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문제 정의
- 따라서 안전성의 확보를 위한 기본적인 방법으로 수소 이용 시스템 내부에서 수소 농도 모니터링의 중요성이 부각된다. 본 연구에서는 가정용 연료전지의 안전성 확보를 위한 기초자료의 축적을 위해 육면체의 챔버내에서 수소가 누출되었을 때의 확산 특성을 실험적으로 평가하였다. 일반적인 상용가정용 연료전지 모듈의 크기를 고려하여 챔버를 제작하였으며 누출 유량과 누출 위치를 변화시키면서 수소 센서를 이용하여 각 위치에서의 수소농도의 변화를 측정하였다.
- 본 실험은 가정용 연료전지 시스템에서 수소 사용 시 누출과 폭발의 위험성을 줄이고자 실물 규격의 챔버를 제작하고 실제 수소를 누출시켜 센서의 농도 신호크기를 확인하였다. 또한 전산해석과의 비교를 통해 확장된 모델의 해석에 용이함을 추구하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 가정용 연료전지의 안전성 확보를 위한 기초자료의 축적을 위해 육면체의 챔버내에서 수소가 누출되었을 때의 확산 특성을 실험적으로 평가하였다. 일반적인 상용가정용 연료전지 모듈의 크기를 고려하여 챔버를 제작하였으며 누출 유량과 누출 위치를 변화시키면서 수소 센서를 이용하여 각 위치에서의 수소농도의 변화를 측정하였다. 이렇게 얻어진 실험 결과를 통해 누출된 수소의 확산 및 유동 특성을 파악하였으며, CFD 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.
- 측정 범위는 0~4%(vol) 이고 농도에 따른 전압 신호를 0%일 때 40mV, 4% 일 때 200mV로 비례적으로 출력한다. 검출 농도에 90% 도 달하는 응답 시간 Twe 90sec 이내이고 검출 방식은 대기 확산식이디..
- 수소가스의 유동형태를 파악하기 위하여 수소센서의 설치 위치를 변화시키며 실험을 수행하였다. 수소센서의 위치는 수평 배열일 때 챔버 상단 면의 중앙과 양쪽 가장자리로부터 안쪽으로 70mm 떨어진 곳에 수평 방향으로 부착한 경우와 수직 배열일 때 챔버 측면의 바닥에서부터 250mm, 550mm, 990mm의 위치에 수직 방향으로 부착한 두 가지 경우로 구분하였다.
- 설치 위치를 변화시키며 실험을 수행하였다. 수소센서의 위치는 수평 배열일 때 챔버 상단 면의 중앙과 양쪽 가장자리로부터 안쪽으로 70mm 떨어진 곳에 수평 방향으로 부착한 경우와 수직 배열일 때 챔버 측면의 바닥에서부터 250mm, 550mm, 990mm의 위치에 수직 방향으로 부착한 두 가지 경우로 구분하였다. 이것을 Fig.
- 봄베에서 챔버까지 이르는 관로의 중간에 MFC를 설치하였으며 설정한 유량 값에 도달할 때까지 수소가스는 대기 중으로 배줄 시켰다. 누줄 유량은 봄베에서 누줄 관사이에 설치된 MFC(C100M, sierra)* 통하여 cc/s 단위로 제어되었다 센서 신호의 측정 시작 이후 15sec 후에 수소가스를 챔버 안에 유입시켰으며 120sec 간 누출시킨 후 중단시켰다. 3가지 실험 모두의 경우에 같은 방법을 사용하였다.
- 3가지 실험 모두의 경우에 같은 방법을 사용하였다. 그 신호는 DAQ 장비를 사용하여 컴퓨터로 기록하였다. 실험 장치의 구성도를 Fig.
- 해석 모델의 크기 및 누출 위치는 실험과 동일한 상태로 설정하고 수행하였다. 실험과 전산해석의 결과 비교를 위해 해석 모델내부에 실험 장치의 센서 설치 위치와 동일한 측정지점을 설정하였다. 측정지점에서 수소가스의 도달 시간 및 농도는 자동으로 기록하였다.
- 된다. 챔버 내수소 누줄시 높이에 따른 수소 농도의 특성을 확인하기 위하여 수직으로 센서를 배열한 조건에서 case 2의 실험을 진행하였으며 위험영역의 변화를 확인하기 위하여 동일한실험조건하에 누출되는 유량을 변화시키고 결과를 관찰하였다. 센서의 위치는 챔버의 중앙 하단 면에서부터 250mm 위쪽에 S3, 550mm 위쪽에 S2, 상단면의 중앙에 S1 을 위치시켰으며 시간에 따른 높이 별 농도를 즉정하였다.
- 챔버 내수소 누줄시 높이에 따른 수소 농도의 특성을 확인하기 위하여 수직으로 센서를 배열한 조건에서 case 2의 실험을 진행하였으며 위험영역의 변화를 확인하기 위하여 동일한실험조건하에 누출되는 유량을 변화시키고 결과를 관찰하였다. 센서의 위치는 챔버의 중앙 하단 면에서부터 250mm 위쪽에 S3, 550mm 위쪽에 S2, 상단면의 중앙에 S1 을 위치시켰으며 시간에 따른 높이 별 농도를 즉정하였다. Fig.
- 실험 결과의 타당성을 입증하기 위한 방법으로 실험과 시뮬레이션에서의 센서 위치별 감지 시간을 비교하였다. Case 1에 대한 실험과 전산해석 결과의 비교를 Fig.
대상 데이터
- 수소 누출 실험을 위한 육면체 챔버의 치수는 850x S&Aggomm로 상용화를 위해 개발 중인 연료전지 모듈의 크기를 고려하여 제작하였다. 혼합가스 누출을 위한 구멍은 챔버의 바닥에서 15mm 위쪽에 떨어져 있으며 수소를 누출시키기 위해 직경 3mm의 구멍을 뚫고 내경 2mm의 관을 삽입하였다.
- 실험에 사용된 수소 센서는 전기화학식 수소 센서로서 (4HYT, SensoriC) 양극과 음극에서 산화 환원 반응을 통하여 전류를 발생시킨다. 감지부의 크기는 직경 20mm, 높이 16mm이며 PCB 보드와 일체형으로 구성되어 있다.
데이터처리
- 일반적인 상용가정용 연료전지 모듈의 크기를 고려하여 챔버를 제작하였으며 누출 유량과 누출 위치를 변화시키면서 수소 센서를 이용하여 각 위치에서의 수소농도의 변화를 측정하였다. 이렇게 얻어진 실험 결과를 통해 누출된 수소의 확산 및 유동 특성을 파악하였으며, CFD 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.
이론/모형
- 해석도구는 상용 CFD 코드인 fluent 6.2를 이용하였다. 챔버 내부의 수소 확산 및 유동은 standard k”의 난류 모델을 적용하여 해석하였다.
- 2를 이용하였다. 챔버 내부의 수소 확산 및 유동은 standard k”의 난류 모델을 적용하여 해석하였다. 초기 챔버 내부는 공기로 가득 차 있는 상태이며 설정된 지점에서 100% 농도의 수소가스를 챔버 내부로 주입 시켰다.
성능/효과
- 3에 나타내었다. 챔버의 가운데 아래에서 수소를 누출시킨 경우, 수소 누출 후 S2에서 32sec, S1, S3에서 35sa로 동시에 신호가 감지된 후 일정 시간이 지난 후에 챔버의 양 옆 구석에서 농도가 높게 측정되는 것을 확인하였다. 10cc/s의 유량으로 2min동안 누출시켰을 때 전체 체적 2&), 에서 S1과 S3는 1% 내외의 수소 농도를, S2 에서는 07%의 농도를 유지하였다.
- 그 후 S2와 S3는 급격한 상승과 하락을 반복하는 불규칙한 응답 특성을 보여 누출 지점 주변의 유동이 불안정함을 나타내었다. 또한 HOsec 지점에서는 폭발한계인 4%를 넘어서는 불규칙한 경향을 보여, 누출 초기가 위험함을 보였다. 그 이후 40sec가 지나고 나서 챔버 내의 농도분포는 안정되는 양상을 보였으며 상단부에서 최대 농도는 1.
- 또한 HOsec 지점에서는 폭발한계인 4%를 넘어서는 불규칙한 경향을 보여, 누출 초기가 위험함을 보였다. 그 이후 40sec가 지나고 나서 챔버 내의 농도분포는 안정되는 양상을 보였으며 상단부에서 최대 농도는 1.581%이었다.
- 6에 나타내었다. 135sec의 수소 누출 중단 시점에 수소 가스 수직 상승에 따른 유동의 영향으로챔버 상단면 중간의 수소농도는 양 옆 구석에 비하여 낮은 수치를 나타내었으나 26sec 후챔버 내부 유동이 안정됨에 따라 상단면 전체에 고르게 분포 되었다. 챔버 내부 측정지점에서 농도 변화양상은 실험의 결과와 유사하였다 그러나 측정지점에서 최대 농도는 실험의 결과보다 높게 나타났다.
- 5sec의 차이가 있었다. 누줄 위치에서 가장 근접한 S3는 누줄 lOsec 후 폭발 하한치인 4%를 넘었고 누출 중 지 후 농도 수치는 급격히 감소하였다 상단면에 위치한 S1 에서의 최대 농도값은 2.87%로 측정되었으며 누출중 지 후 감소하여 챔버 내 부 유동이 안정된 후 2% 부근의 농도값을 나타내었다. 각 측정 지점에서 농도 값의 변화는 실제 실험 데이터의 불규칙한 양상보다 이상적인 변화율을 보였으며 급격한 농도변화가 일어나는 시간은 실험과 유사하였다.
- 이것은 수소가스의 누출 유량에 따라 폭발 하한 4%인 위험영역이 변화될 수 있음을 나타내었다. 수소 가스가 상단 면에 도달하는 시간은 lOsec 、걸렸고 이후 상단면에서 농도는 선형적으로 증가하였으며 최대 4.967%를 나타내었다. 챔버 내부 수소 가스 유동이 안정된 후 상단 면에서부터 하단 면으로 높이에 따라 수소 농도 신호의 크기가 낮아져 수소는 상부에 적층되는 양상을 보였다.
- 11의 경우 실험과 전산해석 결과가 대부분 경향이 일치하는 것으로 나타났다. 실험과 전산해석 결과 비교는 각 센서에서 수소를 감지하는 시간이 유사함으로 타당성을 입증하였고 확장된 모델의 전산 해석에 이용될 수 있는 것으로 판단되었다.
- 신호크기를 확인하였다. 또한 전산해석과의 비교를 통해 확장된 모델의 해석에 용이함을 추구하였다.
- 1) 수소는 누줄 시수직으로 상승하며 구조물에 부딪혀 측면으로 확산되었다.
- 2) 수소는 밀폐된 공간 안에서 높이에 따라 상부에 적층됨을 확인하였다.
- 3) 1% 농도의 수소가스를 10cc/s로 누출시킬 경우 누출 지점에 근접한 영역은 4%를 넘는 농도 신호 크기로 폭발 위험성이 있었다.
- 4) 혼합가스 누출 양의 증가는 센서와 반응 시간을 단축시키고 수소제트의 변화로 상이한 유 동장을 형성하였다. 이것을 통해 수소 센서의 위치 선정이 중요함을 알 수 있다.
- 5) 전산 해석상의 수소가스 검출 시간은 실험과 유사하며 시간에 따른 수소 확산 패턴은 일치하였다. 6) 수소 누출 시 초기 근접 부위 및 수소가 적층되는 상부는 폭발의 위험성이 있으므로 향후 연료 전지시스템의 환기와 수소안전에 대해 연구를 진행할 필요성이 대두되었다.
후속연구
- 일치하였다. 6) 수소 누출 시 초기 근접 부위 및 수소가 적층되는 상부는 폭발의 위험성이 있으므로 향후 연료 전지시스템의 환기와 수소안전에 대해 연구를 진행할 필요성이 대두되었다.
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