SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)는 고온 연료전지 중 하나이며, SOFC 시스템과 스택은 고온 운전 특성을 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 시스템 설계 및 재료의 선택, 내구성 확보, 안전성능 확보에 많은 어려움을 가지고 있다. 따라서 SOFC 연료전지의 상용화와 보급을 위해서는 안전성능 평가기술과 평가시스템의 개발이 병행되어야 한다. 본 연구에서는 스택 안전성능 평가시스템의 제작을 위하여 국내 외 SOFC 관련규격 및 스택의 위험요소를 분석하였다. 분석한 자료를 바탕으로 스택 안전성능 평가 시스템의 제작을 위한 평가항목을 도출하였다. 본 연구 결과를 통해 SOFC 연료전지의 보급 활성화와 안전한 사용 환경에 기여할 수 있기를 기대한다.
SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)는 고온 연료전지 중 하나이며, SOFC 시스템과 스택은 고온 운전 특성을 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 시스템 설계 및 재료의 선택, 내구성 확보, 안전성능 확보에 많은 어려움을 가지고 있다. 따라서 SOFC 연료전지의 상용화와 보급을 위해서는 안전성능 평가기술과 평가시스템의 개발이 병행되어야 한다. 본 연구에서는 스택 안전성능 평가시스템의 제작을 위하여 국내 외 SOFC 관련규격 및 스택의 위험요소를 분석하였다. 분석한 자료를 바탕으로 스택 안전성능 평가 시스템의 제작을 위한 평가항목을 도출하였다. 본 연구 결과를 통해 SOFC 연료전지의 보급 활성화와 안전한 사용 환경에 기여할 수 있기를 기대한다.
SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) is one of the high-temperature fuel cells, SOFC system and Stack has a high temperature operating Characteristics. These Characteristics cause a lot of trouble in the design of the system and selection materials, securing durability, and securing safety performance. There...
SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) is one of the high-temperature fuel cells, SOFC system and Stack has a high temperature operating Characteristics. These Characteristics cause a lot of trouble in the design of the system and selection materials, securing durability, and securing safety performance. Therefore, For Commercialization and Supply of SOFC, the development of safety performance assessment techniques and evaluation systems should go together. In this study, we analyzed the evaluation items of SOFC Safety performance standards and risk factors of the stack for design of stack safety performance evaluation system. Based on the analyzed data, the evaluation item was deducted for design of stack safety performance evaluation system. Through the results of this study, we expect to facilitate the supply of SOFC and contribute to a safe use environment.
SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) is one of the high-temperature fuel cells, SOFC system and Stack has a high temperature operating Characteristics. These Characteristics cause a lot of trouble in the design of the system and selection materials, securing durability, and securing safety performance. Therefore, For Commercialization and Supply of SOFC, the development of safety performance assessment techniques and evaluation systems should go together. In this study, we analyzed the evaluation items of SOFC Safety performance standards and risk factors of the stack for design of stack safety performance evaluation system. Based on the analyzed data, the evaluation item was deducted for design of stack safety performance evaluation system. Through the results of this study, we expect to facilitate the supply of SOFC and contribute to a safe use environment.
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문제 정의
SOFC 스택에 국한된 안전기준 이외에 시스템과 연계한 스택의 안전성능 평가 항목을 확인 하고자 하였다. 이를 위하여, 국내 연료전지 시스템 검사기준인 ‘KGS AB934’과 국제 규격인 “IEC 62282-3-100 : Fuel cell technologies – part3-100 : Stationary fuel cell systems – safety”과 일본의 “JIS C 8841-2 : Small Solid Oxide Fuel Cell Power System – Part2 : General Safety Codes and Safety Testing Methods”의 평가항목을 분석하였다.
SOFC 스택을 시스템에 적용한 후에 주변 부품 및 시스템 동작 특성과 연계된 상태에서의 안전성능을 확인 하는 것이 필요할 것으로 판단하여 연료전지 시스템 및 스택에 대한 위험요소를 분석하고자 하였으며, 안전성능 평가 시스템의 시험항목으로 도출하고자 하였다. 위험성 분석을 위하여 정성적 위험요소 검토 방법인 HAZOP(Hazard & Operability)의 결과 도출 방법을 일부 적용하여 SOFC 시스템과 연계한 SOFC 스택의 운전조건, 이상조건 등과 연계한 위험요소와 Hox-Box와 연계한 스택의 위험요소를 일반적인 SOFC 시스템 구성을 바탕으로 하여 분석하였다.
본 연구에서는 신·재생에너지의 한 축을 담당하고 있는 SOFC의 핵심 부품인 스택의 안전성능 평가항목 도출과 평가 시스템의 제작을 위한 기초자료 확보를 목적으로 국내․외 SOFC 성능 및 안전기준을 분석하였으며, 제품의 사용 환경을 고려하여 시스템과 연계한 스택부의 위험요소, Hot-Box와 연계한 스택부의 위험요소를 분석하였다.
본 연구에서는 신·재생에너지의 한 축을 담당하는 연료전지의 보급 활성화와 안전한 사용 환경에 기여하고자 SOFC 연료전지의 핵심 부품인 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템 제작을 위한 평가항목을 도출하고자 하였다.
제안 방법
Hot-Box와 연계한 스택부의 해당하는 분석 결과는 Table 6에 나타내었다. Hot-Box와 연계한 스택부의 위험원인은 유체이송 유틸리티의 고장, 연료 및 기타 가스의 누출, 컨트롤 오작동, 장비의 파손 및 부식으로 분석하였다. Hot-Box와 연계한 스택부의 위험성 분석에서 연료 개질기의 문제가 스택에 영향을 주는 것으로 판단하였다.
SOFC 스택 안전성능 평가 시스템 제작을 위한 평가항목 도출을 위하여, SOFC 시스템 및 스택에 관한 국내·외 기술기준 및 규격을 검토하고, HOZOP의 결과 도출 방법을 인용하여 시스템과 연계한 SOFC 스택의 위험성 분석, Hot-Box내부 스택의 위험성 분석을 실시하였다.
SOFC 스택 안전성능 평가 시스템제작을 위한 평가항목 도출을 위하여 국내·외 연료전지 시스템 검사기준 및 규격, 스택 및 관련 부품의 성능평가항목, PEMFC, SOFC 등의 국내·외 스택 성능평가 기준을 분석하였다.
SOFC 스택 안전성능 평가항목 도출을 위해, PEMFC 스택에 대한 국외 기준인 “IEC 62282-7-1 : Single Cell Test Method for Polymer Electrolyte Fuel Cells”, “JIS C 8831 : Safety Evaluation Test for Stationary Polymer Electrolyte Fuel Cell Stack”과 SOFC 스택 관련 국외 기준인 ‘IEC 62282-7-2’, ‘JIS C 8842’의 평가 항목을 확인하였다.
SOFC 스택 안전성능 평가 시스템 제작을 위한 평가항목 도출을 위하여, SOFC 시스템 및 스택에 관한 국내·외 기술기준 및 규격을 검토하고, HOZOP의 결과 도출 방법을 인용하여 시스템과 연계한 SOFC 스택의 위험성 분석, Hot-Box내부 스택의 위험성 분석을 실시하였다. 분석 결과를 바탕으로 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템에 적용될 SOFC 스택 안전성능 평가항목을 도출하고자 하였으며, 정격출력 성능, 전압전류 특성, 연료 이용률, 내구성, 열충격, 기밀성능, 내압 시험, 차압 시험, 과부하 성능, (전압, 압력, 온도)응답시험, (긴급정지)연료/공기 차단 시험, (긴급정지)단락회로, 운전온도 시험 등 13개 시험 항목을 도출하였다. 도출된 평가항목은 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템의 평가항목으로 적용할 것이며, 향후 안전한 SOFC 연료전지의 사용과 보급에 기여할 것으로 사료된다.
본 연구에서는 신·재생에너지의 한 축을 담당하고 있는 SOFC의 핵심 부품인 스택의 안전성능 평가항목 도출과 평가 시스템의 제작을 위한 기초자료 확보를 목적으로 국내․외 SOFC 성능 및 안전기준을 분석하였으며, 제품의 사용 환경을 고려하여 시스템과 연계한 스택부의 위험요소, Hot-Box와 연계한 스택부의 위험요소를 분석하였다. 분석된 자료를 바탕으로 1차 평가 항목을 선정하였으며, 선정된 항목들 중 제작 시스템에서의 평가가 불가한 항목 및 SOFC 시스템에 적절하지 않은 것으로 판단되는 항목을 제거하여 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템의 평가 항목으로 도출하고자 하였다.
분석을 통해 1차 선정된 평가항목으로부터 제작하고자 하는 시스템과 관련이 없는 배기구, 개질기 등과 관련한 평가항목, 열에 의한 응력 평가항목 등 제작 시스템으로 파악이 어려운 평가항목, SOFC시스템과 관련이 없는 평가항목을 제외 하였으며, 중복되는 항목 등을 파악하여, 최종적으로 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템 제작에 적용할 평가항목을 선정하였다. 선정된 평가항목은 정격출력성능시험, 전압전류특성시험, 연료이용률시험, 열주기 시험, 부하변동시험, 기밀 성능시험, 과부하성능시험, 긴급정지대응, 등 13가지 항목이다.
선정된 평가항목은 1차적으로 스택 성능 및 안전성능 평가항목 분석을 통해 정격출력, 정상성능평가, 열주기 내구성 평가 등 7개 항목을 선정하였으며, 시스템 평가 기준과 연계한 평가요소 분석을 통해 압력, 열에 의한 응력 평가, 전기 안전성 등 3가지 항목, HAZOP의 결과 도출 방법을 통한 SOFC 스택 위험요소 분석에서 스택 내·외부 누출, 연료과공급, 배기폐쇄, 제어시스템 오작동 등 8가지 항목을 도출하였다.
분석을 통해 1차 선정된 평가항목으로부터 제작하고자 하는 시스템과 관련이 없는 배기구, 개질기 등과 관련한 평가항목, 열에 의한 응력 평가항목 등 제작 시스템으로 파악이 어려운 평가항목, SOFC시스템과 관련이 없는 평가항목을 제외 하였으며, 중복되는 항목 등을 파악하여, 최종적으로 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템 제작에 적용할 평가항목을 선정하였다. 선정된 평가항목은 정격출력성능시험, 전압전류특성시험, 연료이용률시험, 열주기 시험, 부하변동시험, 기밀 성능시험, 과부하성능시험, 긴급정지대응, 등 13가지 항목이다. 선정된 평가항목들은 Table 7에 나타내었다.
스택 성능 및 안전성능 평가항목 분석, 시스템 평가 기준과 연계한 평가요소 분석, SOFC 스택 위험요소 분석을 통하여 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템 제작에 적용할 평가항목을 선정하였다.
SOFC 시스템 동작 특성과 연계한 스택부 위험 요소를 분석하여 Table 5에 나타내었다. 시스템 동작 특성과 연계한 스택부의 위험요소는 유체이송 유틸리티의 고장, 연료 및 기타 가스의 누출, 시스템 구성 장비의 파손 또는 오작동 등으로 파악하였으며, 예방 방법으로 연료 및 기타 유체의 유량과 온도, 전력생산량을 관찰하여 시스템 이상 상황을 빠르게 확인하도록 하며, 대응책으로는 화재 및 파손 상황에서는 안전하게 시스템을 긴급 정지하도록 하고, 전력 감소시 시스템을 대기 상태로 전환 후 점검조치를 하는 것으로 분석하였다.
위험성 분석을 위하여 일반적인 SOFC 시스템을 기준으로 Node를 스택부와 스택을 포함하는 Hot-Box부로 나누었으며, 제어시스템 및 장치파손 등의 이상 상태를 가정하여 스택부와 Hot-Box부 각각의 안전성능 특성과 관련한 물리, 화학적 공정 변수(Guide Word)를 상정하였으며, 공정변수의 상태(Deviation) 변화에 따른 위험원인(Cause), 결과(Consequence) 및 시스템 차원의 예방(Protection), 대응(Action) 방법 등에 대하여 국내의 SOFC 시스템 제작 관련 전문가의 자문을 얻어 위험성 분석을 실시하였다.
위험성 분석을 위하여 정성적 위험요소 검토 방법인 HAZOP(Hazard & Operability)의 결과 도출 방법을 일부 적용하여 SOFC 시스템과 연계한 SOFC 스택의 운전조건, 이상조건 등과 연계한 위험요소와 Hox-Box와 연계한 스택의 위험요소를 일반적인 SOFC 시스템 구성을 바탕으로 하여 분석하였다.
위험요소 분석을 통해 스택 내부 누출, 외부 누출, 연료 과공급, 제어시스템 오작동, 전력변환장치 오작동, 유체 공급 계통의 고장, 배기폐쇄, Hot-Box의 급격한 온도상승 등을 위험 요소로 파악 하였다.
이를 위하여, 국내 연료전지 시스템 검사기준인 ‘KGS AB934’과 국제 규격인 “IEC 62282-3-100 : Fuel cell technologies – part3-100 : Stationary fuel cell systems – safety”과 일본의 “JIS C 8841-2 : Small Solid Oxide Fuel Cell Power System – Part2 : General Safety Codes and Safety Testing Methods”의 평가항목을 분석하였다.
확인된 평가 항목 중 공통적으로 운영되고 있는 항목들과 기밀 성능, 열주기 내구성 시험, 절연성능, 단락 회로 시험, 정상상태 및 이상 상태에서의 안전 확보를 위한 과부하대응 안전 시험 등 안전성 평가 항목을 중요한 평가 항목으로 판단하여 평가 항목으로 도출하였다.
확인된 평가항목들 중 공통적으로 제시되어 있는 압력, 열에 의한 응력 등에 대한 평가항목과, 단락, 출력성능, 과부하 등의 전기 안전성, 기밀, 내압 등의 누출 안전성능에 대한 내용을 중요한 평가 항목으로 판단하여 1차 평가항목으로 도출 하였다.
성능/효과
Hot-Box와 연계한 스택부의 위험원인은 유체이송 유틸리티의 고장, 연료 및 기타 가스의 누출, 컨트롤 오작동, 장비의 파손 및 부식으로 분석하였다. Hot-Box와 연계한 스택부의 위험성 분석에서 연료 개질기의 문제가 스택에 영향을 주는 것으로 판단하였다. 개질수의 부족으로 미개질 가스가 공급될 경우 탄소침적 현상이 발생할 것으로 예상하였으며, 침적 현상이 시작되어 배관부에 탄소가 침적되면, 배기 폐쇄가 발생할 수 있으며, 시스템 정비를 통한 배관 및 장비 교환이 필요할 것으로 판단하였다.
Hot-Box와 연계한 스택부의 위험성 분석에서 연료 개질기의 문제가 스택에 영향을 주는 것으로 판단하였다. 개질수의 부족으로 미개질 가스가 공급될 경우 탄소침적 현상이 발생할 것으로 예상하였으며, 침적 현상이 시작되어 배관부에 탄소가 침적되면, 배기 폐쇄가 발생할 수 있으며, 시스템 정비를 통한 배관 및 장비 교환이 필요할 것으로 판단하였다.
특히 ‘IEC 62282-3-100’은 ‘KGS AB934’와 ‘JIS C 8841-2’에 제시된 기밀시험 외에 가압시험 항목도 추가로 운영하고 있으며, 스택의 운전조건과 압력 인가 방법에 따라 다른 압력조건을 제시하고 있는 것으로 확인되었다.
후속연구
분석 결과를 바탕으로 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템에 적용될 SOFC 스택 안전성능 평가항목을 도출하고자 하였으며, 정격출력 성능, 전압전류 특성, 연료 이용률, 내구성, 열충격, 기밀성능, 내압 시험, 차압 시험, 과부하 성능, (전압, 압력, 온도)응답시험, (긴급정지)연료/공기 차단 시험, (긴급정지)단락회로, 운전온도 시험 등 13개 시험 항목을 도출하였다. 도출된 평가항목은 SOFC 스택 안전성능 평가 시스템의 평가항목으로 적용할 것이며, 향후 안전한 SOFC 연료전지의 사용과 보급에 기여할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연료전지의 장점은?
연료전지는 태양광이나 풍력, 수력 등의 다른 발전원 들에 비하여 장소나 지형에 대한 제약이 없으며, 설치 면적이 작기 때문에 사용 편의와 효율적인 설치가 가능하다. 또한, 에너지의 연속성 부분에서도 연료가스만 공급되면 시간과 날씨에 관계없이 안정적으로 발전할 수 있기 때문에 분산 발전의 발전원으로써도 그 장점이 타 발전원에 비하여 월등하다 할 수 있다. 이러한 장점과 범용성 덕분에 연료전지 시장은 2010년 이후 매년 약 30%대의 성장률을 나타내고 있다[4].
SOFC 시스템과 스택의 고온 운전 특성은 무엇을 어렵게 하였는가?
SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)는 고온 연료전지 중 하나이며, SOFC 시스템과 스택은 고온 운전 특성을 가지고 있다. 이러한 특성 때문에 시스템 설계 및 재료의 선택, 내구성 확보, 안전성능 확보에 많은 어려움을 가지고 있다. 따라서 SOFC 연료전지의 상용화와 보급을 위해서는 안전성능 평가기술과 평가시스템의 개발이 병행되어야 한다.
대표적인 고온 연료전지에는 무엇이 있는가?
연료전지는 그 분류 방법에 따라 저온 연료전지와 고온 연료전지로 구분된다. 대표적인 저온 연료전지는 PMFC(Polymer Electrolyte Fuel Cell), DMFC(Direct Methanol Fuel Cell)이며, SOFC(Solid Oxide Fuel Cell), MCFC(Molten Carbonate Fuel Cell)는 대표적인 고온 연료전지이다. 그 중 고온 연료전지에 해당하는 SOFC는 다른 연료전지들에 비하여 발전 효율이 매우 높고, 타 발전원들과 연계가 쉬워 발전 효율을 더 높이는 것이 가능하다.
참고문헌 (14)
Kuk, Y. H. "Technology development trend of new and renewable energy hydrogen fuel cell", konetic report, Korea (2016)
IRS Global "'Domestic and foreign hydrogen and fuel cell market outlook and key technology trends' report", IRS Global Market-Report, Korea (2017)
Kuk, S. L., Nam, T. H., Lee, E. K., Lee, D. G., Moon, J. S., "Development of Safety Management Technology for Solid Oxide Fuel Cell Stack" Proceedings of the KIGAS 2017 spring Annual Conference.24 (2017)
Choi, D. W,. "The development of domestic hydrogen industry through comparison with foreign countries". ENERGY FOCUS 2017 spring. Korea Energy Economics Institute. 74-90 (2017)
Meng Ni, Tim S. Zhao,. "Solid Oxide Fuel Cells: From Materials to System Modeling." Royal Society of Chemistry. U.K (2013)
"NEW & RENEWABLE ENERGY WHITE PAPER" Ministry of Trade, Industry and Energy and Korea Energy Agency. Korea (2016)
IEC6228-7-1 "Fuel cell technologies - Part 7-1: Test methods - Single cell performance tests for polymer electrolyte fuel cells (PEFC)." International
JIS C 8831 "Safety evaluation test for stationary polymer electrolyte fuel cell stack." Japan
IEC6228-7-2 "Fuel cell technologies - Part 7-2: Test methods - Single cell and stack performance tests for solid oxide fuel cells (SOFC)." International
JIS C 8842 "Single cell and stack-performance test methods for solid oxide fuel cell (SOFC)." Japan
KGS AB 934 "Facility/Technical/Inspection Code for Manufacture of Gas Fuel Cells." Korea
IEC6228-3-100 "Fuel cell technologies - Part 3-100: Stationary fuel cell power systems - Safety." International
JIS C 8841-2 "Small solid oxide fuel cell power systems-Part 2: General safety codes and safety testing methods." Japan
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