연료전지 수소 충전소는 운전이나 안전 요구사항 측면에서 압축 천연가스인 CNG (compressed natural gas) 충전소와 유사하다.
수소 버스를 설계할 때 가장 중요한 부분이 점화원은 항상 안전하게 관리 및 버스 운행시에도 주변에 존재해서는 안된다. 아래 화재 삼각형에서 fuel은 수소로서 당연히 존재하고, 산소도 주변 공기중에 존재하므로 결국 heat인 점화원을 관리해야 화재 폭발을 방지할 수 있다.
Fire triangle. Source: Wikipedia
수소는 인화성이 매우 큰 물질이지만 가벼워 공기중에서 확산이 빠르게 진행되어 LEL을 빠르게 벗어나기 때문에 공기중에서 폭발의 위험이 낮다. 폭발범위 (4~74%)가 매우 넓어 (1.4~7.6% for gasoline, 5.3~15% for Natural Gas) 낮은 농도에서도 점화 에너지가 낮고, flame주변에 복사열이 작아 2차 화재의 위험성을 줄이지만, flame이 낮에는 잘 보이지 않아 감지가 쉽지 않고 따라서, 주차장이나 충전소에서의 조기 감지를 위해 열카메라나 OGI (Optical Gas Imaging) 카메라 혹은 ultrasound leak detection system이 필요하다.
수소 leak에 3가지 type이 있으며 H2 cloud, H2 jet, H2 jet flame이다. leak된 수소가 확산이 안되면 trap되어 폭발 범위에 있을 때 폭발할 수 있으며 폭연이나 폭굉으로 진전될 수 있다. 수소가 350bar이상의 특고압에서 저장되므로 tank에 손상이 있을 경우 leak되는 수소는 jet stream이 되어 그 path에 존재하는 운전원은 치명상을 입을 수 있다. 여기에 점화될 경우 jet flame이 발생되어 화재 폭발이 일어날 수 있다.
평가해야 할 주요 위험으로는 먼저 수소 누출이다. 수소는 독성이 아니므로 주요 관심사는 폭발범위의 유무이다. 폭발을 예방하기 위해서는 공기중 수소의 확산을 가속하여 수소가 폭발범위내에 있는 것을 피해야 한다. 배관 시스템은 leak의 잠재 원인으로 flange나 valve 등 연결 point에서 leak가 일어날 가능성이 매우 높다. leak시 피해를 줄이기 위해 주변 설비나 특정 action이 진행되는 장소로부터 수소 탱크간 이격 거리가 필요하며 저장량에 따라 혹은 위험성 평가를 통한 안전장치 설치에 따라 그 거리는 달라질 수 있다.
다음은 수소 누출에 대한 예상되는 시나리오이다. 먼저 tanker로부터 누출, 압축과정에서의 수소 누출, 운전중 수소 탱크로부터 leak에 대비해 fireproof wall이나 protection curtain을 설치하거나 fire detector를 고려하고 아울러 H2 감지기를 설치하여 감지가 되면 alarm을 띄우고, set point에 도달되면 shut off한다. leak된 수소가 공기중으로 빠르게 확산할 수 있도록 수직 ventilation을 고려해야 한다.
수소 누출을 예방하기 위해 수소차량의 유지관리가 중요하다. 마모되거나 손상되기 쉬운 부품들은 주기적 점검을 하여 필요시 교체를 하고, 적절한 공구사용이나 경험많은 기술자를 통해 유지관리를 해야 하며, 작업 위험성 평가 및 교육 훈련, 운전 및 정비 절차서를 갖추어야 한다.
수소 충전소에서 안전관리 사항으로 수소 농도가 accumulation되지 않도록 관리하고, 점화원을 제거해야 한다.
fuel cell system design은 효율과 application에 따라 단순할 수 있고 매우 복잡할 수 있다.
Simple PEM fuel cell system
fuel cell system은 air flow, H2 flow, H2O and excess H2 out의 sub system으로 구성된다. oxidant air는 filtering이후 습도가 조절된 후 fuel cell stack으로 들어간다. 가압된 수소는 유량제어를 한 후 check valve를 지나 system내로 들어간다. fuel cell stack으로부터 excess H2는 필터를 지나 퍼지되기 전에 압력을 check한다. 반응물인 수분 또한 외부 vent를 통해 퍼지된다. stack이 클 경우 fuel cell system은 더 복잡해진다.
H2 fuel cell을 버스에 설치하여 carbon footprint를 회기적으로 줄일 수 있지만, 아직은 안전에 대해 충분히 안심할 단계는 아닌 듯 하여 이번 기회에 원인 규명 및 system에 대한 위험성 평가를 통해 안전도를 더 높일 수 있는 방안에 대해 검토해야 할 것이다.
https://youtu.be/j5ViDfT90qc?si=vkyvVbHvwlPmXAFH
수소버스내 fuel cell system은 산소와의 반응을 통해 수소분자를 에너지로 전환을 하여, 전기 모터를 구동하는 battery pack을 charge하기 위해 작동한다. 이를 위해 H2 cylinder,fuel cell, battery pack, electric motor로 구성된다.
fuel cell 운전은 아래와 같다. 먼저 실린더로부터 수소가 fuel cell로 들어가 수소 분자는 전자와 양성자로 분해된다. 양성자인 수소 이온이 멤브레인을 통과하고, 전자는 fuel cell로부터 battery pack을 charge하게 된다. 충전된 전기는 모터를 구동하여 버스가 움직이게 되고, 이 과정에서 배출되는 물질은 물 밖에 없어서 clean system이라 한다.
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