수소 탱크 저장실 내 누출 수소가스의 효과적 배출을 위한 급·배기구 위치 선정에 관한 수치해석 연구

Abstract

수소에너지는 대기 오염과 화석 에너지의 고갈에 따른 문제를 해결할 수 있는 친환경에너지로 주목을 받고 있다. 따라서 많은 분야에서 수소에너지를 동력원으로 활용하는 연구가 진행되고 있으며, 본 연구에서는 수소에너지를 이용한 연료전지시스템을 소형선박에 적용하는 것에 주안점을 두었다. 수소는 지구상에서 가장 가벼운 분자로서 공기와 넓은 범위에서 가연성 혼합 가스로 형성될 수 있으며 발화에너지가 매우 작기 때문에 작은 불꽃에 의해서도 아주 쉽게 점화 될 수 있다. 또한 소형 선박은 특성상 육지에 고정되는 않고 기상상태에 의해 가혹한 운전 조건이 형성되기 때문에 수소에너지를 이용하는 소형 선박은 수소저장에 대한 안정성이 우선적으로 담보되어야만 한다. 본 연구에서는 수소저장에 대한 안정성 평가의 일환으로 상용화된 자동차용 고압 수소탱크를 소형선박에 적용하는 것을 가정하여 한국선급의 “선박용 연료전지 시스템 지침(2015)”의 규정에 의거한 수소탱크 저장실을 모델링하였다. 가로 0.85m, 세로 1.4m, 높이 0.85m의 단순한 형태의 수소탱크 저장실을 만들고 내부의 중앙에 700 bar 고압 수소탱크의 형상을 만들어 배치하였다. 수소탱크의 앞, 뒤, 위, 아래, 측면 5 곳의 영역에 임의의 수소누출 위치를 설정하고 저장실의 외벽에는 가로 0.15m, 세로 0.15m 구획을 나누어 연구자의 의도에 따라 급기구와 배기구의 위치 설정이 가능하도록 하였다. ANSYS사에서 제공하는 CFX(v. 17.1)를 이용하여 통풍용량, 배기구 위치 및 급기구의 위치를 변경하면서 3차원 전산 해석을 수행하였다.

그 결과, 통풍용량의 증가에 따라 누출수소의 배출 성능은 증가하였으나 그 관계가 선형적이지 않지 때문에 통풍장치에 소모동력을 고려하여 적절한 통풍용량이 선정되어야 함을 알았다. 그리고 배기구의 높이를 저장실의 하부측보다 상부측에 배치하는 것이 수소가스의 가벼운 특성을 고려할 때 더욱 효과적으로 누출수소를 배출하는 하는 것을 확인했다. 또한 급기구의 위치는 상부측보다 하부측에 위치하여 유입공기의 흐름을 따라 누출수소가 함께 배기구로 배출 될 때 효과적으로 환기되는 것을 확인했으며 운항 중에 소형선박의 Trim을 고려하여 수소탱크 저장실의 기울기 변화에 따른 계산을 진행하였다. 이를 통해 기울기가 증가함에 따라 누출수소의 배출이 효과적이고 안정적임을 확인하였다.