실시간 수소 누출 탐지 메커니즘과 안전관리 시스템

Abstract

수소에너지는 신재생에너지의 한 분야로서 기존의 화석 연료를 대체할 수 있는 대체 에너지원으로 사용이 가능하다. 수소 에너지는 수소의 생산, 수송, 저장 등의 공정이 있으며 수소를 에너지원으로 이용하기 위해서는 고압가스 형태로 저장하여 사용한다. 그러나 수소기체는 가연성이 매우 큰 기체로 공기 중의 4~75 % 부피비율로 혼합되어 있으면 점화원에 의해 쉽게 폭발하는 특성이 있다. 이에 안전한 수소의 이용을 위해서는 안전 기술을 기반으로 하는 장비와 설비가 필수적이다. 현재의 수소 에너지 개발에 있어서 몇 가지 개선되어야 하는 문제점은 다음과 같다. 첫 째, 수소 에너지의 전 공정에 있어서 실시간 누출 모니터링이 이루어 져야 한다. 둘 째, 누출에 대한 감시에 있어서 소형이면서 고 성능의 수소 감지 장치의 개발이 선행되어야 한다. 마지막으로, 기체 반응의 유연성에 대응하는 실시간 통제 메커니즘과 모니터링 시스템 구축을 통한 누출에 대한 감시와 비상 상황 발생 시 자동화된 장치의 즉각적인 구동이 필요하다. 현재 이러한 문제점을 해결하기 위한 다양한 접근 방법들이 연구되고 있고, 수소 에너지 상용화에 대응한 안전 기술에 대한 연구와 개발이 진행되고 있지만, 관련 법규, 안전 기준 미비, 고가 장비의 도입 등 현실화되지 못하고 있다. 이에 본 논문에서는 실시간 수소 누출 모니터링 시스템을 구현하기 위해 탄소 나노튜브 기반의 나노 기술과 전기/전자 기술을 접목한 고 성능 센서와 컴퓨터를 기반으로 하는 IT 기술의 융합을 통해 수소 안전 관리 시스템을 제안한다. 구체적으로는 탄소 나노 튜브 기반의 고 비표면적을 가지는 고성능 수소 센서와 마이크로컨트롤러에 실시간 운영체제를 탑재한 실시간 센서 컨트롤러, 센서 네트워크 기반의 실시간 원격 모니터링을 통한 수소 누출의 탐지 시스템, 마지막으로 수소 가스의 안전한 사용을 위한 수소 에너지 안전 관리 시스템을 제안한다. 세부적으로는 첫 째, 기존 접촉 연소 방식 혹은 반도체FET식과는 다른 신소재 물질인 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tubes)를 사용하여 소량의 누출에도 빠른 전기 저항 변화를 통한 누출 감지를 가능하게 하는 고 성능의 센서를 설계 및 구현하고, 기존의 센서와 비교 평가를 수행한다. 둘 째, 정확한 농도 감지와 비상 안전 장치의 빠른 작동을 위한 마이크로컨트롤러와 실시간 운영체제를 내장한 무선 센서 인터페이스 장치를 설계 및 구현한다. 셋 째, 제안한 센서 장치를 기반으로 하는 수소 안전 관리 어플리케이션과 안전 프로세스에 관한 내용을 제안한다. 본 논문에서 제안한 수소 안전 관리 시스템은 수소 사고에 있어서 기본적인 이슈인 수소 누출 현상으로부터 사고로의 확대를 차단하는 기술로 향후 수소 누출 사고의 방지에 적절한 대책이 될 수 있을 것이다.