연료전지 연계 수소추출기 통합 시스템에 대한 위험성 평가

2.1 수소추출기

수소추출기는 천연가스(natural gas, NG)를 개질하여 수소를 생산하는 설비로, 수소 개질을 위해서 탈황, 개질, 흡착, 정제 공정 등을 거친다⁴⁾.

Fig. 1은 수소추출기의 기본 공정에 대해 나타낸 도면이다. 맨 처음 NG를 공급받으면 탈황기를 통해 첨가되어 있는 황을 제거한다. 이후 deionized (DI) water와 함께 개질기에서 steam reforming 방식을 통해 수소로 개질된다. 이후 기액분리기에서 흡착 과정을 거쳐 수분을 제거한 뒤, 순도 향상을 위해 pressure swing absorption (PSA)에서 탈황, 개질, 흡착, 정제 공정 등의 공정을 반복한다. 정제 공정을 거치면 고순도의 수소가 생산된다.

Fig. 1.

PFD of hydrogen generation system

본 연구에서는 수소추출기 위험성 평가 분석을 위해 기존에 진행된 3건의 위험성 평가 결과를 종합적으로 분석하였다. 위험성 평가를 위해 공정을 노드로 구분하여 평가하였으며, 노드는 NG 공급부, 스팀 공급 공정, 개질 공정, CO 전환 공정, 미반응 수분 제거 공정, tail gas 회수 공정, 수소 정제 공정의 7개의 노드로 구분하였다. 분석 대상이 된 3건의 수소추출기 위험과 운전분석(hazard and operability, HAZOP) 결과는 총 시나리오 358개, 조치 계획 91개이다.

분석 결과 공정 특성에 관한 사항, 누출 및 화재, 폭발에 관한 사항, 벤트에 관한 사항, 설계 반영 사항 등이 도출되었다. 그중 수소추출기 후단에 설치되는 연료전지 등 통합 시스템 전반에 영향을 미칠 것으로 판단되는 위험 사항은 Table 1과 같다.

Table 1.

Hazards of hydrogen generation system

수소추출기에서 통합 시스템 전체에 영향을 미칠 것으로 판단되는 위험 사항으로는 수소의 순도 저하 및 생산량 저하, 흡착 효율 저하와 개질기 촉매 손상 등이 도출되었다. 이를 유발할 수 있는 위험 요인으로는 버너의 불충분한 열 공급, 촉매 활성 저하, PSA 스텝 오작동, 질소 혼입, 기액분리기 성능 저하로 인한 수분 과유입, DI water 순도 저하 등이 있다.

즉, 수소추출기에서는 설비 내 부품의 문제로 수소 순도 및 생산량 저하가 주요 위험 사항이 될 것으로 예상된다.

2.2 수소연료전지

수소연료전지는 기본적으로 산소와 수소를 결합해 물을 생성하는 과정에서 발생된 전기를 활용하는 원리로 작동한다. 전해질의 종류와 작동 온도에 따라 여러 종류로 구분되며, 본 연구에서는 polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC)과 solid oxide fuel cell (SOFC) 방식을 분석하였다.

Fig. 2와 Fig. 3은 각각 PEMFC, SOFC 수소연료전지의 기본 공정을 나타낸 process flow diagram (PFD)이다.

Fig. 2.

PFD of PEMFC

Fig. 3.

PFD of SOFC

연료전지의 음극(연료극)에서는 촉매에 의한 수소의 산화 반응을 통해 수소 이온이 발생되며, 전해질을 통해 양극(공기극)으로 이동한다. 양극에서 수소 이온과 산소가 결합하여 물이 생성되고, 이때 전자가 생성된다.

PEMFC는 고분자로 이루어진 전해질을 사용하는 연료전지로 수소전기차 등 현재 실생활에서 가장 많이 활용되고 있다. 그러나 일산화탄소에 의한 촉매 손상과 고온 및 저습 환경에서 이온전도도 감소에 유의해야 한다⁵⁾.

SOFC는 고체 전해질을 사용하는 연료전지로 소형화가 가능하고, 연료 선택의 폭이 넓다는 장점이 있다. 그러나 약 1,000℃의 높은 온도에서 작동하며, 시동 시간이 길어 재시동을 최소화하는 것이 유리하다⁶⁾.

본 연구에서는 수소연료전지 위험성 평가 분석을 위해 기존에 진행된 3건(PEMFC 2건, SOFC 1건)의 위험성 평가 결과를 종합적으로 분석하였다. 위험성 평가를 위해 공정을 노드로 구분하여 평가하였으며, 노드는 수소 공급부, 공기 공급부, 스택 배기부, 쿨러부, 대기방열부 5개의 노드로 구분하였다. 분석 대상이 된 3건의 수소연료전지 HAZOP 결과는 총 시나리오 375개, 조치 계획 38개이다.

분석 결과 공정 특성에 관한 사항, 누출 및 화재, 폭발에 관한 사항, 벤트에 관한 사항, 설계 반영 사항 등이 도출되었다. 그중 통합 시스템 운영에 영향을 미칠 것으로 판단되는 위험 사항은 Table 2와 같다.

Table 2.

Hazards of hydrogen fuel cell

수소연료전지에서 통합 시스템 전체에 영향을 미칠 것으로 판단되는 위험 사항으로는 스택 파손 및 버너 촉매 손상, 연료전지 작동 중지 및 발전 중지 등이 도출되었다. 이를 유발할 수 있는 위험 요인으로는 공정압보다 고압의 수소 공급, 수소 공연비 제어 실패, 수소 공급량 부족, 전압 강하 등이 있다.

즉, 연료전지에서는 수소 공급의 문제로 설비 손상 및 작동 중지가 주요 위험 사항이 될 것으로 예상된다.

3.1 HAZOP

HAZOP은 공정상 존재하는 위험 요인과, 공정의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 운전상의 문제점을 찾아내 그 원인을 제거하고자 하는 위험성 평가 방법이다⁷⁾. 이를 위해 flow, pressure 등과 같은 변수(parameter)와 more, less 등과 같은 가이드 워드(guide word)를 조합하여 more flow, low pressure 등과 같은 이탈 상태(deviation)를 도출하고, 도출된 시나리오는 일정한 기준에 따라 등급이 나눠진 빈도와 강도 등급을 부여받으며, 이를 조합한 위험 등급이 산정된다.

본 연구에서 사용한 빈도(Table 3) 및 강도(Table 4) 등급은 5점법이며, 그를 조합한 risk matrix의 내용은 Table 5와 같다.

Table 3.

Table of frequency

Table 4.

Table of criticality

Table 5.

Risk matrix

3.2 통합 시스템

본 연구의 대상이 되는 통합 시스템은 수소추출기와 수소연료전지를 연계한 것으로, 도시가스를 수증기 개질 공정을 통하여 고순도의 수소를 생산하는 수소추출기와 그 수소를 활용해 전력과 열에너지를 생산하는 직접 수소연료전지 설비로 구성되어 있다.

통합 시스템은 단일 설비와는 달리 여러 설비의 제어가 맞물려 있기 때문에 한 설비의 위험 요소가 시스템 전체의 위험 요소로 확대될 가능성이 있다. 특히 수소추출기의 개질 성능 저하 등으로 저순도의 수소 생산 시, 수소 순도에 영향을 많이 받는 SOFC 연료전지는 설비 shutdown이 발생할 수 있다.

본 연구에서는 통합 시스템 위험성 평가를 실시 및 분석하였다. 평가 대상은 3대의 수소추출기(가압형, 상압형)에서 수소를 생산하고, 연료전지(PEMFC, SOFC)를 통해 발전하는 시스템이다.

Fig. 4는 평가한 통합 시스템의 PFD이다. 두 대의 수소추출기는 NG를 공급받아 수소를 생산하고, 공급 안정성을 위해 버퍼탱크에 임시 저장한 뒤, 이를 연료전지로 공급한다. 한 대의 수소추출기는 생산된 수소를 바로 연료전지로 공급하며, 공급 안정성을 위해 수소봄베를 이용한다. HAZOP 진행 시 수소 추출 설비 및 연료전지는 설비 내부 부품의 공정을 관찰하지 않고 하나의 부품으로 간주하여 진행하였고, 1개의 노드로 분석하였다.

Fig. 4.

PFD of integrated system

위험성 평가 결과 총 시나리오 23개, 조치 계획 4개가 도출되었고, 위험 등급은 1등급 14개, 2등급 9개가 도출되었다. 위험성 평가 결과 도출된 주요 시나리오는 Table 6과 같다.

Table 6.

Hazards of integrated system

통합 시스템에서 도출된 첫 번째 위험 사항은 수소 생산량 저하로 수소 공급 실패 시 연료전지 가동이 실패하는 경우이다. 수소추출기에서 생산량이 저하될 시 연료전지에 공급되는 수소가 불충분하므로 가동에 실패할 수 있다. 만약 연료전지의 가동이 실패하는 경우 생산된 수소는 전량 방출되므로 그에 따른 위험이 발생될 수 있다. 이에 연료전지실 내 수소감지기 설치 또는 폭발 위험 장소 확인이 필요하다.

두 번째는 추출기 간 공정 라인이 연결되어 있어 수소 혼입의 가능성이 있으며, 이 경우 추출기가 손상될 가능성이 있다. 이에 체크밸브 설치를 통해 혼입을 방지하도록 하였다.

세 번째는 수소 공급량 안정을 위해 설치된 수소봄베의 잔압이 부족할 경우 연동된 수소추출기가 정지되는 로직이다. 이 경우 연결된 연료전지의 스택이 손상될 수 있으므로 해당 로직을 연료전지와도 연동하거나 수소봄베를 주기적으로 점검하는 등의 조치가 필요하다.

네 번째는 한 공정 라인에 여러 연료전지가 연결되어 시스템이 일원화된 것이다. 하나의 연료전지에서 이상 발생 시 같은 라인에 연결된 모든 연료전지의 시스템 가동이 중지된다. 이 경우 전단의 추출기 가동에도 영향을 미치며, 수소추출기 내의 수소는 전량 방출되고 수소연료전지 내의 수소는 잔류하는 등의 문제가 발생한다. 따라서 시스템을 나눠서 제어하는 등의 조치가 필요하다.

다섯 번째는 추출기에서 생산된 저순도 수소와 수소봄베의 수소가 혼입되어 연료전지로 공급 시 연료전지의 스택이 손상될 수 있다. 이에 추출기 후단에 순도 측정기를 설치하도록 하였다.

3.3 위험성 평가 결과 비교

앞서 진행된 수소추출기 및 수소연료전지의 단일 위험성 평가 결과 원인이 되는 위험 요인은 설비 내 부품의 문제, 수소 공급 문제 등이며 이로 인한 위험사항은 수소 순도 및 생산량 저하, 연료전지 손상 및 작동 중지일 것으로 예상되었다.

통합 시스템 위험성 평가 결과 원인이 되는 위험 요인은 수소 생산량 및 순도 저하 등이며 이로 인한 위험 사항은 연료전지 가동 실패, 스택 손상, 추출기 손상 등이 있다.

단일 설비에 대해 위험성 평가를 수행했을 때와 통합 시스템에 대해 위험성 평가를 수행했을 때 도출된 위험 요인은 유사하였다. 그러나 통합 시스템의 공정 라인 및 제어 로직 등의 내용에서 차이점을 보였다.