• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권6호
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• pp.439-449
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• 2021

최근 온실가스 저감과 더불어 저탄소배출 정책 등 환경오염에 관심이 증대되고 있다. 이에 따라 탄소배출을 저감할 수 있는 수소전지자동차를 비롯한 친환경 자동차의 보급률이 증가하고 있어 이에 대한 방재 및 안전관련 대책에 요구되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 지하주차장의 장소에 국한하여 환기조건에 따라 수소연료자동차의 방출 시 수소의 농도 분포에 대한 위험정도를 수치해석을 통해 분석하였다. 그 결과, 수소탱크가 1개만 방출 될 경우 지하주차장 내 수소의 가연체적비는 최대 8.6%로 나타났으며, 환기가 지속적으로 이루어짐에 따라 연소가능한 수소의 체적비율은 150초 이후 1% 미만으로 감소되는 것으로 분석되어 기계적인 환기가 필수적인 것으로 분석되었다. 수소탱크 3개가 동시방출 또는 단계방출의 경우 최종적인 수소의 가연체적비율은 유사하지만 단계적으로 지연 방출함에 따라 방출 초기 수소의 가연체적비율의 증가폭이 낮은 것으로 나타났으며, 이에 따른 수소탱크 방출 시나리오의 추가적인 연구가 필요한 것으로 예상된다.

• 한국가스학회지
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• 제15권1호
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• pp.35-39
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• 2011

본 논문에서는 FEV 차량용 복합소재 연료탱크의 탄소섬유 적층두께에 따라 달라지는 강도안전성에 미치는 기여율의 영향을 해석하고자 한다. 기여율에 의한 영향을 FEM 모델링으로 고찰하기 위해, 복합소재 연료탱크의 알루미늄 라이너와 탄소섬유 적층에 작용하는 von Mises 등가응력을 후프방향과 헤리컬방향에 대하여 각각 계산 하였다. FEM 해석결과에 따르면, 알루미늄 라이너에 작용하는 등가응력 기여율은 후프방향으로는 77.5%, $70^{\circ}C$ 경사진 헤리컬방향으로는 18.11%, $12^{\circ}C$ 경사진 헤리컬방향으로는 4.39%로 각각 작용하는 것으로 나타났다. $12^{\circ}C$ 경사진 탄소섬유의 적층 두께비가 후프방향 적층 두께비의 42% 정도로 높게 유지됨에도 불구하고 알루미늄 라이너 소재에서 보여준 기여율 경향은 탄소섬유 적층의 강도안전성에 대해서도 유사한 것으로 나타났다. 결과적으로, 탄소섬유 연료탱크의 강도안전성은 탄소섬유 적층의 두께보다 와인딩 각도에 의해 더 많은 영향을 받는다는 계산결과를 보여주고 있다.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제54권1호
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• pp.11-15
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• 2016

무인항공기가 장시간 비행하기 위해서는 배터리보다 고분자전해질 연료전지(PEMFC)가 적합하다. 본 연구에서는 PEMFC에 수소를 공급하는 $NaBH_4$가수분해 반응 시스템에 대해 연구하였다. $NaBH_4$가수분해 반응 시스템의 무게를 감소시키기 위해 수소수율 향상, 응축수 회수, 안정적인 수율 유지 등에 대해 실험하였다. 반응기 압력제어를 함으로써 수소 수율을 3.4% 향상시켰다. 수소를 공랭하여 PEMFC 스택에 공급하는 과정에서 발생하는 응축수를 $NaBH_4$ 저장조에 회수하였다. 이 과정에서 응축수가 $NaBH_4$분말을 용해시켜 보충됨으로써 14%의 무게 감량효과가 있었다. 2.0 L/min의 속도로 수소를 발생시킬 때 Co-P-B촉매 2.0 g을 사용해서 10시간동안 96% 수소수율로 $NaBH_4$가수분해 반응 시스템을 안정적으로 구동하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권4호
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• pp.305-316
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• 2022

화석연료의 고갈과 환경문제의 대안으로 수소에너지가 부각되고 있으며, 자동차 산업에서도 수소차의 보급이 증가하고 있다. 그러나 수소는 가연농도 범위가 4~75%로 넓은 가연영역을 가지고 있어 수소차 사고 시 안전에 대한 우려가 높은 실정이다. 특히, 터널이나 지하주차장과 같은 반밀폐 공간에서는 수소누출에 따른 화재나 폭발이 대형사고를 유발할 가능성이 높기 때문에 수소누출에 따른 가연영역 분석을 통해 수소 안전성에 대한 검토가 필요한 실정이다. 이에 본 연구에서는 표준단면의 도로터널에서 수소차량의 수소 누출조건과 터널 내 풍속에 따른 수소농도 해석을 수행하여 터널 내 풍속이 가연영역에 미치는 영향을 검토하였다. 수소의 누출조건은 1개의 탱크와 3개의 탱크가 통시에 TPRD를 통해 누출되는 조건과 대형크랙이 발생하여 누출하는 조건으로 하였으며, 터널 내 풍속은 0, 1, 2.5, 4.0 m/s를 고려하였다. 가연영역에 대한 검토결과, 1 m/s 이상의 풍속이 존재하는 경우에는 풍속이 없는 경우와 비교하여 최대 25%수준까지 감소하는 것으로 나타나고 있으며, 풍속증가에 따른 가연영역의 감소효과는 거의 없는 것으로 나타나고 있다. 특히 대형크랙이 발생하여 약 2.5초 만에 완전히 누출되는 경우에는 풍속이 증가하면 가연영역이 약간 증가하는 것으로 나타나고 있다. 또한 하향 분출되는 경우에 풍속이 작은 차량하부 영역에 수소가스가 상당히 긴 시간동안 잔류하는 것으로 분석되었다.

• Journal of Platform Technology
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• 제10권4호
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• pp.3-10
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• 2022

본 연구에서는 수소차에 사용되는 수소압력용기 비파괴 안전성 평가 플랫폼 개발을 위해 유한요소해석을 사용하여 안전성 평가 기준 개발에 대한 연구를 수행하였다. Type 4 수소 압력 용기의 안전성을 평가하기 위해 복합 재료의 특성에 따른 매개변수를 바탕으로 재료의 물성을 유한요소 해석을 통해 도출하였다. 이를 통해 수소압력용기에 사용되는 CFRP 복합소재의 기계적 특성을 바탕으로, 내부 결함을 모델링하고 수소압력용기에 대한 평가기준을 사용하여 내부결함에 대한 파손가능성 여부를 도출하는 프로세스를 연구하였다. 결함은 박리, 이물질, 표면 수직균열을 모델링하고 파손 기준에 따른 손상을 분석하여 비파괴검사를 통해 검출된 결함의 안전성 여부를 판단할 수 있는 방법을 연구하였다. 연구 결과 박리 결함은 수소 압력용기의 내부에 근접할수록 파손가능성이 높아졌으며, 수직 균열을 경우 균열의 깊이가 깊어질수록 손상가능성이 높게 나타났다. 또한, 이물질 결함의 경우 압력용기의 외부 방향에 비해 내부 방향에 위치한 경우 손상가능성이 높게 나타났다. 본 연구를 통해 결함의 종류, 형상 및 크기에 따른 수소압력용기의 안전성을 평가할 수 있는 방법을 제시하였으며, 향후 본 연구결과를 바탕으로 수소차량 압력용기의 비파괴시험 안전검사 플랫폼 개발 연구를 수행하고자 한다.

• 한국가스학회지
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• 제27권1호
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• pp.38-47
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• 2023

수소연료전지 차량 충전 과정에서, 충전소에서의 공급압력과 차량 내 저장 탱크의 압력 차이에 의해 수소가 흐르게 되고 유량은 압력 차에 의존한다. 따라서 충전 과정에서 발생하는 수소의 압력강하에 대한 고려는 필수적이며 이의 분석을 통해 수소 충전 과정의 효율성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 충전라인 중 호스, 노즐/리셉터클, 파이프, 밸브에 대하여 압력강하를 분석하였다. 호스와 파이프는 도관에서의 압력강하로, 노즐/리셉터클은 흐름 노즐 식으로, 밸브는 기체 유량 식으로 계산하였다. 또한 각 구성요소에서 발생하는 압력강하 효과를 종합 분석한 결과 전체 충전라인에서 압력강하에 가장 큰 영향을 주는 요소는 밸브에서의 압력강하임이 밝혀졌다. 이번 연구는 추후 수소 충전을 포함한 수소 유동 해석으로 수소 충전 과정의 모델 개발에 활용될 수 있을 것이다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권1호
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• pp.25-36
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• 2021

온실가스 배출량을 줄이기 위해 내연기관 자동차에 대한 제한을 두고, 친환경자동차 보급 확대 정책을 내놓고 있다. 수소 전기자동차의 수소는 가연 범위 및 폭발 범위가 넓고, 폭발화염 전파속도가 매우 빠른 가연성 가스이기 때문에, 제조, 수송, 저장 시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성을 가지고 있다. 수소전기자동차의 연료탱크에는 폭발 등 위험성을 감소시키기 위해 온도감응식 압력방출장치(Thermally activate Pressure Relief Device, TPRD)가 있어, 사고가 발생했을 경우 폭발, 화재 등이 발생하기 전에 탱크 내부의 수소를 밖으로 방출한다. 그러나 지하주차장이나 터널과 같은 반밀폐공간에서 사고가 발생할 경우 공간 내 기류의 유동이 개방된 공간보다 미미하기 때문에 TPRD로부터 방출된 수소가스의 농도가 폭발하한계 이상으로 누적될 수 있는 등 문제가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 TPRD의 노즐의 직경에 따라 시간에 따른 수소의 누출 유량을 분석하고, 반밀폐공간에서 수소가 누출될 경우 수소 농도변화를 수치해석으로 검토하였다. 노즐의 직경은 1 mm, 2.5 mm, 5 mm로 검토를 하였으며, 노즐 직경에 따라 지하주차장 내의 수소농도는 노즐의 직경이 클수록 빠른 시간에 농도가 높아지며, 최대값 또한 노즐 직경이 클수록 큰 것으로 분석되었다. 기류가 정체된 지하주차장에서는 노즐 주변에서 폭발하한계 이상의 수소 농도가 분포하는 것으로 분석되었으며, 폭발상한계를 넘지는 않는 것으로 분석되었다.

• 한국자동차공학회논문집
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• 제25권2호
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• pp.157-166
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• 2017

The Fuel Cell Electric Vehicle(FCEV) is recently evolving into a new trend in the automobile industry due to its relatively higher efficiency and zero greenhouse gas(GHG) emission in the tailpipe, as compared to that of the conventional internal combustion engine vehicles. However, it is important to analyze the whole process of the hydrogen's life cycle(from extraction of feedstock to vehicle operation) in order to evaluate the environmental impact of introducing FCEV upon recognizing that the hydrogen fuel, which is used in the fuel cell stack, is not directly available from nature, but instead, it should be produced from naturally available resources. Among the various hydrogen production methods, ${\sim}54.1%^{8)}$ of marketed hydrogen in Korea is produced from naphtha cracking process in the petrochemical industry. Therefore, in this study, we performed a well-to-wheels(WTW) analysis on the hydrogen fuel cycle for the FCEV application by using the GREET program from the US Argonne National Laboratory with Korean specific data. As a result, the well-to-tank and well-to-wheel GHG emissions of the FCEV are calculated as 45,638-51,472 g $CO_2eq/GJ$ and 65.0-73.4 g $CO_2eq/km$, respectively

• 한국산학기술학회논문지
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• 제22권4호
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• pp.212-219
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• 2021

운송차량에 의한 화학사고는 매년 전체 화학사고의 20 %를 차지하지만 영향평가 정보를 알 수 없는 상황이 반복되어 사고대응 과정에서 어려움을 겪게 되는 문제점이 존재한다. 본 연구에서는 국내 사용량이 많고 사고 위험성이 높으며, 최근 7년간 사고 빈도가 높은 염소와 불화수소를 대상으로 탱크로리로 운반하는 과정에서 누출사고가 발생하였을 경우 현장에서 이격거리 산정을 위하여 활용될 수 있는 피해예측범위 산정표 및 산정식을 개발하였다. 화학물질의 누출속도와 기상조건 중 풍속, 온도에 따른 산정표를 조사하였으며, 산정표를 적용하기 힘든 특수한 상황에서는 산정식을 적용할 수 있도록 통계 프로그램 R을 사용하여 산정식을 도출하였다. 유관기관에서는 현장에서 연구에서 도출된 산정표 및 산정식을 활용하면 화학사고 피해 최소화 및 이격거리 설정, 주민대피 결정 등의 의사결정 측면에서 중요한 정보로써 사용할 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권6호
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• pp.605-612
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• 2021

지구온난화로 인한 이상기후로 전 세계적 피해가 커지고 있는 가운데, 내연기관의 온실가스 배출을 줄이기 위하여, 친환경자동차 도입이 가속화되고 있다. 이에 각국에서는 수소연료자동차의 안전성 확보를 위해 터널이나 지하주차장과 같은 반밀폐공간에서 수소 연료 폭발에 대비한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 반밀폐공간이라 할 수 있는 지하주차장을 대상으로 수소탱크의 폭발을 등가 TNT 모델을 적용하여 폭발압력을 예측하고 이 값을 폭발압력에 따른 피해범위 및 영향을 분석하였다. 등가 TNT 모델을 적용한 수소탱크 폭발압력 예측 결과 수소용량이 52 Liter인 경우를 기준으로 75 Liter, 156 Liter인 경우 1.5 m 높이에서 각각 약 1.12배, 2.30배 높은 것으로 나타났다. 예측된 최대폭발압력을 충격량으로 환산하여 인체 및 건물에 미치는 영향을 검토한 결과 모든 예측값이 폐 손상 또는 심각한 부분 파괴가 발생할 것으로 예측 되었으며, 예측된 피해정도는 폭발에 따른 충격량만으로 환산 적용한 것이며, 폭발에 따른 부가적인 피해를 고려한다면 실제 피해는 더욱 증가되어 이에 대한 안전 및 방재의 대책이 강구되어야 할 것으로 사료된다.