[논문]수소 센서를 이용한 밀폐공간의 수소 누출 시 환기성능에 대한 실험 및 CFD 시뮬레이션

김영두; 신동훈; 정태용; 남진현; 김영규

수소 센서를 이용한 밀폐공간의 수소 누출 시 환기성능에 대한 실험 및 CFD 시뮬레이션
A Hydrogen Sensor Experiment on the Ventilation Performance of a Cavity upon Hydrogen Leakage and Its CFD Simulation 원문보기

김영두 (국민대학교 기계공학과 대학원) , 신동훈 (국민대학교 기계자동차 공학부) , 정태용 (국민대학교 기계자동차 공학부) , 남진현 (국민대학교 기계자동차 공학부) , 김영규 (한국가스안전공사)

연료전지는 수소를 이용하여 전기를 생산하는 발전 시스템으로 운전 중 수소 누출과 폭발의 위험성을 항상 수반하고 있다. 따라서 안전성의 확보를 위해 연료전지 시스템 내부에서 수소 누출 시 유e동 특성으로 인한 특정 부근 농도 정체와 환기의 영향을 파악하는 것이 필요하다. 실험 장치와 전산유체역학 프로그램을 사용하여 챔버 내 수소의 유통 특성과 환기구에 따른 환기의 영향을 확인하였다. 수소의 누출 속도와 양에 따라 유동장의 형태는 크게 변하였으며 환기구의 위치와 크기는 특정 부근의 농도정체와 챔버 내 전체적인 수소 농도에 영향을 미침으로서 안정성을 확보하는 중요한 인자임을 알 수 있었다. 예측 결과를 실제 실험 모델과 비교하여 그 타당성을 검토하였으며 차후 가정용 연료전지 모듈의 환기구 설계에 적용할 수 있다.

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문제 정의

센서의 응답 특성을 확인하였다. 또한 전산해석과의 비교를 통해 확장된 모델의 해석에용이함을 추구하고자 하였다.
본 실험은 가정용 연료전지 시스템에서 수소사용시 누출과 폭발의 위험성을 줄이고자 실물규격의 챔버를 제작하였으며 실제 수소를 누출시키고 센서의 응답 특성을 확인하였다. 또한 전산해석과의 비교를 통해 확장된 모델의 해석에용이함을 추구하고자 하였다.
본 연구에서는 가정용 연료전지의 안전성 확보를 위한 기초 자료의 축적을 위해 육면체의챔버 내에서 수소가 누출되었을 때의 확산 특성을 실험적으로 평가하였다. 일반적인 상용 가정용 연료전지 모듈의 크기를 고려하여 챔버를 제작하였으며 누출유량과 누출위치를 변화시키 면서 수소센서를 이용하여 각 위치에서의 수소 농도의 변화를 측정하였다.

제안 방법

결정하였다. 16가지 경우의 실험을 진행하였고 본 연구에서는 시뮬레이션과 비교 연구를 위한 2가지 경우의 실험만을 서술하였다. 실험 장치와 수소 가스의 누출과 센서 위치를 나타낸 개략도는 Fig.
가지를 고려하였다. 센서는 농도에 따른 전압 신호를 0%일 때 40mV, 4%일 때 200mV로 비례적으로 출력하며 그 신호는 DAQ 장비를 사용하여 컴퓨터로 기록하였다. Fig.
수소 유동 특성을 파악하기 위한 실험의 변수로는 센서의 배열, 유량, 누출 위치, 환기구 개방 여부로 결정하였다. 16가지 경우의 실험을 진행하였고 본 연구에서는 시뮬레이션과 비교 연구를 위한 2가지 경우의 실험만을 서술하였다.
실험적으로 평가하였다. 일반적인 상용 가정용 연료전지 모듈의 크기를 고려하여 챔버를 제작하였으며 누출유량과 누출위치를 변화시키 면서 수소센서를 이용하여 각 위치에서의 수소 농도의 변화를 측정하였다. 이렇게 얻어진 실험 결과를 통해 누출된 수소의 확산 및 유동 특성을 파악하였으며, CFD 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.
해석 모델로서 Standard kr을 적용하였다. 해석의 모든 조건은 실험과 동일한 상태로 진행 되었으며 결과 비교를 위해 실험 장치에서 센서 위치와 같은 곳에 모니터링 지점을 설정 하고 수소 농도를 기록하도록 하였다.

대상 데이터

수소 누출실험을 위한 육면체 챔버의 크기는 850x350x990mm로 상용화된 연료전지 모듈의치수를 고려하여 제작하였다. 실험 중 수소는 챔버의 바닥에서 15mm 위쪽에 직경 3mm 구멍 4 개를 뚫고 삽입된 내경 2mm 관을 통해 누출되며, 누출유량은 봄베에서 누출 관 사이에 설치된 MFC(C₁₀0M, Sierra)를 통하여 cc/s 단위로 제어되었다.
실험에 사용된 수소센서(4HYT, SensoriC) 의측정 범위는 0~4%(vol)이고 센서의 위치는 챔버 상단 면의 중앙과 양쪽 가장 자리로부터 안쪽으로 70mm 떨어진 곳에 수평 방향으로 부착한 경우와, 바닥에서부터 250mm, 550mm, 990mm의 위치에 수직 방향으로 부착한 경우두 가지를 고려하였다. 센서는 농도에 따른 전압 신호를 0%일 때 40mV, 4%일 때 200mV로 비례적으로 출력하며 그 신호는 DAQ 장비를 사용하여 컴퓨터로 기록하였다.

데이터처리

실험 결과의 타당성을 입증하기 위한 방법으로실험과 시뮬레이션에서의 센서 위치별 감지 시간을 비교하였다. Fig.
일반적인 상용 가정용 연료전지 모듈의 크기를 고려하여 챔버를 제작하였으며 누출유량과 누출위치를 변화시키 면서 수소센서를 이용하여 각 위치에서의 수소 농도의 변화를 측정하였다. 이렇게 얻어진 실험 결과를 통해 누출된 수소의 확산 및 유동 특성을 파악하였으며, CFD 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.

이론/모형

실험 결과의 타당성을 입증하고 향후 확장된 모델의 해석을 위해 전산유체역학을 이용하였다. 해석 도구는 상용 CFD 코드인 Fluent 6.
이용하였다. 해석 도구는 상용 CFD 코드인 Fluent 6.2를 이용하였다. 해석 모델로서 Standard kr을 적용하였다.
2를 이용하였다. 해석 모델로서 Standard kr을 적용하였다. 해석의 모든 조건은 실험과 동일한 상태로 진행 되었으며 결과 비교를 위해 실험 장치에서 센서 위치와 같은 곳에 모니터링 지점을 설정 하고 수소 농도를 기록하도록 하였다.

성능/효과

(1) 수소는 누출 시 공기보다 가벼운 물리적특성으로 인하여 상향으로 확산되며 밀폐된 공간 안에서는 상부에 적층됨을 확인하였다.
(2) 환기구의 개방과 밀폐에 따라 상부에 적층되는 수소 농도에 영향을 미쳤으며 개방 시수 소 농도가 낮았다.
(3) 10cc/s 로 누출 시켰을 초기 폭발 하한치인 4%에 도달하여 위험함을 알 수 있다.
87%로 측정되었으며 누출 중지 후 감소하여 챔버 내 수소 유동이 안정된 후 2% 부근의 농도 분포를 나타내었다. 각 센서의 농도 변화는 실제 실험 데이터의 불규칙한 양상보다 이상적인 변화율을 보였으며 급격한 농도 변화가 일어나는 시간은 대부분 일치 하였다. 하지만 시뮬레이션으로 측정된 농도 값이 전산해석 결과보다 높게 측정되는 것은 실험에 사용된 수소 센서의 응답 특성과챔버의 미소 틈새를 통한 수소 누출의 영향이 있을 것으로 사료된다.
HOsec 지점에서는 폭발한계인 4%(5)< 넘어서는 불규칙한 경향을 보여, 폭발 위험성이 높음을 알 수 있다. 누출 중단 후 수소 부양 효과에 의해 챔버 내 농도분포는 안정된 양상을 보였으며 상단 부 최대 농도는 1.581%이었다.
7%의 농도를 유지하는 것으로 나타났다. 시간이 지남에 따라 자연환기의 영향으로 챔버 내 수소 농도는 감소함을 알 수 있었다.
환기구를 통해 빠져 나가는 수소가스로 인해 챔버 내 농도는 낮아졌으나 자연대류를 통한 배출은 상당히 오랜 시간이 걸렸다. 실험과 비교하여 챔버 내 센서 농도 변화 양상은 비슷하였으나 최대 농도에서의 수치적 값은전산해석 결과가 높게 나타났다.
S3에서 수소가 감지되었다. 증가되는 농도의비율은 각기 다른 양상을 보이며 약 100sec가지난 후에 양쪽 챔버의 구석 면에서 농도가 높게측정되는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

(4) 미량의 누출이라 할지라도 시간에 따라적층되어 폭발의 위험성을 야기하기 때문에 향후 연료 전지 시스템의 환기와 수소 안전에 대해 연구를 진행할 필요성이 대두되었다.

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