고장 모드 및 영향 분석(FMEA, Failure Modes and Effects Analysis)은 수소 전지 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 매우 중요한 기법이다. 이 분석 방법은 시스템의 각 구성 요소에서 발생할 수 있는 잠재적인 고장 모드를 식별하고, 그 고장이 시스템 전체에 미치는 영향을 평가하여 이를 해결할 수 있는 방안을 도출하는 데 중점을 둔다. 이를 통해 시스템 고장의 발생 가능성을 줄이고, 고장이 발생하더라도 그로 인한 영향이 최소화되도록 설계할 수 있다.

FMEA의 첫 단계는 시스템의 구조를 이해하고, 각 구성 요소의 기능을 명확하게 정의하는 것이다. 수소 전지 시스템의 경우, 전력 변환 장치, 연료 공급 장치, 냉각 시스템, 배터리 및 연료 전지 하이브리드 시스템 등이 주요 구성 요소에 해당한다. 각 구성 요소가 수행하는 기능이 무엇인지 명확히 한 후, 해당 기능이 실패할 수 있는 방식(고장 모드)을 규명하는 것이 중요하다.

고장 모드의 식별

수소 전지 시스템에서 발생할 수 있는 고장 모드에는 다음과 같은 예시가 있다.

• 전력 변환 장치 고장: 변환 장치가 적절한 전력 출력을 유지하지 못하는 경우, 시스템의 전력 공급이 중단되거나 불안정해질 수 있다.
• 연료 공급 장치 고장: 연료 공급 시스템이 연료를 적절히 공급하지 못하면, 연료 전지에서 필요한 전기화학 반응이 이루어지지 않으며, 이는 시스템 성능 저하 또는 중단으로 이어질 수 있다.
• 냉각 시스템 고장: 냉각 시스템이 제대로 작동하지 않으면, 연료 전지 스택의 온도가 과도하게 상승할 수 있으며, 이는 성능 저하뿐만 아니라 물리적 손상을 초래할 수 있다.
• 배터리 고장: 배터리와 연료 전지 하이브리드 시스템에서 배터리가 충분한 에너지를 공급하지 못하거나 충전 및 방전이 비효율적으로 이루어질 경우, 전력 수요를 충족시키지 못하게 된다.

영향 분석

고장 모드를 식별한 후, 각 고장이 시스템에 미치는 영향을 분석한다. 이때 중요한 것은 각 고장의 결과가 시스템의 주요 성능 지표에 얼마나 큰 영향을 미치는지를 평가하는 것이다. FMEA에서 흔히 사용되는 메트릭은 고장의 심각성(Severity), 발생 가능성(Occurrence), 그리고 고장의 탐지 가능성(Detection)이다.

심각성 (Severity, $S$)

고장이 시스템에 미치는 영향의 정도를 나타내며, 일반적으로 1에서 10까지의 척도로 평가한다. 10은 시스템에 치명적인 영향을 미치는 경우를 의미하며, 1은 거의 영향을 미치지 않는 경우를 의미한다.

발생 가능성 (Occurrence, $O$)

해당 고장이 발생할 가능성을 나타내는 값이다. 이 역시 1에서 10까지의 척도로 평가하며, 10은 고장이 매우 자주 발생하는 경우를 의미하고, 1은 거의 발생하지 않는 경우를 의미한다.

탐지 가능성 (Detection, $D$)

고장이 발생했을 때 이를 탐지할 수 있는 정도를 나타낸다. 마찬가지로 1에서 10까지의 척도를 사용하며, 10은 고장을 탐지하기 매우 어려운 경우, 1은 쉽게 탐지할 수 있는 경우를 의미한다.

위험 우선 순위 수 (RPN)

FMEA의 주요 결과 중 하나는 위험 우선 순위 수(Risk Priority Number, RPN)로, 이는 고장의 심각성, 발생 가능성, 탐지 가능성을 곱한 값이다.

이 수치가 높을수록 그 고장은 해결해야 할 우선순위가 높다는 것을 의미한다. 시스템의 각 고장 모드에 대해 RPN을 계산한 후, 그 값을 기준으로 우선적으로 개선할 고장을 식별할 수 있다. 예를 들어, 연료 공급 시스템에서 발생하는 고장의 심각성($S$)이 높고 발생 가능성($O$) 또한 높다면, 이를 해결하기 위한 방안이 가장 우선시되어야 할 것이다.

FMEA의 적용 예시

FMEA는 수소 전지 시스템의 모든 구성 요소에 적용될 수 있다. 예를 들어, 냉각 시스템의 경우, 다음과 같이 분석할 수 있다.

• 고장 모드: 냉각 팬 고장
• 영향: 연료 전지 스택의 온도가 상승하여 성능 저하 및 스택 손상 가능
• 심각성 ($S$): 9 (스택 손상 시 시스템의 주요 기능 상실)
• 발생 가능성 ($O$): 5 (냉각 팬의 기계적 고장은 일정 확률로 발생)
• 탐지 가능성 ($D$): 4 (냉각 팬의 고장은 온도 센서를 통해 탐지 가능)

이 경우, RPN은 다음과 같이 계산된다.

따라서 냉각 팬 고장은 비교적 우선순위가 높은 문제로 간주되며, 이에 대한 개선 방안을 마련해야 한다. 여기에는 냉각 팬의 이중화 설계나, 고장 탐지를 위한 보다 정교한 센서 시스템 도입 등이 포함될 수 있다.

FMEA의 실행 단계

FMEA는 다음과 같은 단계에 따라 수행된다.

1. 시스템 정의 및 분석 범위 설정

처음으로 수행해야 할 작업은 분석하려는 시스템의 정의 및 분석 범위의 설정이다. 수소 전지 시스템의 경우, 전체 시스템의 각 부분, 즉 연료 공급, 전력 변환, 냉각, 하이브리드 시스템 등이 분석 대상이 될 수 있다. 이때 각 시스템의 기능과 목적이 명확히 정의되어야 한다. 예를 들어, 연료 공급 시스템의 주요 목적은 연료를 연료 전지로 안정적으로 공급하는 것이다.

2. 고장 모드 식별

각 시스템 구성 요소에 대해 발생할 수 있는 모든 고장 모드를 식별해야 한다. 이때 고장 모드는 크게 기능적 고장과 비기능적 고장으로 나눌 수 있다. 기능적 고장은 시스템이 설계된 대로 작동하지 않는 경우를 말하며, 비기능적 고장은 시스템의 물리적 또는 환경적 요소로 인해 발생하는 고장이다.

예를 들어, 연료 공급 시스템에서는 연료 공급 중단, 연료 압력 감소 등이 기능적 고장 모드로 간주될 수 있다. 반면에, 냉각 시스템의 경우 냉각수 누출, 냉각 펌프 고장 등이 비기능적 고장 모드로 분류될 수 있다.

3. 고장의 원인 분석

식별된 고장 모드마다 그 원인을 분석해야 한다. 이 단계에서는 고장의 근본 원인을 파악하는 것이 핵심이다. 원인을 파악함으로써 고장의 발생을 사전에 방지할 수 있는 설계를 도입할 수 있다. 고장의 원인은 설계 결함, 제조 결함, 사용 중 환경적 요인 등으로 구분할 수 있다.

예를 들어, 연료 공급 중단의 원인은 연료 펌프 고장, 연료 라인 차단, 연료 필터 막힘 등이 있을 수 있다. 이러한 원인들은 각각 다른 해결책을 요구하기 때문에, 각 고장 모드에 대한 원인 분석이 중요하다.

4. 고장 모드의 영향 평가

각 고장 모드가 시스템 전체에 미치는 영향을 평가하는 단계다. 이때 중요한 평가 기준은 다음과 같다.

• 시스템 성능 저하의 정도: 고장으로 인해 시스템의 성능이 얼마나 저하되는지를 평가한다. 예를 들어, 연료 공급 중단이 발생하면 연료 전지의 전력 출력이 급격히 감소할 수 있다.
• 시스템 안전성에 미치는 영향: 고장이 시스템 안전성에 미치는 영향을 평가한다. 예를 들어, 냉각 시스템의 고장으로 인해 시스템이 과열되면 안전에 치명적인 위험이 발생할 수 있다.

5. 고장 우선 순위 결정

고장 모드와 그 영향이 평가되면, 각 고장 모드에 대해 RPN을 계산하여 우선순위를 결정한다. 고장의 심각성, 발생 가능성, 탐지 가능성을 고려한 RPN 값이 높을수록 그 고장을 우선적으로 해결해야 한다. 이때 RPN 값이 높은 고장 모드에 대해서는 추가적인 예방 조치를 고려해야 한다.

6. 개선 조치 도출

FMEA의 마지막 단계는 도출된 고장 모드에 대해 개선 방안을 제시하는 것이다. 개선 조치는 시스템 설계의 변경, 고장 탐지 방법의 개선, 유지보수 절차의 강화 등을 포함할 수 있다.

예를 들어, 연료 공급 중단의 경우 연료 펌프의 이중화, 연료 필터의 주기적 점검 및 교체 등이 개선 조치로 도출될 수 있다. 냉각 시스템 고장에 대해서는 냉각 팬의 고장 탐지를 위한 센서 추가 및 정기적인 냉각수 점검 절차 도입 등이 고려될 수 있다.

FMEA 예시: 연료 공급 시스템 분석

연료 공급 시스템에 대해 FMEA를 적용한 예시를 살펴보자.

구성 요소	고장 모드	고장의 원인	영향	심각성 ($S$)	발생 가능성 ($O$)	탐지 가능성 ($D$)	RPN
연료 펌프	연료 공급 중단	펌프 고장	전력 출력 저하, 시스템 중단	9	4	5	180
연료 라인	연료 압력 감소	연료 누출	전력 출력 저하	8	3	6	144
연료 필터	연료 흐름 차단	필터 막힘	전력 출력 저하, 시스템 불안정	7	5	4	140

위의 표에서 볼 수 있듯이, 연료 펌프 고장 시 발생하는 연료 공급 중단은 심각성이 매우 높은 고장 모드로, 발생 가능성 또한 상대적으로 높다. 탐지 가능성은 중간 정도로 평가되며, 전체 RPN 값은 180으로 나타난다. 이는 해당 고장 모드가 개선해야 할 우선순위에 놓인다는 것을 의미한다.

이와 같은 방식으로 다른 구성 요소에 대해서도 FMEA를 적용하여 분석할 수 있으며, 이를 통해 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 방안을 도출할 수 있다.