포함되어 있다.

이동형 연료전지 여러 시험항목 중 응용처별로 상이한 안전기준으로 판단되는 진동시험 및 기울 기 시험에 대해서 살펴보면, 운전 중 모터의 진동, 바퀴 회전 및 추진 중 진동(자동차), 프로펠러의 진동(드론), 드릴의 진동(굴착기) 등 여러 진동 상 황과 경사로 주행(육상용), 해상 파도(해상용), 공 중 운전(항공용) 등 측면, 전면 등 기울어지는 상 황에 노출된다. 진동과 기울임은 이동형 연료전지 의 안전성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 진동 과 기울임의 이동형 연료전지 영향을 분석하고 안 전기준 기초자료를 도출하기 위해 논문, 문헌 분 석을 수행하였다. Rajalakshmi et al.[15]의 연구에 따르면 500 W급 PEMFC에 0~150 Hz로 수직/수 평 1시간 진동을 가했을 때, 연료전지 체결 볼트의

토크가 14 Nm에서 6 Nm까지 감소한 결과가 있 다. 또한 Imen et al.[16]은 연료전지 체결 볼트의 토크가 줄어들면서 수소 누출량이 증가하며, 연료 전지의 전기화학적 성능이 감소한다는 결과를 도 출했다. 이를 통해, 연료전지 안전기준에 진동시험 을 규정하였으며, 시험기준에 공진주파수를 포함 한 연료전지 제품 및 활용처의 운전특성을 반영한 진동시험을 규정하였다. 한편 Zhongmin et al.[17]

과 Das et al.[18]은 물이 잘 배출되지 않을 경우, Cathode 쪽에 플러딩(Flooding)이 발생할 수 있으 며, 이는 산소공급을 차단하고 연료전지의 성능을 저하시킬 수 있다고 보고하였다. 또한 Kim Hyeng dong[19]은 연료전기가 기울어질 경우, 물 배출이 원활하지 않게 되고, 연료전지의 성능이 저하된다 는 결과를 보고하였다. 이를 통해, 연료전지 안전 기준에 기울기시험을 규정하였으며, 시험기준에 연료전지 활용처 특성에 따른 기울임 각도(최소, 최대)를 도출하고, 측면, 후면 등 여러 방향에 대 한 영향 평가를 할 수 있도록 기울임 시험 기준을 규정하였다.

3. 결 론

전 세계적으로 친환경 에너지로의 전환이 급격 하게 이루어지고 있고, 신재생에너지의 보급이 급 속히 확산되고 있다. 신재생에너지 중 수소에너지 는 에너지 캐리어(carrier)의 역할을 하면서 연료전 지 보급과 밀접하게 연계되어 있다. 국내에서도 수소법 시행 이후로는 모든 연료 및 모든 형태의 연료전지의 제품 및 시설이 안전관리 대상이 되어 연료전지의 안정적인 보급 확산에 기여할 것으로 판단된다. 해외에서는 고정형 연료전지 국제 표준 IEC 62282-3 series를 중심으로 북미, 일본을 중심 으로 국내표준으로 부합화가 이루어졌고, 국내에 서는 국내표준 KS C 8569 및 검사 기준 KGS AB934 (KGS AB371)이 적용되어 성능 및 안전을 검증하고 있다. 이동형 연료전지의 경우 지게차, 드론, 굴삭기, 열차, 선박 등의 응용처별 표준이 제 정 또는 제정 준비를 하고 있고, 국내에서도 검사

기준인 지게차용 이동형 연료전지 기준 제정을 시 작으로 드론용, 굴삭기용, 비행체용 이동형 연료전 지 기준 개발을 시작하였다. 향후 신규 출현하는 이동형 연료전지의 보급 시기에 맞추어 선박, 열 차, 자전거 등 다양한 응용처별 이동형 연료전지 안전기준을 이동형 연료전지 특성을 반영하여 개 발 할 예정이다. 고정형 연료전지 안전기준 개발 결과로는 개질기, 버너 등 안전기준을 세분화 하 였고, 화염감시방식 등 버너컨트롤 안전성능 및 일산화탄소, 수소 등 배기가스 농도 성능을 국내 상황에 적합하게 개발하였다. 또한 건물용 연료전 지가 급속하게 보급되고 있는 상황에서 급기구 및 배기구 막힘의 이상 상황에 대해서도 안정적으로 운전할 수 있는 항목을 보완하였다. 지게차용 이 동형 연료전지 국제 표준 IEC 62282-4 series 중 KS C IEC 62282-4-101 국내 표준으로 부합화되 었고, 검사기준 KGS AH372가 적용될 예정이다.

이동형 연료전지 특성상 진동 시험, 기울임 시험 뿐만 아니라 수소 및 메탄올 저장용기, 배터리 등 에너지 저장장치에 대한 안전기준 개발을 하였다.

연료전지 안전기준 개발 결과물이 가정용, 건물용 등 고정형 연료전지 및 이동형 연료전지의 안정적 인 보급 확산에 기여할 것으로 기대된다.

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최 재 욱

2013 한양대학교 화학공학과 학사 2019 한양대학교 화학공학과 석사 2016 KCC

2019∼현재 한국가스안전공사 가스안전연구원 선임연구원

이 정 운

1997 서강대학교 화학공학과 석사 2004 서강대학교 화학공학과 박사 2004∼2005 University College London

Post-Doc.

2007∼현재 한국가스안전공사 가스안전연구원

수석연구원