1. 머리말

빈최근 주요국을 중심으로 잇따른 탄소중립 선언과 함께 정부의 에너지전환 정책에 따라 신재생에너지의 보급이 확대되고 있다. 신재생에너지로 분류된 연료전지는 친환경 분산전원으로서 수소경제1)에서 핵심적인 역할을 하는 기술이다. 연료전지 분야는 설비용량 규모에 따라 자가소비 또는 발전용 등으로 직접 전기와 열까지 생산·공급이 가능한데다 기존의 중앙집중식 전력생산·공급 시스템과 대비하여 전력생산 효율이 높고, 거점 구축 시 건축물의 옥상이나 유휴 부지 등 남는 공간을 활용할 수 있어 기존의 중앙 중앙집중식 전력생산 시스템의 한계를 극복할 수 있는 대안으로 부상하고 있다. 또한 최근에는 대용량 연료전지 발전단지 조성(클러스터), 주유소 에너지슈퍼스테이션 등에서 분산전원으로서 다양한 연구와 기반 구축이 진행되고 있다.

빈우리 협회에서는 이러한 정책산업에 발맞춰 안전분야에서 선제적으로 대응하기 위해 “옥외 정치형 연료전지 방호기준(KFS – 413)”을 제정하였다. 기준 제정을 위하여 연료전지 관련한 국내외 안전기준 및 실증사례 분석, 정량적 위험성평가 분석(FDS, CA 등)을 수행하여 분석한 결과를 바탕으로 방호기준을 수립하였다. 특히 도심지에 위치하게 되는 연료전지의 위치적 특성을 고려하여 주변으로의 피해 저감 및 영향을 최소화할 수 있도록 안전한 설비운영을 위한 가이드라인을 제시하고자 한다.

[그림 1] 에너지슈퍼스테이션(박미주유소)
자료 : SK에너지

[그림 2] 수소연료전지 산업 클러스터(경북도)
자료 : 경상북도 동해안전략산업국 에너지산업과

2. 연료전지 구성, 발전원리 및 위험성

빈연료전지는 전기화학 반응을 통해 수소를 산화시킬 때 발생하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하는 에너지 변환장치이다. 순수한 수소를 연료로 사용시 물, 열, 전기만을 발생하여 친환경적인 전기생산이 가능하다. 이러한 연료전지의 구성 및 연료전지의 분류방식은 다음과 같다

가. 연료전지의 구성 및 발전원리

빈연료전지는 화학적 반응(산화·환원 반응)을 통해 LNG 등의 원료를 전기로 변환하는 구조로 구성되어 있다. 연료전지의 음극(연료극)에서는 촉매에 의한 수소의 산화반응 결과 생성된 수소이온은 전해질을 통해 양극으로 이동하고, 양극(공기극)에서는 수소이온과 산소가 결합하여 물이 생성된다. 공기 중 산소와 수소를 결합시켜 물을 생성하는 과정에서 전기에너지를 생성하기도 하고, 물을 산소와 수소로 전기분해하는 과정에서 전기를 생산하기도 한다. 화학적 반응을 통하여 전기를 생성한다는 점에서 베터리와 비슷하지만, 연료전지는 전기를 저장만 하는 장치가 아닌, 산소와 수소를 통하여 전기를 생성한다는 점에서 차이가 있다.

빈또한, 화력발전 등의 방법과 다르게 연소반응 없이 전기에너지를 생산하기 때문에 기존의 유해물질(황, 질소산화물 등)의 및 이산화탄소의 배출이 거의 없다. 연료전지는 일반적으로 전해질의 종류에 따라 다음과 같이 분류한다.

[그림 3] 연료전지 발전원리 개념도
자료 : 연료전지 개론(손재익, 정재학, 김혜경 공저) 참조

표 1. 연료전지의 종류2)

나. 연료전지의 위험성

빈연료전지는 생산된 전기를 셀에 저장 후 전원에 공급하는 발전설비로 ESS(에너지 저장 장치)와 같이 전기저장( 배터리) 및 저장 시 과충전에 따른 화재 등 사고 우려는 낮다. 또한, 세계적으로 연료전지 설비에 의한 대규모 화재 또는 폭발사고 발생이력은 아직은 확인되지 않는다. 다만, SOFC, PEMFC 타입의 연료전지는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하기 위하여 NG(Natural Gas) 등 가연성 가스 및 위험물을 취급하며, 연료전지 모듈 내 수소(H2) 가스가 형성되는 등 연료전지의 특성상 연료 및 생성물의 누설, 누출, 유출 등으로 인한 화재 또는 폭발 위험성은 배제할 수 없다.

3. 옥외 정치형 연료전지(KFS-413)의 방호기준 주요내용

가. 목차 및 적용범위

빈옥외 정치형 연료전지에 대한 국내·외 관련 자료를 검토하여 국내 실정에 맞게 만든 기준인 “KFS-413 옥외 정치형 연료전지 방호기준”은 2023년 12월에 제정되었다. 이 기준은 1장 총칙, 2장 용어의 정의, 3장 연료전지의 설치, 4장 연료 공급 및 누출 검지, 5장 환기 및 배출설비, 6장 안전장치 및 방호시스템. 7장 운영 및 유지관리로 구성되어 있다.

빈먼저 옥외 정치형의 연료전지는 옥외 설치되는 특성을 반영한 방호기준으로서 건축물 옥상 옥외, 구조물 상부 옥외, 지상 옥외의 3가지 장소에 적용하도록 명시하였다. 이는 건물 내부에 설치되는 연료전지와 위험 관점에서 다소 차이가 발생하며, 대규모 용량의 발전설비로서 옥외 설치되는 연료전지의 위치적 특성을 반영하였다.

[그림 4] 옥외 정치형 연료전지 설치위치 구분

나. 연료전지의 설치

빈연료전지는 화재 및 침수, 붕괴로부터 안전한 장소에 설치될 수 있도록 견고한 기초 및 바닥위에 설치하여야 한다. 옥외 설치로 인한 기후·환경적 영향을 받지 않도록 불연성의 외함, 최소 IP23 등급 이상 확보, 화재 등 위험요인으로부터 최소 1.5m 이상 이격거리를 확보하도록 명시하였다. 특히 전기관련 설비가 포함되는 것을 고려하여 침수로 인한 피해가 발생하지 않도록 배수설비를 반드시 설치하도록 권고하였다. 화재보험협회 BRIDGE 플랫폼에는 지리적 위험성을 반영할 수 있는 자연재해 위험정보를 제공하고 있으므로 설치장소에 대한 자연재해 위험 수준을 참고할 수 있다.

[그림 5] BRIDGE 위치기반보험정보시스템
자료: 화재보험협회 플랫폼 BRIDGE 위치기반보험정보시스템

빈연료전지는 개질 중 온도가 상승하여 위험분위기 형성에 따른 점화원으로 작용할 수 있으므로 KS C IEC 60079-10-1에 따른 폭발위험장소 외의 장소에 설치하도록 명시하였다. 특히 위험물취급소 또는 고압가스 등을 취급·저장하는 경우(주유소, LPG 충전소, 공정지역 등)에는 반드시 위험성 평가를 수행하여 공학적 근거를 반영한 정량적 안전성을 확보할 수 있도록 조항을 추가하였다.

[그림 6] 폭발위험장소 구분도 및 사고피해예측(피해영향분석)

빈연료전지를 건축물 상부 또는 구조물 상부에 설치하는 경우에는 붕괴로 인한 피해를 예방하기 위하여 해당 건축물 및 구조물의 주요구조부를 내화구조로 하도록 명시하였고, 연료전지 하중에 의한 구조안전성 검토를 수행하여 설비의 안전성을 확보할 수 있도록 하였다.

[그림 7] 건축물 구조안전성 검토 예시

다. 연료공급 및 누출

빈연료전지에 연료를 공급하는 배관은 외부 충격 등의 위험으로부터 보호되어야 하며, 가연성 가스의 누출 또는 위험물의 유출 시 신속한 검지가 가능하도록 누출검지장치를 설치하여야 한다.

빈LNG(도시가스)를 사용하는 도시형 연료전지는 연료를 배관으로 공급하여 별도의 저장시설 없이 소규모 정압시설만으로 운영이 가능하다. 다만, 정압기 공급배관의 누출로 인한 위험성평가 및 시뮬레이션 결과를 반영하여 부지경계선(또는 담)으로부터 3.5m 이상 이격거리를 확보하도록 명시하였다.

[그림 8] 정압기 전산유체역학 시뮬레이션(CFD)

라. 환기 및 배출설비

빈연료전지 설비 운영 시 발생하는 가연성·인화성 가스 및 증기는 위험분위기를 형성할 수 있으며, 적절한 환기·배출 시스템이 작동하지 않을 경우 사고의 위험성이 증가할 수 있다. 따라서 설비 운영 중 폭발위험 분위기를 형성하지 않도록 충분한 환기성능을 갖추어야 하며, 환기를 위한 공기 흡입구는 다른 배기가스, 가스, 오염물질에 영향을 받지 않는 장소에 위치해야 한다. KS C IEC 62282-3-100에서 캐비닛이 있는 연료전지 발전시스템에는 적절한 환기시스템을 제공하도록 하며, 환기시스템 고장 시 자동정지장치의 설치를 의무화하여 규정하고 있다. 다만, 환기시스템 가동시에는 공기의 흐름에 장애가 발생하지 않도록 하여 효과적인 환기가 되도록 유지하는 것이 무엇보다 중요하다.

마. 안전장치 및 방호시스템

빈연료전지 설비에서 이상상태 감지시에는 연료의 공급의 차단 또는 설비가 자동 정지되도록 하는 자동차단시스템(인터록)이 반드시 설치되어야 한다. 인터록 설비는 가스, 환기, 온도, 기타 트러블 상황을 감지하여 자동으로 작동되어야 한다. 또한 기계·전기적 설비의 고장 또는 이상상태 감지 전 수동으로 연료의 공급을 차단할 수 있도록 수동식 차단밸브를 설치하도록 명시하였다.

빈연료전지 주위 4면에는 주변 화재로 인한 복사열의 영향을 차단할 수 있도록 내화구조의 방호담을 설치하도록 명시하였다. 연료전지 주위에서 위험물 누출로 인한 급격한 화재 화재 발생(복사열 37.5kW/㎡ 발생)을 가정하여 시뮬레이션을 수행한 결과 방호담을 통해 연료전지에 도달하는 복사열이 차단되는 것을 분석하였다. 또한 방호담 외부에는 차량 등의 진출입으로 인한 충돌 위험으로부터 방호될 수 있도록 차량 충돌방지장치를 설치하도록 명시하였다.

4. 맺음말

빈친환경 분산형 발전설비로서 연료전지의 보급 및 활용성은 계속적으로 증가할 것으로 예상되며, 수소경제 산업생태계의 핵심 기술로 지속적인 연구가 이루어지고 있다.연료전지 산업이 활성화됨에 따라 위험성을 정확히 파악하고, 사고예방 및 피해 최소화하기 위한 안전가이드의 수립은 반드시 필요하다. 이번에 제정된 옥외 정치형 연료전지 방호기준을 통해 연료전지 운영시 사고 예방 및 피해경감을 위한 가이드로서 사회 안전망 구축에 도움이 되길 기대한다.