[논문]장대터널에서 수소연료전지 차량의 수소 누출에 대한 수소 거동의 수치해석 연구

최종락; 허남건; 이문규; 장형진; 이광범; 용기중

doi:10.7316/khnes.2012.23.6.588

장대터널에서 수소연료전지 차량의 수소 누출에 대한 수소 거동의 수치해석 연구
A Numerical Analysis of Hydrogen Diffusion for Hydrogen Leakage from a Fuel Cell Vehicle in a Long Road Tunnel 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.6, 2012년, pp.588 - 597

최종락 (서강대학교 기계공학과) , 허남건 (서강대학교 기계공학과) , 이문규 (서강대학교 서강미래기술연구원) , 장형진 (교통안전공단 자동차안전연구원) , 이광범 (교통안전공단 자동차안전연구원) , 용기중 (교통안전공단 자동차안전연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, the dispersion characteristics of hydrogen leakage from a Fuel Cell Vehicle (FCV) were analyzed by numerical simulation in order to assess the risk of a hydrogen leakage incident in a long road tunnel. In order to implement the worst case of hydrogen leakage, the FCV was located at the center of a tunnel, and hydrogen was completely discharged within 63 seconds. The Leakage velocity of hydrogen was adopted sub-sonic speed because that the assumption of the blockage effect of secondary device inside a vehicle. The temporal and spatial evaluation of the hydrogen concentration as well as the flammable region in a road tunnel was reported according to change of ventilation operating conditions. The hydrogen was blended by supply air form a ventilation fan, however, the hydrogen was discharged to outside in the exhaust air. It is observed that the efficiency way to eliminate of hydrogen is supply air operating condition under the hazardous hydrogen leaking incident. The present numerical analysis can be provided useful information of ventilation under the hydrogen leaking situation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

수소가연영역체적비는 수소가 불이 붙거나 폭발할 수 있는 크기에 대한 지표로, 시간에 따라 전체 시스템에서의 수소의 위험범위의 크기를 나타내 낼 수 있다. 본 연구에서는 수소의 수소가연영역체비를 바탕으로 시간에 따른 터널 내부의 위험성을 정량적으로 분석하였다.
²⁾의 연구에 따르면 수소 및 기타 가스의 밀도를 상수로 가정하여도 큰 차이가 없다고 언급하고 있다. 본 연구에서는 실제 수소 누출과 같은 수소의 고속 누출로 인한 누출부 주변의 유동 특징보다 큰 장대터널 전반적인 수소 확산 및 가연영역의 변화에 초점을 두고 연구를 진행하였다. 본 연구에서 사용된 연속방정식 및 운동량보존방정식은 다음과 같다.
본 연구에서는 실제 장대 터널인 홍지문 터널에 대한 수소 누출에 대한 수치해석을 통해 수소연료차량의 수소 누설 시 수소의 거동을 예측하였으며 가연/폭발에 대한 안전성을 평가하였다. 이를 위해 Choi et al.
본 연구에서는 홍지문 터널 내부에서 수소연료차량의 대량 수소 누출 사고를 모사하기 위해 Fig. 1과 같이 실제 홍지문 터널을 모델링 하였다. 홍지문 터널은 크게 환기를 위한 팬룸과 풍도, 차량의 이동을 위한 차도로 구분되어 있다.
환기팬과 일부 수소의 확산에 의한 난류 효과가 예상되어 Realizable k-epsilon 난류모델을 사용하였다. 수소 가스의 확산의 경우 k-epsilon 계열의 난류 모델은 공간상의 Ensemble averaged concentration의 결과를 보여주지만, 본 연구에서는 터널 전반의 수소가연영역의 변화에 초점을 두었으며, 국부적인 농도 편차는 작다고 판단되어 이에 대한 영향은 무시하였다. 수소의 거동은 누출부위 주변을 제외한 대부분의 터널부에서 주로 확산에 의해 일어나게 되어 난류에 의한 효과는 매우 적은 것으로 나타났다.
또한 수소 안전성을 정량적으로 분석하기 위한 정량적 지표로 가연영역체적비 개념을 도입하였다. 이와 같은 분석 방법을 기초로 하여, 본 연구에서는 홍지문 터널에 대해 수소연료전지차량의 충돌사고를 가정하여 다량의 수소의 누출을 모사하였으며 급기/배기 환기 방식에 따른 수소의 확산 및 배출 특성에 대해 확인하였다.
또한 수소 안전성을 정량적으로 분석하기 위한 지표로 가연영역체적비 개념을 도입하였으며 시공간에 따른 가연영역의 변화를 관찰하였다. 이와 같은 분석 방법을 기초로 하여, 본 연구에서는 홍지문 터널에 대해 수소연료전지차량의 충돌사고를 가정하여 다량의 수소의 누출을 모사하였으며, 급기/배기 환기 방향에 따른 수소의 확산 및 배출 특성을 연구하였다.

가설 설정

실제 홍지문 터널은 길이가 1,800m 이상의 장대터널로 본 연구에서는 길이 방향으로 반 모델만을 고려하였다. 가혹한 수소 누출 사고 조건을 설정하기 위하여 버스는 2대가 서로 터널 중앙에서 충돌하여 수소 누출이 일어났다고 가정하였다. 이와 같은 시나리오를 적용하기 위하여 반 모델의 터널에 끝부분에 버스를 한 대만 모델링 하고 대칭면을 설정하였다.
대부분의 수소버스의 수소탱크는 차량 앞부분 운전자석 천장부에 위치하며 전면부 천장부위를 수소 누출 지점으로 설정하였다. 실제 수소 탱크에서 수소가 누출되면 내/외부의 압력차이 때문에 음속의 속도로 수소가 작은 구멍에서 분출되지만, 본 해석에서는 약 50m/s로 수소의 누출 속도를 낮게 설정하였다. 이는 차량의 내부에 수소 탱크가 위치하기 때문에 차량 내부에 수소 탱크 주변의 다른 여러 부품에 의해 수소의 누출 속도가 많이 감소하였다고 가정했기 때문이다.
/s로 적용하였다. 이를 각각의 탱크에서 누출되는 것을 가정하여 63초동안 탱크 당 1.125m³/s의수소를 누출시켰다. 실제 수소 탱크는 고압에 대한 내압 및 사고로 인한 파손/누설 등을 예방하기 위해 여러 개의 수소 탱크로 나눠서 수소를 적재하게 되며, 한꺼번에 누설 될 경우에 각 봄베에서 개별 안전밸브가 닫혀, 누출 시간은 본 연구에서 가정한 시간보다 길 수 있다.
실제 수소 탱크는 고압에 대한 내압 및 사고로 인한 파손/누설 등을 예방하기 위해 여러 개의 수소 탱크로 나눠서 수소를 적재하게 되며, 한꺼번에 누설 될 경우에 각 봄베에서 개별 안전밸브가 닫혀, 누출 시간은 본 연구에서 가정한 시간보다 길 수 있다. 하지만 본 연구에서는 수소 누출에 대한 가혹조건을 가정하였으며, 이러한 안전장치에 의한 효과는 배제하였다.

제안 방법

또한 수소연료자동차의 수소 누출로 인한 수소 가연영역에 대해 시 공간적으로 규명하였으며, 반 횡류식의 환기 방식에서 환기팬의 작동조건에 따른 수소 농도변화에 대해 관찰하였다. 또한 수소 안전성을 정량적으로 분석하기 위한 정량적 지표로 가연영역체적비 개념을 도입하였다. 이와 같은 분석 방법을 기초로 하여, 본 연구에서는 홍지문 터널에 대해 수소연료전지차량의 충돌사고를 가정하여 다량의 수소의 누출을 모사하였으며 급기/배기 환기 방식에 따른 수소의 확산 및 배출 특성에 대해 확인하였다.
¹²⁾은 지하주차장 내에서 수소연료자동차의 수소 누출로 인한 가연영역에 대해 규명하였으며, 환기팬의 풍량에 따른 수소 농도변화에 대해 관찰하였다. 또한 수소 안전성을 정량적으로 분석하기 위한 지표로 가연영역체적비 개념을 도입하였으며 시공간에 따른 가연영역의 변화를 관찰하였다. 이와 같은 분석 방법을 기초로 하여, 본 연구에서는 홍지문 터널에 대해 수소연료전지차량의 충돌사고를 가정하여 다량의 수소의 누출을 모사하였으며, 급기/배기 환기 방향에 따른 수소의 확산 및 배출 특성을 연구하였다.
¹²⁾이 제시한 가연영역체적비의 개념을 이용해 환기방식에 따른 수소 안전성을 정량적으로 비교 분석하였다. 또한 수소연료자동차의 수소 누출로 인한 수소 가연영역에 대해 시 공간적으로 규명하였으며, 반 횡류식의 환기 방식에서 환기팬의 작동조건에 따른 수소 농도변화에 대해 관찰하였다. 또한 수소 안전성을 정량적으로 분석하기 위한 정량적 지표로 가연영역체적비 개념을 도입하였다.
실제 두 개의 팬은 상행과 하행에 450-300kW 급과 400-290kW급의 두가지 타입으로 사용된다. 본 해석에서는 수소 누출에 가혹한 조건을 설정하기 위해 용량이 작은 400-290kW로 해석을 수행하였다. Fig.
수소의 안전성을 평가하기 위한 지표로 수소의 가연 영역의 크기를 계산하여, 전체 체적에 대한 위험영역체적비로 나타내었다. 수소가연영역은 수소의 가연 영역(flammable region)과 폭발영역(detonation region)을 포함하며, 가연영역체적비(η)는 다음과 같이 정의된다.
104m3에 700bar, 4kg의 수소를 채운 경우 화재에 의한 TPRD(Thermal Pressure Relief Device) 작동 시 탱크 내부에서 외부로 수소를 모두 방출하는 시간은 65~95초인 것을 밝혀냈다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서는 보다 가혹조건의 수소 누출 조건을 설정하기 위해, 63초의 누출 시간 내에 탱크 내부에서 외부로 수소가 모두 누출 되는 조건을 설정하였다. 터널 내부의 압력이 1bar로 동일하게 유지되며, 누출 시간 동안 동일한 유량으로 누출된다고 할 때, 수소의 누출량은 다음과 같이 계산하였다.
본 연구에서는 실제 장대 터널인 홍지문 터널에 대한 수소 누출에 대한 수치해석을 통해 수소연료차량의 수소 누설 시 수소의 거동을 예측하였으며 가연/폭발에 대한 안전성을 평가하였다. 이를 위해 Choi et al.¹²⁾이 제시한 가연영역체적비의 개념을 이용해 환기방식에 따른 수소 안전성을 정량적으로 비교 분석하였다. 또한 수소연료자동차의 수소 누출로 인한 수소 가연영역에 대해 시 공간적으로 규명하였으며, 반 횡류식의 환기 방식에서 환기팬의 작동조건에 따른 수소 농도변화에 대해 관찰하였다.
가혹한 수소 누출 사고 조건을 설정하기 위하여 버스는 2대가 서로 터널 중앙에서 충돌하여 수소 누출이 일어났다고 가정하였다. 이와 같은 시나리오를 적용하기 위하여 반 모델의 터널에 끝부분에 버스를 한 대만 모델링 하고 대칭면을 설정하였다. 대칭면은 반대의 동일한 수소누출차량이 있어, 동일한 조건에서 수소가 누출되도록 하는 효과를 가지고 있다.
차량에서 수소가 모두 누출된 이후에, 각 환기조건에 따라 수소의 농도 변화를 관찰하였다. 그림에서 검은색으로 도시된 부분은 수소의 농도가 4%이상 되는 부분으로 가연영역을 의미한다.
팬의 작동조건에 따른 터널 내부의 급/배기 시 수소의 안전성을 정량적으로 비교하기 위해, 급기와 배기 시 시간에 따른 가연영역의체적비를 도시하였다. Fig.
배기의 경우 차도의 수소 가스는 천장으로 이동하게 되고 풍도와 차도의 환기구를 통해 풍도에 수소가스가 채워지게 된다. 풍도에 채워진 수소 가스는 시간이 지남에 따라 출구 쪽으로 이동하면서 차도에서 유입되는 공기와 일부 희석 되면서 배출되는 특성을 예측하였다.
대칭면은 반대의 동일한 수소누출차량이 있어, 동일한 조건에서 수소가 누출되도록 하는 효과를 가지고 있다. 환기팬을 해석에 적용하기 위해서 팬의 외부 경계에 각 조건의 풍량을 계산해 속도 입구 조건을 설정하였다.

대상 데이터

06을 사용하였다. 격자는 복잡한 형상에 쉽게 적용할 수 있는 다면체 격자를 이용하였으며 격자 민감도 테스트를 통해 얻어진 6,700,000개의 격자를 사용하였다. 이때 수소 누출부의 속도가 가장 빠른 부분의 격자는 10mm로 설정되었다.
본 연구에서 고려된 수소연료전지차량은 버스 내부의 8개의 수소탱크에 각각 0.204m³씩 총 1.832m³의 수소가 탱크압 350bar로 충전되어 있다고 설정하였다. Kim et al.
3는 본 해석에서 사용한 수치해석 모델을 나타낸 그림이다. 실제 홍지문 터널은 길이가 1,800m 이상의 장대터널로 본 연구에서는 길이 방향으로 반 모델만을 고려하였다. 가혹한 수소 누출 사고 조건을 설정하기 위하여 버스는 2대가 서로 터널 중앙에서 충돌하여 수소 누출이 일어났다고 가정하였다.

이론/모형

환기팬과 일부 수소의 확산에 의한 난류 효과가 예상되어 Realizable k-epsilon 난류모델을 사용하였다. 수소 가스의 확산의 경우 k-epsilon 계열의 난류 모델은 공간상의 Ensemble averaged concentration의 결과를 보여주지만, 본 연구에서는 터널 전반의 수소가연영역의 변화에 초점을 두었으며, 국부적인 농도 편차는 작다고 판단되어 이에 대한 영향은 무시하였다.

성능/효과

배기 시에 팬의 풍량은 급기시에 약 70%정도로 작지만 전체적인 수소 가스의 배출의 측면에서 배기의 경우가 터널 내부의 수소 가스를 더욱 빨리 감소시키는 것으로 나타났다. 또한 출입구에 수소가스가 이동하는 시간은 급기 시가 배시 기보다 더욱 빠르게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이는 풍도의 전투영면적이 차도의 전투영면적 보다 작기 때문에 가스의 배출 측면에서 배기가 좋은 측면을 나타낸다.
급기의 경우, 풍도에서 유입되는 공기의 영향으로 풍도와 차도를 연결하는 환기구 주위부터 수소의 농도가 감소하여 가연영역이 줄어듦을 관찰 할 수 있었다. 또한 환기구에서 유입된 공기의 영향으로 수소는 차로를 따라 출입구 쪽으로 이동하면서 점점 희석되고 다른 환기구의 영향으로 수소가스는 계속적으로 공기와 섞이면서 가연영역이 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 환기구에서의 유입되는 공기의 방향이 아래를 향하고 있어, 밀도차에 의해 천정으로 뜬 수소의 경우 아래로 움직이게 되면서 더욱더 공기와 잘 섞이는 것으로 나타났다.
이때 수소 누출부의 속도가 가장 빠른 부분의 격자는 10mm로 설정되었다. 수소가 누출하는 시점에서 터널 내에 가연영역이 모두 없어지는 시점까지 수치해석을 수행하는데, 본 연구실에서 보유하고 있는 Infiniband 기반의 Xeon 2.40 GHz 48CPUs를 사용하여 계산을 수행하였으며, 하나의 케이스의 대하여 수소 누출 기점을 기준으로약 1,000분의 해석시간을 해석하는데 약 5일의 시간이 소요되었다.
수소 가스의 확산의 경우 k-epsilon 계열의 난류 모델은 공간상의 Ensemble averaged concentration의 결과를 보여주지만, 본 연구에서는 터널 전반의 수소가연영역의 변화에 초점을 두었으며, 국부적인 농도 편차는 작다고 판단되어 이에 대한 영향은 무시하였다. 수소의 거동은 누출부위 주변을 제외한 대부분의 터널부에서 주로 확산에 의해 일어나게 되어 난류에 의한 효과는 매우 적은 것으로 나타났다. 난류 Schmidt 수는 변화를 고려하지 않고 통상적으로 사용하는 0.
배기의 경우, 차도에 누출된 수소는 환기구를 통해 신속히 풍도쪽으로 이동하는 경향을 확인 할 수 있었다. 하지만 풍도 천정부의 수소 가연영역은 출입구 방향으로 일부 이동하지만, 반모델의 풍도의 벽효과에 의해 버스 상단부 풍도에 계속적으로 수소 가연영역이 관찰 되는 것을 알 수 있었다. 배기 시에 팬의 풍량은 급기시에 약 70%정도로 작지만 전체적인 수소 가스의 배출의 측면에서 배기의 경우가 터널 내부의 수소 가스를 더욱 빨리 감소시키는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실제 수소 탱크에서 수소가 누출되면 내/외부의 압력차이 때문에 음속의 속도로 수소가 작은 구멍에서 분출되지만, 본 해석에서는 약 50m/s로 수소의 누출 속도를 낮게 설정한 이유는 무엇인가?	실제 수소 탱크에서 수소가 누출되면 내/외부의 압력차이 때문에 음속의 속도로 수소가 작은 구멍에서 분출되지만, 본 해석에서는 약 50m/s로 수소의 누출 속도를 낮게 설정하였다. 이는 차량의 내부에 수소 탱크가 위치하기 때문에 차량 내부에 수소 탱크 주변의 다른 여러 부품에 의해 수소의 누출 속도가 많이 감소하였다고 가정했기 때문이다. 또한 대부분의 수소 탱크(압축 수소 내압 용기)에는 수소 누출 시, 누출을 차단하기 위한 차단 밸브를 기본적으로 갖추고 있으며 또한 수소 공급용 배관에도 과류 방지 밸브가 장착되어 있어 대량의 수소 누출 및 급속한 수소의 누출을 방지하고 있다.
	수소 에너지의 장점은 무엇인가?	최근 이러한 추세에 따라, 친환경/재생 가능한 에너지로 수소 에너지가 각광을 받고 있다. 수소 에너지는 반응 중 일부 질소 화합물을 발생시키는 것을 제외하고, 다른 오염물질이 발생하지 않는 특징을 가지고 있다. 또한 이러한 수소 에너지는 반응 시, 매우 큰 열량을 방출하기 때문에 에너지로써 효용가치는 매우 높게 평가되고 있다. 하지만 수소 에너지는 가연 범위 및 폭발 범위가 넓고, 폭발화염 전파속도가 매우 빠른 가연성 가스이기 때문에, 제조, 수송, 저장시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성을 가지고 있다1).
	수소 에너지는 어떤 위험성을 가지고 있는가?	또한 이러한 수소 에너지는 반응 시, 매우 큰 열량을 방출하기 때문에 에너지로써 효용가치는 매우 높게 평가되고 있다. 하지만 수소 에너지는 가연 범위 및 폭발 범위가 넓고, 폭발화염 전파속도가 매우 빠른 가연성 가스이기 때문에, 제조, 수송, 저장시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성을 가지고 있다1). 따라서 수소 연료 자동차에 대한 안전성 확보 수준은 현재 운행 중인 화석 연료 자동차와 동일 수준 이상의 안전성이 확보되어야 한다.

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J. Choi, S. Kang, N. Hur, E. D. Lee, K. B. Lee, "A Numerical Simulation of Hydrogen Diffusion for the Hydrogen Leakage from a Fuell Cell Vehicle in an Underground Parking Garage", The 4th International Conference on Hydrogen Safety (ICHS), San Francisco, USA, 2011, Paper No. 221.
S. Kim, Y. Choi, K. Hang, J. Shim, I, Hang and T. Lim, "The Evaluation of Fire Reliability for the High Pressure Hydrogen Storage System of Fuel Cell Vehicle (I)", Trans. of the Korea Hydrogen and New Energy Society, Vol. 22, No. 4, 2011, pp. 520-526.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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