1. 수소 안전장치 TPRD란?

TPRD는 Thermally Activated Pressure Relief Device의 약자로, 우리말로는 열 작동식 압력방출장치라고 부릅니다.

TPRD는 차량 화재 등으로 수소저장용기 주변 온도가 급격하게 상승했을 때 작동하여 용기 내부의 고압 수소를 외부로 방출합니다. 이를 통해 내부 압력이 위험 수준까지 높아지거나 저장용기가 파열되는 위험을 줄입니다.

TPRD가 필요한 이유

수소저장용기가 화염에 노출되면 용기 내부 수소의 온도와 압력이 함께 상승할 수 있습니다. 특히 복합재로 제작된 Type 4 수소용기는 화재가 장시간 지속될 경우 복합재와 수지의 구조적 성능이 저하될 가능성이 있습니다.

이때 TPRD가 정상적으로 작동하면 수소가 정해진 배출 경로를 통해 외부로 방출되면서 용기 내부 압력이 감소합니다.

TPRD 작동 과정

1. 차량 또는 주변 설비에서 화재가 발생합니다.
2. 수소저장용기와 TPRD 주변 온도가 상승합니다.
3. TPRD 내부 감열부가 설정 온도에 도달합니다.
4. 장치 내부의 수소 배출 통로가 열립니다.
5. 용기 내부의 고압 수소가 외부로 방출됩니다.
6. 용기 내부 압력이 감소하면서 파열 위험이 줄어듭니다.

TPRD의 주요 특징

• 화재와 같은 고온 환경에서 자동으로 작동합니다.
• 별도의 전기 신호 없이 열에 의해 기계적으로 작동할 수 있습니다.
• 수소저장용기 내부의 고압 수소를 외부로 방출합니다.
• 저장용기 파열에 따른 피해를 줄이는 역할을 합니다.
• 작동 후에는 일반적으로 재사용할 수 없어 교체가 필요합니다.

2. 수소 안전장치 체크밸브란?

체크밸브는 수소가 설정된 한 방향으로만 흐르도록 하고, 반대 방향으로 되돌아오는 것을 차단하는 장치입니다. 역지밸브 또는 역류방지밸브라고도 합니다.

수소충전 과정에서는 충전소 측 압력과 차량 저장용기 내부 압력 사이에 차이가 발생합니다. 정상적인 충전 상태에서는 충전소에서 차량 용기 방향으로 수소가 흐르지만, 설비 이상이나 압력 변화가 발생하면 수소가 반대 방향으로 흐르려는 상황이 생길 수 있습니다.

체크밸브는 이러한 역류를 방지하여 수소저장용기와 배관, 압축기 및 충전설비를 보호합니다.

체크밸브의 작동 원리

체크밸브의 주요 역할

• 고압 수소의 역류를 방지합니다.
• 충전설비와 고압 배관을 보호합니다.
• 수소저장용기 내부 수소의 외부 유출을 억제합니다.
• 압축기 정지 시 토출 측 수소의 역류를 방지합니다.
• 수소 시스템 내부의 압력 안정성을 확보합니다.

체크밸브가 적용되는 위치

• 차량용 수소저장시스템의 충전 라인
• 수소충전소 디스펜서 내부
• 수소 압축기 토출부
• 고압 저장용기 입구
• 수소 공급 배관과 감압장치 주변

3. 수소 안전장치 압력센서란?

압력센서는 수소저장용기나 배관 내부의 압력을 실시간으로 측정하고, 측정값을 전기 신호로 변환하여 제어장치에 전달하는 부품입니다.

수소전기차의 저장용기는 일반적으로 고압 상태로 운용되기 때문에 정확한 압력 측정은 충전량 계산과 잔량 표시, 충전 제어 및 이상 상태 판단에 매우 중요합니다.

압력센서의 주요 기능

• 수소저장용기 내부 압력을 측정합니다.
• 충전 중 압력이 상승하는 상태를 감시합니다.
• 과압 또는 비정상적인 압력 변화를 감지합니다.
• 수소 잔량 계산에 필요한 데이터를 제공합니다.
• 차량 ECU 또는 충전소 PLC에 압력 신호를 전달합니다.
• 설정 압력을 초과하면 충전 중지와 경고 신호를 출력합니다.

압력센서의 적용 위치

• 차량용 수소저장용기와 저장 모듈
• 수소충전소의 고압 저장설비
• 수소 압축기 입구와 출구
• 디스펜서 내부의 고압 배관
• 감압기 전단과 후단

압력센서 이상 시 발생할 수 있는 문제

4. 수소 안전장치 수소센서란?

수소센서는 공기 중 수소 농도를 측정하여 수소 누설 여부를 감지하는 장치입니다.

수소는 무색·무취이기 때문에 사람이 냄새나 색으로 누설을 직접 확인하기 어렵습니다. 또한 수소는 공기보다 매우 가벼워 누설되면 빠르게 위쪽으로 이동합니다.

따라서 수소센서는 수소가 모일 가능성이 높은 천장 부근이나 설비 상단에 설치하는 것이 일반적입니다.

수소센서의 주요 기능

• 공기 중 수소 농도를 실시간으로 측정합니다.
• 수소 누설을 초기 단계에서 감지합니다.
• 설정 농도 이상에서 경보를 발생시킵니다.
• 환기팬 자동 작동 신호를 출력합니다.
• 수소 공급 밸브를 긴급 차단합니다.
• 충전 또는 설비 운전을 정지시킵니다.

수소센서의 주요 설치 위치

• 수소충전소 캐노피와 천장 부근
• 압축기실과 기계실 상부
• 수소저장설비 주변
• 배관 연결부와 밸브 주변
• 차량 수소저장용기와 밸브 주변
• 밀폐되거나 환기가 제한되는 공간의 상부

수소 농도 상승 시 대응 과정

실제 시스템에서는 수소 농도에 따라 여러 단계의 경보 기준을 설정할 수 있습니다. 낮은 농도에서는 경고와 환기를 실시하고, 농도가 계속 상승하면 수소 공급 차단과 긴급 정지로 이어집니다.

1. 배관이나 밸브 주변에서 수소 누설이 발생합니다.
2. 누설된 수소가 설비의 위쪽으로 확산합니다.
3. 수소센서가 공기 중 수소 농도 상승을 감지합니다.
4. 경보가 발생하고 환기장치가 작동합니다.
5. 필요하면 공급밸브가 닫히고 시스템이 정지합니다.

5. 수소 안전장치는 어떻게 연동될까?

실제 수소전기차와 수소충전소에서는 각각의 수소 안전장치가 독립적으로만 작동하지 않습니다. 센서와 밸브, 환기장치 및 제어 시스템이 서로 연동되어 사고를 예방합니다.

수소센서가 누설을 감지하면 제어 시스템은 경보를 발생시키고 환기팬을 작동시킬 수 있습니다. 수소 농도가 설정 기준 이상으로 증가하면 공급밸브를 닫고 압축기나 디스펜서의 운전을 정지합니다.

압력센서가 비정상적인 압력 상승을 감지하면 충전을 즉시 중단하거나 관련 밸브를 차단할 수 있습니다. 체크밸브는 이 과정에서 수소의 역류를 방지합니다.

화재로 수소저장용기 주변 온도가 급격하게 상승하면 TPRD가 열에 의해 작동하여 저장용기 내부 수소를 정해진 방향으로 방출합니다.

6. 수소 안전장치별 역할 비교

7. 수소 안전장치 관리 시 주의사항

수소 안전장치가 설치되어 있더라도 정상적으로 작동하지 않으면 사고 예방 효과를 기대하기 어렵습니다. 따라서 설계 단계뿐 아니라 생산과 검사, 사용 및 정비 단계에서도 지속적인 관리가 필요합니다.

• TPRD 배출구가 이물질이나 도장으로 막히지 않았는지 확인해야 합니다.
• TPRD와 배출 배관의 방향이 안전한 위치를 향하는지 점검해야 합니다.
• 체크밸브의 기밀성과 반복 작동 성능을 확인해야 합니다.
• 압력센서 측정값과 기준 압력 사이의 오차를 관리해야 합니다.
• 압력센서 배선의 단선·단락과 커넥터 접촉 상태를 점검해야 합니다.
• 수소센서의 감도 저하와 오염 여부를 정기적으로 확인해야 합니다.
• 수소센서 주변에 공기 흐름을 방해하는 구조물이 없는지 확인해야 합니다.
• 경보, 환기, 차단밸브와 긴급정지 기능의 연동 시험을 실시해야 합니다.

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