A CFD Study on Unsteady and Steady State of the Hydrogen Leakage for Residential Fuel Cell System

가정용 연료전지 시스템 내부 수소 누출의 비정상 및 정상 상태에 관한 전산 해석

The residential fuel cell system was modeled as a box-shaped chamber with vent openings, filled with various components such as reformer, desulfurizer, fuel cell stack and humidifier. When the vent openings are 1% of the total surface and hydrogen leakage 1%, hydrogen concentration is around 0.1% higher than the other regions from leak points in the chamber at 30 seconds and hydrogen concentration is increased from 0.3% to 0.7% in the upper region of the system after 200 seconds. When the vent openings are 1% of the total surface and hydrogen leakage 1%, 3%, 5%, the steady state result of CFD, 5% of hydrogen leakage is reached the lowest ignition limit in the system. When the vent openings are 2% of the total surface and hydrogen leakage 1%, hydrogen concentration is increased in the bottom of the system for 60 seconds. After 250 seconds, hydrogen concentration is reached the steady state in the system. As the vent opening of the total surface increased from 1% to 2%, averaged hydrogen mole fraction is under 1% in the system, however, upper regions of the system from the hydrogen leakage points are shown over 1% of hydrogen mole fraction.

본 연구는 국내 F사의 가정용 연료전지 시스템의 실제 크기를 모델로 하여, 시스템 내부에 4가지 구성품(개질기, 연료전지 스택, 가습기, 탈황기)이 시스템 체적 중 약 30%를 차지하고 있을 때, 환기 면적과 수소 누출량을 변화시키면서 전산 해석을 수행하였다. 환기 면적 1%, 수소 누출량 1%인 경우, 비정상 상태 전산 해석 결과, 수소는 약 50초 후 누출 지점 근처에서 농도 변화를 확연히 감지할 수 있었으며, 200초 후, 시스템 하부에 비해 상부에서 농도 증가를 뚜렷하게 알 수 있었다. 환기 면적 1%, 수소 누출량 1%, 3%, 5%의 대한 정상 상태 해석 결과, 수소 누출량이 5%가 되면 시스템 전 영역에서 수소의 인화 하한(4%, 체적기준)에 도달하는 것을 확인하였다. 환기 면적 2%, 수소 누출량 1%인 경우, 비정상 상태 전산해석 결과, 수소는 약 60초 동안은 누출 지점에서 하부측으로 농도 증가를 보이다가, 점차 상부측 환기구를 통해 배출되어 약 250초가 지난 후 정상 상태에 도달하였다. 환기 면적 2%, 수소 누출량 1%, 3%, 5%의 정상 상태 해석 결과, 수소 누출량이 5%가 되더라도 대부분의 영역에서 경보 농도 수준(1%, 체적기준) 이하임을 확인할 수 있었으나, 누출 지점으로부터 상부쪽으로 위험 영역이 존재함을 알 수 있었다.