본 연구는 국내 F사의 가정용 연료전지 시스템의 실제 크기를 모델로 하여, 실물 규격의 챔버를 제작하여 3곳의 누출 지점에서 수소를 누출시키고 환기구의 개폐 여부에 따라 수소 센서의 응답 특성을 확인하였다. 또한, 시스템 내부에 4가지 구성품(...
본 연구는 국내 F사의 가정용 연료전지 시스템의 실제 크기를 모델로 하여, 실물 규격의 챔버를 제작하여 3곳의 누출 지점에서 수소를 누출시키고 환기구의 개폐 여부에 따라 수소 센서의 응답 특성을 확인하였다. 또한, 시스템 내부에 4가지 구성품(개질기, 연료전지 스택, 가습기, 탈황기)이 시스템 체적 중 약 30%를 차지하고 있을 때, 환기 면적과 수소 누출량을 변화시키면서 수치 해석을 수행하였다. 수소 누출 실험 결과, 수소는 누출 시 공기보다 가벼운 물리적 특성으로 인하여 상향으로 확산되며 밀폐된 공간 안에서는 상부에 적층됨을 확인하였으며, 수소의 누출 지점에 따라 수소 센서의 응답 특성은 수 초에서 수십 초까지 지연될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 작은 환기구를 두어 환기구의 개폐 여부에 따라 실험을 수행한 결과, 환기구 개방 시 수소 농도는 0.2%~0.5%까지 감소되었다. 하지만, 작은 환기구만으로는 환기가 충분히 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 가정용 연료전지 시스템에 대한 수치 해석을 수행하였다. 환기 면적 2%(상부 : 1.5%, 하부 : 0.5%), 수소 누출량 1%인 경우, 비정상 상태 수치 해석 결과, 수소는 약 50초 동안, 누출 지점에서 하부측으로 농도 증가를 보이다가, 점차 상부측 환기구를 통해 배출되어 약 150초를 지나면서 하부측의 농도가 줄어들었으며, 약 250초가 지난 후 정상 상태에 도달하였다. 환기 면적 1%(상부 : 0.5%, 하부 : 0.5%), 수소 누출량 1%, 3%, 5%에 대한 정상 상태 수치 해석 결과, 수소 누출량이 1%인 경우, 시스템은 경보 농도 수준(1%, 체적기준)에 도달하였으며, 수소 누출량이 5%가 되면 시스템 전 영역에서 수소의 인화 하한(4%, 체적기준)에 도달하는 것을 확인하였다. 환기 면적 2%(상부 : 1.5%, 하부 : 0.5%), 수소 누출량 1%, 3%, 5%에 대한 정상 상태 수치 해석 결과, 수소 누출량이 5%가 되더라도 시스템 내부 대부분의 영역에서 경보 농도 수준(1%, 체적기준) 이하임을 확인할 수 있었으나, 누출 지점으로부터 상부쪽으로 위험 영역이 존재하는 것을 알 수 있었다. 또한, 같은 환기 면적인 경우에도 환기구가 측면에 있는 것보다 상부측에 있는 것이 수소의 위험성을 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.
본 연구는 국내 F사의 가정용 연료전지 시스템의 실제 크기를 모델로 하여, 실물 규격의 챔버를 제작하여 3곳의 누출 지점에서 수소를 누출시키고 환기구의 개폐 여부에 따라 수소 센서의 응답 특성을 확인하였다. 또한, 시스템 내부에 4가지 구성품(개질기, 연료전지 스택, 가습기, 탈황기)이 시스템 체적 중 약 30%를 차지하고 있을 때, 환기 면적과 수소 누출량을 변화시키면서 수치 해석을 수행하였다. 수소 누출 실험 결과, 수소는 누출 시 공기보다 가벼운 물리적 특성으로 인하여 상향으로 확산되며 밀폐된 공간 안에서는 상부에 적층됨을 확인하였으며, 수소의 누출 지점에 따라 수소 센서의 응답 특성은 수 초에서 수십 초까지 지연될 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 작은 환기구를 두어 환기구의 개폐 여부에 따라 실험을 수행한 결과, 환기구 개방 시 수소 농도는 0.2%~0.5%까지 감소되었다. 하지만, 작은 환기구만으로는 환기가 충분히 이루어지지 않음을 확인할 수 있었다. 이를 바탕으로 가정용 연료전지 시스템에 대한 수치 해석을 수행하였다. 환기 면적 2%(상부 : 1.5%, 하부 : 0.5%), 수소 누출량 1%인 경우, 비정상 상태 수치 해석 결과, 수소는 약 50초 동안, 누출 지점에서 하부측으로 농도 증가를 보이다가, 점차 상부측 환기구를 통해 배출되어 약 150초를 지나면서 하부측의 농도가 줄어들었으며, 약 250초가 지난 후 정상 상태에 도달하였다. 환기 면적 1%(상부 : 0.5%, 하부 : 0.5%), 수소 누출량 1%, 3%, 5%에 대한 정상 상태 수치 해석 결과, 수소 누출량이 1%인 경우, 시스템은 경보 농도 수준(1%, 체적기준)에 도달하였으며, 수소 누출량이 5%가 되면 시스템 전 영역에서 수소의 인화 하한(4%, 체적기준)에 도달하는 것을 확인하였다. 환기 면적 2%(상부 : 1.5%, 하부 : 0.5%), 수소 누출량 1%, 3%, 5%에 대한 정상 상태 수치 해석 결과, 수소 누출량이 5%가 되더라도 시스템 내부 대부분의 영역에서 경보 농도 수준(1%, 체적기준) 이하임을 확인할 수 있었으나, 누출 지점으로부터 상부쪽으로 위험 영역이 존재하는 것을 알 수 있었다. 또한, 같은 환기 면적인 경우에도 환기구가 측면에 있는 것보다 상부측에 있는 것이 수소의 위험성을 줄일 수 있음을 확인할 수 있었다.
The residential fuel cell system was modeled as a box-shaped chamber for the experiment. The sensor response is delayed from 3 sec to 11 sec at the different leakage points and the sensor response to concentration decreased 0.2% to 0.5% when the vent is open. But the difference of hydrogen concentra...
The residential fuel cell system was modeled as a box-shaped chamber for the experiment. The sensor response is delayed from 3 sec to 11 sec at the different leakage points and the sensor response to concentration decreased 0.2% to 0.5% when the vent is open. But the difference of hydrogen concentration is small between the vent opening is open and close. So, if the vent opening size is not enough, the system has dangerousness. For the numerical analysis based on the experimental results, the residential fuel cell system was modeled as a box-shaped chamber with vent opening, filled with various components such as reformer, desulfurizer, fuel cell stack and humidifier. When the vent opening is 2% (top : 1.5%, bottom : 0.5%) of the total surface and 1% hydrogen leakage, hydrogen concentration increased at the bottom of the system for 50 sec. The hydrogen concentration is getting to increase for 150 sec at the top of the system. After 250 sec, hydrogen concentration reached the steady state in the system. When the vent opening is 1% of the total surface and hydrogen leakage 1%, 3%, 5%, the steady state result of CFD, 1% hydrogen leakage is warning level for the people, 5% of hydrogen leakage reached the lowest ignition limit in the system. As the vent opening increased from 1% to 2% of the total surface, averaged hydrogen mole fraction is under 1% in the system, however, upper regions of the system from the hydrogen leakage points are shown over 1% of hydrogen mole fraction. Though the residential fuel cell system has the same 2% vent opening, having the vent opening on the top is less dangerous than on the side in the residential fuel cell system. From the experimental and numerical results, residential fuel cell system should have a fan or slits on the top surface.
The residential fuel cell system was modeled as a box-shaped chamber for the experiment. The sensor response is delayed from 3 sec to 11 sec at the different leakage points and the sensor response to concentration decreased 0.2% to 0.5% when the vent is open. But the difference of hydrogen concentration is small between the vent opening is open and close. So, if the vent opening size is not enough, the system has dangerousness. For the numerical analysis based on the experimental results, the residential fuel cell system was modeled as a box-shaped chamber with vent opening, filled with various components such as reformer, desulfurizer, fuel cell stack and humidifier. When the vent opening is 2% (top : 1.5%, bottom : 0.5%) of the total surface and 1% hydrogen leakage, hydrogen concentration increased at the bottom of the system for 50 sec. The hydrogen concentration is getting to increase for 150 sec at the top of the system. After 250 sec, hydrogen concentration reached the steady state in the system. When the vent opening is 1% of the total surface and hydrogen leakage 1%, 3%, 5%, the steady state result of CFD, 1% hydrogen leakage is warning level for the people, 5% of hydrogen leakage reached the lowest ignition limit in the system. As the vent opening increased from 1% to 2% of the total surface, averaged hydrogen mole fraction is under 1% in the system, however, upper regions of the system from the hydrogen leakage points are shown over 1% of hydrogen mole fraction. Though the residential fuel cell system has the same 2% vent opening, having the vent opening on the top is less dangerous than on the side in the residential fuel cell system. From the experimental and numerical results, residential fuel cell system should have a fan or slits on the top surface.
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