어스뽀어스

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 수소연료전지 배출수를 재이용한 유수식 세정집진장치

영문 : Water Filter for Dust Collector with Reused Hydrogen Fuel Cell Discharged Water

과제 팀명

어스포어스 (Us For Earth)

지도교수

박영권 교수님

개발기간

2020년 9월 ~ 2020년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 강*영 (팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 문*예

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이*윤

서울시립대학교 환경공학부 20178900** 이*영

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

미세먼지는 현 세대에 들어서 심각한 사회적 문제로 대두되었다. 서울의 경우 미세먼지 배출원 중 차량의 비중이 가장 높다. 차량으로 인해 발생하는 미세먼지의 경우, 엔진이 가동되어 발생하는 ‘배출 미세먼지’와 타이어가 도로와 마찰되어 발생하는 ‘비배출 미세먼지’로 구분할 수 있다.

미세먼지 문제를 해결하기 위해, 정부에서는 ‘미세먼지 저감 특별 대책’을 통해 관리하고 있으며, 본 대책의 일환으로 도로청소차량을 운행하고 있다. 또한 휘발유, 경유 자동차를 줄이고 전기, 수소자동차를 확대함으로써 배출 미세먼지를 감축하고자 한다.

본 과제에서는 이러한 흐름을 반영해, 연료전지에서 발생하는 물을 재사용하는 집진장치를 설계하였다. 수소버스 내에 장치를 장착하여 연료전지에서 발생하는 물을 집진장치 내에 저장하고, 송풍기를 통해 도로변 공기를 집진장치 내로 흡입하여 정화하고 배출하는 형태이다.

개발 과제의 배경 및 효과

세계적으로 화석연료 사용으로 인한 환경문제가 지속적으로 발생됨에 따라, 교통수단에서 역시 화석연료를 퇴출하려는 움직임이 있다. 영국, 미국의 캘리포니아 등의 정부에서는 2030년에 내연기관 자동차의 신차 판매를 금지하고, 2035년에는 하이브리드차의 판매를 금지한다는 계획을 발표했다. 이를 대체할 방법으로 전기차와 수소차가 떠오르고 있으며, 우리나라의 현 정부 역시 ‘수소경제 활성화 로드맵’을 통해 수소차 확대 목표를 수립했고, 특히 2022년까지 수소버스 2000대 보급을 계획하였다.

현재 국내·외에서의 환경문제 중 미세먼지의 위험성이 자주 제기되고 있다. 이 중 도로 재비산 먼지는 전체 미세먼지 배출원 중 12.5%를 차지하며, 대기 중 비산먼지의 36%를 차지한다. 도로 미세먼지의 경우 배출 미세먼지와 비배출 미세먼지로 나뉘며, 내연기관 자동차가 전기차 또는 수소차로 전환되더라도 비배출 미세먼지는 여전히 발생한다. 독일 환경청에 따르면 독일의 교통부문에서 타이어/브레이크 마모가 차지하는 부분의 미세먼지(PM10)는 2005년 58%에서 2020년 93%까지 증가할 것으로 예측하였으며, 초미세먼지(PM2.5)는 동일기간에 24%에서 75%까지 증가할 것으로 예측하였다. 따라서 미래에도 도로에서 발생되는 미세먼지를 제거하는 기술은 필요하다.

본 장치로 인해 ‘수소연료전지 배출수 재이용 물필터’는 추가적인 분진흡입차 운행으로 소요됐던 인건비 및 차량 유지 운영비를 절감할 수 있을 것이며 미래에 물부족 국가가 될 수 있는 한국에서 수자원의 낭비를 막을 수 있을 것이다. ‘수소버스 배출수 재이용 물필터’가 장착된 시내버스가 서울시 전체, 더 나아가서 전국적으로 적용된다면 환경적·경제적 효과를 볼 수 있을 것이다.

개발 과제의 목표와 내용

 본 설계의 목표는 연료전지로 구동되는 시내버스에 습식 미세먼지 제거 장치를 부착하여 도로 비산 먼지를 제거하는 ‘수소버스 배출수 재이용 물필터’를 제작하는 것이다. 연료전지는 작동원리상 물을 배출하게 되는데, 이번 과제에서는 기존에 버려지던 연료전지 배출수를, 도로변 오염 공기를 흡입하여 정화하는데 이용하는 것으로 초점을 맞추고 있다.

기존 도로청소차의 경우, 인건비 및 차량 유지 운영비가 들고, 내연기관 차량이 이용되기 때문에, 미세먼지를 흡입하는 차가 미세먼지를 배출한다는 모순점을 가지며, 느린 속도로 이동하여 도로 운영에 방해가 된다. 따라서 본 설계물을 통해 기존 청소차량 이상의 효율을 내도록 해, 이를 대체하는 것을 목표로 한다.

이 장치는 수소버스 뒤쪽 하단부에 설치할 계획이며 공기흡입구는 버스 바닥을 향하고 있으며 송풍기로 흡입이 되어 들어온 비산 먼지가 물필터를 통과하여 정화된다. 정화된 공기는 버스 왼쪽 벽면으로 배출된다. 시내버스가 정차하는 버스정류장은 사람들이 미세먼지에 노출되기 쉬운 장소인데, 그런 시내버스에 연료전지 배출수를 이용한 습식 공기 정화 장치를 탑재한다면 도로변 미세먼지 제거하는 역할을 수행할 수 있을 것이다.

관련 기술의 현황

State of art

1. 수소연료전지차량 배출수 이용 현황

현대자동차의 2세대 수소연료전지차량인 ‘넥쏘’의 경우 물을 따로 활용하지 않고 배출시키고 있으며, FCX 클래리티 등의 수소연료전지차 모델을 출시한 혼다 역시 배출수를 다른 용도로 활용 하지는 않고 있다. 하지만 2014년 수소전기차의 친환경성을 강조하기 위한 마케팅으로 배출수를 활용한 생수 브랜드인 ‘H2O’를 출시하고 시음행사를 진행하는 등 수소차의 유일한 배기가스인 물(수증기)의 깨끗함과 안정성 등을 강조해왔다. 또한 2018년 10월 시행된 ‘2018 현대기아차 R&D 아이디어 페스티벌’에서는 넥쏘에서 주행 시 배출되는 물을 수조와 샤워시설 등에 활용한 ‘숲어카’가 출품되었는데, 이를 개발한 현대·기아차 외장램프시스템설계팀은 “넥쏘가 배출한 물을 간단한 정수를 거치면 식수로도 활용할 수 있다”면서 “넥쏘가 60㎞/h의 속도로 1시간을 달릴 때 배출하는 물의 양이 3.5ℓ에 달하는데 이를 재활용한다는 취지”라고 설명했다[2]. 이러한 사례들을 통하여 수소연료전지에서 배출되는 물의 활용 가능성을 확인할 수 있었다.

2. 차량부착 미세먼지 제거 장치

2.1 수소연료전지차량의 공기정화

수소연료전지차량은 기본적으로 두 가지의 공기정화가 필요하다. 한 가지는 기존 내연기관 자동차와 동일하게 차량 내 공기를 정화하는 것이고, 다른 한 가지는 수소연료전지에 가동에 이용되는 산소의 공급원인 공기를 정화하는 것이다. 수소연료전지에 공급되는 산소는 오염물질이 거의 존재하지 않는 순수한 상태여야하기 때문에 산소를 공급하기 전 공기를 정화하는 과정이 필수적이며, 따라서 일반 차량에 장착되는 필터보다 훨씬 성능이 우수한 공기 필터를 적용한다 [3].

현재 현대자동차의 ‘넥쏘’에서는 그림2와 같은 방식으로 공기를 정화하고 있다. 공기필터에서 초미세먼지(PM2.5)의 97%이상을 제거하며, 여기서 걸러지지 않은 미세먼지는 가습 과정에서 추가로 저감되고, 스택 내부 미세기공 구조의 탄소섬유 종이로 된 기체확산층(공기를 연료전지 셀에 골고루 확산시키는 장치)를 통과하면서 또 한 번 걸러진다 [3]. 또한, 현대자동차의 설명에 따르면, 넥쏘 1시간 운행 시 정화하는 공기량은 26.9kg으로 이는 성인 42.6명이 1시간 동안 마실 수 있는 양에 해당하며 (몸무게 64kg 성인 1명이 1시간 동안 호흡하는데 필요한 공기량 0.63kg 기준, 세계보건기구) [4], 주행 중 도로 위의 공기를 유입해 정화하는 만큼, 도로에서 발생되는 상당량의 미세먼지(타이어와 도로표면 마모 등)를 직접 정화하는 효과가 있다고 한다 [5].

2.2 도로 청소 차량

환경부는 2019년부터 환경부가 도로미세먼지(도로재비산먼지) 저감을 위해 다양한 도로청소차를 도입하엿다. 그 종류로는 고압살수차, 진공노면차, 분진흡입차 등이 있으며 각각의 미세먼지 평균로 저감률은 16.4%, 26.4%, 36.6%로 분진흡입차가 최대 효율을 보였다. 특히 기존 고압 살수 방식은 미세먼지를 물로 흘려보내는 방식을 사용함으로써 동절기 작업불가. 지하수 고갈 등의 문제가 있어 분진흡입차량이 도입되었다.

분집흡입차량은 도로 위 산재되어있는 분진을 고압으로 흡입하여 차량 내부의 특수필터를 통해 미세먼지를 제거한다. 또한 회수된 미세먼지는 각 자치구별로 임시보관한 후 수도권 매립지를 통해 처리된다. 분진흡입차량은 1차 이물질포집, 2차 분진포집, 3차 필터 흡착으로 구성되며 PM10는 98.3 %, PM2.5 98.2%까지 제거가능하다. 흡입력을 발생하는 블로워와 공기를 흡입하는 흡입기를 통해 유입된 공기가 사이클론 집진 방식과 특수 필터를 이용한 필터링을 통하여 미세먼지를 높은 효율로 제거한다. [24, a]

2.3 물을 활용한 집진장치 기술 현황

물을 활용한 집진장치의 경우, 물을 회전시키거나 분사해 오염물질과 물을 접촉시키는 방식으로 흡수 제거하는 ‘습식 집진’ 방식과, 습식 집진과 전기 집진 방식을 결합한 ‘습식 전기집진’ 방식으로 나눌 수 있다. 전기집진방식은 입자에 전기적인 부하를 제공하여 전계를 형성시켜 하전된 입자가 집진판으로 포집되도록 유도함으로써 입자를 제거하는 것이며, 크게 처리가스 중의 먼지에 코로나 방전을 통해 전하를 주는 ‘방전극’과 방전극과 함께 전기장을 형성시키며 방전된 먼지를 포집하는 ‘집진극’, 집진극과 방전극 표면에 부착된 먼지를 털어내는 장치인 ‘탈진장치’ 등으로 구성된다. [6]

가. 세정 집진 방식

세정 집진 방식의 경우, 다시 흐르는 물을 이용하는 방식인 유수식 물을 분사하는 방식인 가압수식으로 구분하였다.

a) 유수식 세정 집진 장치 (이하 물필터)

세정 집진이라고도 부르는 유수식 습식 집진 방식은 분진을 포함하는 기체를 액체에 의해 세정하여 제거하는 방식이다. 다른 집진 장치에 비해 구조가 간단해 분진 제거기, 가정용 공기청정기 등에 적용되고 있다, 이는 습식 전기집진 장치에 비해 부피가 작고 안정성이 높으며, 제작 및 유지보수가 용이하다는 장점이 있다.

b) 가압수식 습식 집진 장치 (이하 스크러버)

가압수식 습식집 진장치로도 불리는 ‘스크러버’ 방식의 경우 오염된 공기에 물을 분사하거나 얇은 액체막에 통과시켜 가스 내의 미세먼지를 제거하는 방법이다. 위의 물 필터 방식에 비해 물과 오염물질이 접촉하는 면적이 넓어 상대적으로 효율이 높다. 또한 대기 중 수증기에 의해 입자가 응집하여 침강하기도 한다. 가연성, 폭발성 먼지의 처리가 가능하며, 물에 압력을 가해 분사하는 가압수식, 세정탑 내에 표면적이 넓은 충전재를 채우고 물을 분사해 오염된 공기와의 접촉을 극대화하는 충전식, 송풍기를 이용해 물방울을 형성해 오염 물질과 접촉시키는 회전식, 원심력을 이용한 싸이클론 스크러버 등의 기술이 개발, 사용되고 있다.

비교적 최근의 기술인 싸이클론 스크러버의 경우, 싸이클론 회전력, 소용돌이 회전력, 물 분사 세정력에 의해 1차로 유해 가스를 정화 처리한 후, 필터 모듈에서 2차 정화 과정을 거쳐 기존 스크러버 보다 처리효율이 높다. 싸이클론 시스템, 필터 모듈, 배출부로 구성되어 있으며, 시스템 상부는 필터 모듈과, 하부는 물탱크와 결합된 구조로 되어있다. 나선형 필터를 적용한 연구에서의 성능 측정 결과, 기존 충전탑 방식의 스크러버와 비교했을 때, 장치 크기가 절반 정도임에도 불구하고, 염화수소는 23%, 먼지는 5%, 황산화물은 23% 정도의 효율이 개선되는 등 성능이 우수함을 확인할 수 있었다 [9].

나. 습식 전기집진 방식

습식 전기집진’ 방식은 물로 장치 내 수막을 형성해 전기집진 방식에서의 집진극 역할을 대신하도록 하는 ‘수막 형성’ 방식과 오염물질을 집진하기 위해 물을 분사하는 노즐에 전압을 걸어 물을 더 미세한 크기로 분사되도록 해 집진 효율을 향상시키는 ‘정전 분무’ 방식으로 나눌 수 있었다.

a) 수막형성 방식

수막 형성’ 방식에 대해 다음과 같이 조사하였다.

(1) 수막 형성을 이용한 습식 집진 장치 [6]

이는 집진극에 수막(water film)을 형성하면서 흘러내릴 수 있도록 한 장치로, 원통형 집진기 내부에 물을 흘려 수막을 형성시켰으며, 물의 체류시간을 증가시키기 위해 물을 사선 방향으로 공급되도록 하였다. 약 0.1 ㎛ 이하의 미세먼지까지 처리가 가능하며, 전기장 강도가 커질수록 효율이 증가하였다. 소규모 스케일의 실험 결과 전기장 강도가 –4.5 kV/cm일 때, 원통형 집진기의 재질에 따라 철제(steel)의 경우 99.6%의 집진율을, PVC 재질의 경우 98.1%의 집진율을 보였다.

(2) 극미세 마이크로 탄소섬유를 이용한 습식 공기정화 [10]

이는 물리적 필터 없이 물과 정전기만으로 초미세먼지(PM2.5)를 제거할 수 있는 기술로, 마이크로 탄소섬유’ 방전극을 이용해 미세먼지를 하전 시킨 뒤, 고강도의 전기장이 형성된 집진패널로 포집한다. 극미세 마이크로 탄소섬유 다발에 상대적으로 낮은 전압을 가하여 오존의 발생 없이 미세입자를 하전시킬 수 있으며, 금속 집진패널 또는 유전체 코팅 집진패널로 하전입자를 포집시키는 기능을 결합하였다. 하전된 미세먼지 입자는 물이 흘러내리도록 설계된 수막형 집진극에 의해 수막과 함께 하단부의 수조로 이동시켜 제거한다. 전기집진판을 항상 깨끗하게 유지할 수 있어 재비산 등 2차 오염을 방지할 수 있고, 공기 정화와 가습이 동시에 가능하며, 필터가 필요 없어 반영구적으로 사용이 가능하다.

b) 정전 분무 방식

‘정전 분무’ 방식은 전도성 액체가 통과하는 노즐(Nozzle)에 고전압을 인가하면 미세한 액적(Droplet)이 형성되어 분무되는 현상을 이용한 것으로, 정전 분무 방전극을 이용한 습식 전기 집진기 [13] 이는 정전 분무 습식 전기 집진기로, 집진판은 원통 형태로 되어있으며 원통의 중심부에 튜브형태의 정전분무 방전극이 위치해 있다. 튜브의 4방향으로 다수의 노즐이 뚫려 있으며, 노즐 직경에 따라 분무량과 집진효율이 달라지는 모습을 보였다. 소규모 스케일 실험에서 집진판은 내경 110mm, 길이 300mm로 제작하였고, 방전튜브에는 28개의 노즐을 뚫어 물을 분사하였다. 분무량은 노즐 직경이 0.5mm일 때 400mL/min, 0.25mm일 때 200mL/min으로 측정되었으며, 대략 0.1~1 μm 영역의 먼지를 처리하였다. 전기장 강도가 커질수록 효율이 증가하였는데, 전기장 강도가 –5.0 kV/cm이고 노즐의 크기가 0.5mm일 때 집진효율은 96.6%이며, 노즐의 크기가 0.25 mm일 때는 97.1%였다.

기술 로드맵

특허조사

특허전략

1. 본 설계에는 수소연료전지와 결합할 수 있는 습식 세정 집진기를 제작하는 것이 목적이다. 상용화된 수소연료전지의 구조에 맞게 최대 정화 효율을 얻을 수 있는 습식 집진 설비에 관하여 연구한다.

2. 기존 등록되었거나 출원되었으나 거절된 특허자료를 조사해 관련 기술에 대한 데이터베이스를 구축한다.

3. 친환경적인 에너지원에서 발생하는 물을 재이용하여 공기를 정화하는 효과까지 얻을 수 있다는 설계 장치의 장점을 극대화할 수 있는 방안을 모색한다.

4. 수소연료전지를 동력으로 사용하고 있는 기존 장소(ex 수소전기자동차, 수소버스 등)에 안전하게 추가할 수 있도록 설계 시 결합 방법 이외 고려사항을 유의한다.

5. 본 장치의 적용 가능성과 공익성을 높이기 위해 구체적인 목적과 정확한 설계 인자를 제시할 수 있게 한다.

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1. 이용 가능한 새로운 수자원의 제시

수소연료전지에서 에너지를 생산한 후 부산물로 발생되는 물을 배출하여 버리는 것이 아니라 먼지집진 장치로써 물필터의 필터로써 이용한다. 이는 연료전지에서 물이 발생하는 즉시, 혹은 한 번 저장한 뒤 길가에 배출하는 기존의 수소연료전지 개발흐름과 달리 배출수를 효율적으로 사용하기 위한 방법을 제시하는 것이다. 2019년 7월 기준 자동차 등록대수는 2,344만대를 돌파했다 [26]. 개요에서 언급했듯 2030-40년 내연기관 자동차의 판매가 중단되면 수소차의 수요 역시 증가할 것이다. 친환경 자동차로써 수소차와 전기차가 지목되는 상황을 고려하여, 2,344만대 중 절반이 수소차라고 가정했을 때, 연간 수소차에서 발생하는 물의 양은 약 3886 톤에 달한다. (자동차 연간 주행량 15,914 km [27], 수소차 48km 운행 시 1L 물 발생) 이는 갈수록 수자원 부족으로 인한 물의 효율적 사용이 중요해지는 상황 속에서 무시할 수 없는 양이며, 본 설계의 경우 이러한 양의 물을 재사용할 수 있는 방법을 제시한다.

2. 도로변 먼지 집진의 새로운 형태 제시

현재 도로변 먼지를 관리하는 방법으로 고압살수차, 진공노면차, 분진흡입차 등 도로변 먼지 집진을 위해 제작된 개별적 차량을 이용하고 있다. 도로변 먼지 집진에 최적화된 차량인 만큼 좋은 효율을 보이겠지만, 분진흡입차의 경우 분진 흡입을 위해 시속 10km의 속도로 달리고, 살수차의 경우 인도와 인접한 차선에서 물을 뿌림으로써 가까운 인도와, 차량에 불편함을 주는 등 기존의 환경과 조화되지 못하는 문제가 있다. 무엇보다도 새로운 차량을 개발하고, 제작하고, 운행하기 위해 드는 비용도 매우 크다. 하지만 본 설계에서 제시하는 도로변 먼지 집진장치의 경우, 이미 운영되고 있는 시내버스 시스템에 장치를 추가함으로써 미세먼지를 저감한다는 의의가 있다. 차량 단위가 아닌 장치만 추가되기 때문에 인건비를 포함한 비용의 절감이 가능하고, 도로에 추가되는 차량이 없기 때문에 발생하는 문제도 적다. 이는 차량을 통해서만 도로변 미세먼지를 제어하는 기존의 관념을 새롭게 바꾸는 것이라고 할 수 있다.

3. 기술의 결합을 통한 복합적 환경문제 해결

집진장치를 통한 미세먼지 저감 및 연료전지 배출수 재이용을 통한 수자원 문제를 동시에 해결함으로써 기후변화에 대한 지속가능한 대응이 가능하다. 이는 앞으로 계속해서 등장할 여러 환경문제에 대한 해결방안의 새로운 방향을 제시한다.

경제적 및 사회적 파급효과

연료전지 배출수를 재이용한 유수식 세정집진 장치의 도입을 통한 경제성 분석을 다음과 같이 진행했다. 기본적으로 수소차에 본 설계물을 설치함으로써 도로변 미세먼지 정화차량을 대체하며, 그 이상의 미세먼지 정화 효과를 볼 수 있다고 전제하였다. 이러한 경우, 이득 (Benefit)으로는 기존 분진 흡입차 대체를 통한 운영비 절감이 있으며, 비용 (Cost)으로는 물필터의 제작비와 설치비, 운영비가 있다.

Benefit - 기존 분진 흡입차 대체를 통한 운영비 절감

우선 본 설계물이 도로변 공기질 정화를 진행하게 된다면 도로변 미세먼지 정화차량의 운영비 감축이 가능하다. 운영비는 크게 운전요원 인건비, 유류비, 보험료, 유지비로 구분해 계산하였다. 각 비용은 경기도 인천광역시의 2019년 세출예산사업명세서를 기반으로 책정하였다. 도로변 먼지 청소차량의 대당 연간 운영비는 3100만원으로, 서울시에서는 총 448대를 운영 중이므로 연간 138억8800만원을 사용한다는 계산이 도출되었다.

하지만 이러한 차량의 경우 미세먼지 농도가 높을 시에 집중적으로 운행되는 특성을 고려하여, 차량이 1년 중 절반 (6개월)만 운행된다고 가정해 연간 비용을 계산 값의 절반인 69억4400만원으로 하였다.

Cost

① 물필터 제작비 및 설치비

공기정화장치, 공기배출구, 관 등은 주문제작 방식으로, 송풍기와 흡입구 거름망, 감압밸브 등은 기존 제품 주문 시 개당 129,500원의 비용이 소요된다. (아래 표 참고) 서울시 시내버스 6990대에 모두 설치할 경우 9억520만5천원의 비용이 발생한다.

설치비의 경우, 1대 설치하는 데 최대 2시간이면 충분하다고 가정하였을 때의 인건비를 고려하였다. 모든 시내버스에 설치할 경우 최대 13980시간이 소요되며, 시급을 10,000원이라고 가정할 경우 1억3980만원의 비용이 발생한다.

② 물필터 운영비 : 월 1회 점검 및 수리 가정

본 설계의 경우, 도로변 먼지청소차량과 달리 기존에 운영되는 시내버스에 추가 설치하는 것이기 때문에, 인건비와 유류비, 보험료가 따로 발생하지 않는다. 따라서 유지비만 고려하였는데, 이는 월 1회 점검 및 수리를 진행하는 엄격한 기준으로 가정하였다. 그에 따른 인건비와 수리비를 산정해보았는데, 장치 점검의 경우 한 개 장치 점검하는데 30분이 소요된다고 가정하였다. 1달에 20일, 1일 8시간 근무하며, 시급은 10,000원으로 가정할 시, 6990대의 버스의 장치를 모두 점검하는데 총 22명의 인원의 시급 지급에 3520만원이 소요된다. 따라서 연간 소모비용은 4억2240만원이다. 또한 수리비의 경우, 연간 6990대 중 500대 정도가 고장 등으로 수리/ 교체된다고 가정하여 129500원 (장치 제작비용)*500대= 6475만원 정도를 추가로 고려하였다.

따라서, Benefit은 69억4400만원, Cost는 9억520만5천원+1억3980만원+4억2240만원+6475만원으로 총 15억3215만5천원이 된다. Benefit/Cost 비율은 4.53으로, 비용대비 편익이 클 것으로 예상되어 경제성 역시 충분할 것으로 기대된다.

구성원 및 추진체계

1. 구성원 ㅊ 역할

2. 추진체계

3. 단계별 세부일정

설계

설계사양

개념설계안

 본 설계의 개념 설계는 외기 흡입단계, 공기 정화 단계 및 후처리 단계로 이루어져 있으며, 각 단계는 다음과 같은 장치들로 구성되어있다.
① 외기 흡입 단계: 흡입구와 송풍기
② 공기 정화 단계: 물필터와 물과 공기의 유입/유출구
③ 후처리 단계: 처리수 저장소와 물 배출구

① 외기 흡입 단계

1-1 흡입구

흡입구 측면

흡입구는 버스 바닥에 위치한다. 흡입 시 버스의 이동에 의해 방해기류가 생길 수 있어, 기류의 영향을 줄일 수 있는 포위식 후드 형태로 설계하였다. 또한 낙엽이나 돌멩이 등과 같이 크기가 큰 이물질들이 흡입되어, 관을 막거나 물필터에 고장을 일으키는 것을 방지하기 위해, 유입구에 방충망과 같은 형태의 거름망을 설치한다.

1-2 송풍기

원심 송풍기 단면

송풍기 단면

수소 버스 내부에 추가로 설치해야 하는 본 설계물의 특성 상 설계물의 부피를 최소화해야 한다. 따라서 공기 흡입방향과 토출방향이 수직이기 때문에 설계물의 구조 상 효율적인 공간배치가 가능한 원심형 송풍기로 선정하였다. 송풍기의 유입구는 1-1 흡입구와 연결되며, 따라서 버스 내부 바닥 쪽에 위치한다. 또한 토출구는 물필터의 공기 유입구와 연결된다.

1-3 흡입구와 송풍기 연결도

흡입구와 송풍기의 연결도

② 공기정화 단계

2-1 물필터

본 설계에서는 원심력을 이용한 유수식 세정 집진장치를 ‘물필터’로써 이용하고자 한다. 물필터의 구성은 공기유입구, 내통, 외통, 공기배출구, 물유입구, 물유출구로 구성되어있다.

물필터 정면도

 물필터의 원리는 다음과 같다. 속도를 갖는 공기가 공기유입구를 통해 물필터 내부로 들어간다. 접선방향으로 내통에 유입된 공기는 원통형의 내통에서 원심력을 가지고 회전하게 되는데, 이때 내통에 일부 채워져 있는 물과 함께 회전하면서 물과 공기가 접촉하게 된다. 공기에 포함되어있는 이물질들은 물과 공기가 접촉하면서 세정되고, 공기에서 분리되어 물속으로 들어가 제거 된다.
또한, 이 과정에서 사용하는 물은 연료전지에서 수소와 산소가 결합해 발생하는 부산물로, 이를 물 유입구를 통해 물필터 내로 유입시켜 먼지 제거 용도로 재이용한다.

물필터 측면도

물필터 장치 내 각각의 구성품이 가진 기능과 역할은 다음과 같다. 우선 공기유입구는 내통의 접선을 이루는 방향으로 설치하여 외부 공기의 원심력을 최대화시킨다. 내통은 유입된 공기가 내통 내부의 물과 함께 회전할 수 있도록 원형 형태이다. 공기유입구 방향의 내통은 막혀있으며 공기배출구 방향의 내통부분은 뚫려있어 물과 접촉한 외부공기가 외통으로 이동할 수 있다. 외통은 내통을 내부에 담고 있는 수조 역할을 하며, 연료전지에서 발생한 물이 유입되는 물유입구와 외부공기와 접촉하고 난 후의 처리수가 배출되는 물유출구가 연결되어있다. 이때, 내통에서 물과 접촉한 후에 깨끗해진 외부 공기가 외통으로 이동하고 외통 내부의 공기는 새로 유입되는 공기에 의한 압력으로 공기 배출구로 이동하게 된다. 공기 배출구에서는 공기와 처리수를 분리하여 공기만 외부로 배출시키는 과정이 진행된다. 그러기 위해서 공기배출구에 습기제거를 위한 충돌판을 설계했는데 이는 유출되는 공기가 충돌판에 충돌되면서 잔류수분이 공기와 분리되도록 하기 위함이다. 공기배출구로 이동한 공기는 최종적으로 외부로 배출된다. 추가적으로, 물 유입구는 물의 역류를 최소화하기 위해 외통 측면의 상단부에 위치시켰고, 물 유출구는 배출공기의 흐름을 방해하지 않도록 동일한 방향이되 외통 측면 하단부에 설치하였다.

③ 후처리 단계

3-1 처리수 보관용 수조

처리수 수조는 물필터에 물이 과량 유입되거나 먼지를 포집한 처리수가 배출되어 보관되는 장소로, 물필터 하단에 위치시켜 낙차를 이용하여 동력 없이 물이 흐를 수 있도록 한다. 연료전지에서 발생되어 물필터를 거친 물이 즉각적으로 외부로 배출될 경우, 뒤차에 물이 튀기거나 주차장에서 물이 흐르거나 겨울철 도로변 배출수로 인해 결빙되거나 하는 등의 문제가 발생할 것이라고 생각해 일정 기간 동안 물을 저장해두었다가 주기적으로 물을 비우는 방법으로 설계를 하였다. 
물필터 내 물이 하루에 한 번 완전히 바뀌도록 물필터를 설계하였으므로, 수조 용량 역시 하루 배출량과 같은 약 5L로 설계하였고, 따라서 매일 버스의 영업이 종료된 후 혹은 영업을 시작하기 전 청소 등의 관리과정에서 함께 수조 내의 물을 비워줄 수 있도록 하였다. 버스 청소 시에 물을 비워줄 경우, 보조 장치의 보완을 통해 배출수를 초벌 세차 용도로도 사용할 수 있을 것이다.

3-2 감압밸브

물필터와 처리수 저장부를 연결하는 관은 물필터의 하부에 설치한다. 미세먼지와 같은 입자가 물필터 외통에 바닥면에 침전될 수 있기 때문이다. 연결관 유입구에는 감압밸브(pressure relief valve)가 설치된다. 감압밸브는 압력의 증감에 비례하여 밸브가 열림과 닫힘이 결정된다. 물필터에 물의 높이가 증가하면 감압밸브에 압력이 가해지게 되는데 이렇게 가해지는 압력이 설정압력을 초과했을 시 물이 서서히 방출된다. 이번 설계에서 사용하는 물필터에서 사용되는 물의 양이 약 1/2정도 찬 경우, 압력을 대략적으로 계산 해보면  로 낮은 압력이기 때문에 저압밸브를 사용한다.

④ 각 장치의 연결과 배치

위의 각 장치들은 각각의 기능에 악영향을 주지 않되, 부피를 최소화 하는 방식으로 결합시킨다. 또한 결합시킨 장치는 최종적으로 수소 버스의 뒤쪽 하단부에 설치할 예정이다.

(좌) 3차원모식도, (우) 수소버스 내 결합 위치 추정 모식도

이론적 계산 및 시뮬레이션

1. 흡입구 1-1. 공기 유입배관 구경 1) 가정: 유입공기 유량, 즉 처리유량을 19.5/hr (=0.325/min)로 설정 흡입구 흡입 유속은 2.76 m/sec로 설정 2) 계산: 유량= 단면적*유속 이므로, 관로 구경= 0.05m 1-2. 흡입구 면적 1) 고려사항: - 버스의 뒤쪽 바퀴 사이 정도에 설치될 예정이므로, 버스의 바퀴 안쪽 폭 (약 2m) 고려 - 흡입구 내의 기류가 균일하기 위해서는 관로 단면적과 흡입구 면적이 적절한 크기여야하기 때문에, 흡입 관로 구경 (0.05m) 고려 - 기존 분진흡입차량의 흡입구 구조 고려: 가로/세로 비율 = 2.949 [36]2) 흡입구 면적: 흡입구의 세로는 관경을 고려하여 0.1 m로 고정함, 따라서 가로 = 0.1*2.949= 0.30 m, 가로 0.3 m, 세로 0.1 m인 직사각형 형태의 흡입구로, 총 단면적 0.03m2 로 설정

2. 송풍기 2-1. 소요동력 (=소비전력) 1) 송풍기 전압: 송풍기 정압은 일반적인 터보형 송풍기의 정압인 100로 가정 송풍기 동압은 Pv=0.50kg/m2 송풍기 전압= 정압+동압= 100+0.50= 100.50 (=kg/㎡) 추가로 충격 등과 같은 외부 영향 고려해, 송풍기 전압 110로 설정 2) 효율: 원심형 송풍기 종류 중 하나인 Turbo Fan의 평균 효율인 70%로 가정. 3) 송풍기 소요동력: 안전율은 모터의 마력에 의해 정해지는데, 본 설계에서는 2로 가정. 동력 = 0.0167kW 2-2. 송풍기 모델흡입 유량 (19.5m3/hr), 소비전력 (0.0167kW) 고려해, 시중에 판매 중인 송풍기 모델 중 후보 선정함.송풍기의 규모는 TB-8B모델의 경우 너비 220mm, 높이 204mm, 두께 189mm로 버스 내에 설치 가능할 것으로 판단됨.

3. 전력 공급 방식 수소버스의 경우 수소와 산소로 생산된 전기를 통해 구동되는 만큼, 연료전지에서 생산된 전력을 가져다 쓸 것이다. 1) 고려사항:　시내버스 하루 평균 주행 거리: 229 km 시내버스 평균 주행 속도: 26 km/hr [33] 시내버스 하루 평균 주행 시간: = 8.8 hr 송풍기 소요 전력량: 0.0167 kW 수소버스 공급 가능 전력: 약 180kW (현대 일렉시티 수소전기버스 자체 개발 연료전지) [34] 2) 계산결과: 송풍기 하루 사용 동력: 0.0167 kW Ⅹ 8.8hr = 0.14696 kWh 사용 연료전지 하루 발생 전력: 180kW Ⅹ 8.8hr = 1,584 kWh 생산 하루 송풍기의 사용 동력(0.14696 kWh)은 연료전지 하루 발생 전력(36.67 kWh)에 비해 큰 비중을 차지하지 않는다고 판단.

4. 물필터 4-1. 수소 시내버스 물 배출량 1) 주행환경에 따라 다르지만, 평균적으로 48km 주행 시 물 1L 배출 [35] 서울 시내버스 1대의 1일 평균 주행거리 229km [36] 2) 버스 1일 물 배출량= (주행거리 당 물 배출량)* (시내버스 1일 주행량)= 5L/day 4-2. 물필터 장치 크기 1) 고려사항: 1일 물 배출량 (5L/day), 형태는 공기와 물의 회전이 쉽도록 누운 원통형, 장치 내 물 비율은 집진 효율과 압력손실을 고려해 50%로 설정 2) 장치 크기: 전체 용량은 약 8.8L로, 지름 0.15m, 길이 0.5m로 설정. 수소버스 실제 크기 고려해 설치 가능한 정도의 규모임을 확인.

- 연료전지에서 발생되는 물은 바로 물필터로 유입되고, 유입량과 같은 양의 물이 연속적으로 빠져나가는 형태이기 때문에, 실내 환기량 계산 방식을 차용해, 물 전체가 1일 1회 교체될 수 있도록 물필터 내 수량을 연료전지 1일 물 배출량과 유사(약 4.5L)하게 설정하였다.

5. 도로변 먼지 집진 효율 1) 도로변 먼지 흡입효율: 먼지흡입차량의 도로변 먼지 흡입효율과 동일하게 20%로 설정 [35]. 흡입효율(%)= 100X(청소 전 SL- 청소 후 SL)/청소 전 SL로 계산. (SL= Silt Loading, PM7.5 노면 축적량) 2) 물필터 집진 효율: 일반적인 물필터 공기청정기/청소기의 PM10 평균 집진효율인 80%로 목표 설정

6. 현재 서울시 먼지흡입차량과의 성능 비교 1) 도로변 먼지청소차의 연간 처리 먼지량: 분진흡입차, 노면청소차, 물청소차를 포함한 도로변 먼지청소차량은 서울시 19년 12월 기준 448대이며, 분진흡입차 대당 연간 PM10이하 먼지 처리량 580kg/year이고, 기타 2종 차량의 효율도 동일하다고 가정하였다. 따라서 도로변 먼지청소차의 연간 처리 먼지량= 580 kg/year/대 * 448 대 = 259840 kg/year 이다. 2) PM7.5 노면축적량 (Silt Loading)을 이용한 먼지량-> 유량 변환 도로변 먼지청소 효율 연구 자료를 통해 도로변 평균 Silt Loading을 3.6g/m2으로 가정하였다 [3,4]. SL이 차량의 이동에 따라 비산하는데, 그 높이를 1m로 가정하여, 도로면 단위 면적 당 높이 1m까지의 부피 1당 먼지 3.6g 존재한다고 가정하였다 (3.6g/). 따라서 도로변 먼지청소차의 연간 처리 유량은 이다. 3) 수소버스 집진장치의 연간 처리유량: 수소버스 대당 처리유량 19.5/hr/대 이며, 마을버스와 예비차량을 제외한 19년 3월 기준 서울시 시내버스 총 대수는 6990대이다. 따라서 수소버스 집진장치의 연간 처리유량= 19.5m3/hr * (24*365) * 6990대 = 1.2X10^9 m3/year 이다.

조립도

부품도

자재소요서

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

가. 흡입구, 송풍기 연결사진(측면, 정면)

나. 물필터, 처리수 저장부(정면)

다. 3D 모델링

라. 3D 프린트

마. 실험을 위한 시제품 제작

포스터

개발사업비 내역서

완료 작품의 평가

1. 목적성

미세먼지를 제거하는 기존 분진흡입차량이 내연기관에서 미세먼지를 배출한다는 모순점을 해결하였으며 발생되는 수소연료전지 부산물인 물 4.77L/d가 모두 물필터에 사용되기에 목적에 달성하였습니다.

2. 신규성

기존에 미세먼지 문제를 해결하기 위한 여러 접근 방식들이 있었지만 연료전지로부터 나오는 물을 이용한 사례는 없었으며 특허자료를 비교할 경우 수소버스의 연료전지 배출수를 이용한 유수식 세정집진 장치에 대한 특허는 존재하지 않았습니다.

3. 기술성

본 설계제품은 목표로 한 유량 7.4 m3/hr 보다 높은 19.5 m3/hr를 처리할 수 있기에 설계 목표를 달성하였습니다. 그리고 PM10 미세먼지 제거 효율은 92.21%로 목표로 한 처리효율인 80%보다 높은 수치를 나타냅니다. 감압밸브를 이용하여 추가적인 전력소모 없이 물 배출과 저장이 가능합니다.

4. 경제성

B/C 분석 결과, B/C 값이 4.53으로 비용 대비 이익이 1 이상입니다.

5. 기술 활용성

본 장치는 대략 가로 0.4m, 세로 0.6m, 높이 0.5m로 수소버스 내부 설치 시 그리 크지 않지만, 기존 장치들이 있는 수소버스에 새로운 장치를 장착하는 것은 쉽지 않을 수 있습니다. 하지만 수소버스 뿐만 아니라, 수소차, 수소트럭 등 연료전지로 구동되며 물이 발생하는 모든 종류의 교통수단에 적용가능하며 미세먼지 저감효과를 기대할 수 있습니다.

6. 공익성 (환경적 측면)

본 장치는 분진흡입차량을 대체하고도 더 많은 처리유량을 감당하고 연료전지에서 하루에 배출되는 물의 양인 4.77L/day를 모두 사용하므로 수자원 재이용의 목적에 부합하였습니다. 그리고 공기 세정에 사용된 물은 처리수 저장부에 저장되었다가 수소버스가 차고지로 들어왔을 때 하루에 한 번씩 하수구로 배출됩니다. 깨끗한 물을 내보내는 것은 아니지만 유수식 세정집진 장치가 비로 재비산 먼지와 차량 발생먼지를 정화하는 것에 착안한 점에서 생각하면, 먼지를 포함한 물이 하수구로 배출되는 것은 문제가 되지 않습니다.

향후평가

본 설계는 수소버스의 연료전지 배출수를 이용한 ‘물 순환형 습식 미세먼지 제거장치’로 크게 수자원 재이용과 미세먼지 문제 해결을 목적으로 하고 있습니다. 본 장치가 부착된 시내버스의 운행으로 기존에 운영되는 분진흡입차량의 역할을 완전히 대체하여 분진흡입차량 운행 시 들었던 불필요한 비용과 자원 (인건비, 운영비 등)을 없애고자 하는 목표가 있습니다. 자체적인 평가를 통해 본 장치의 기술성, 경제성, 그리고 기술활용 가능성 등을 종합적으로 판단한 결과, 총 100점 만점에 92점으로 평가되어 본 장치가 실제로 시내버스인 수소버스에 적용하는 것이 충분히 타당함을 확인하였습니다.
 본 장치는 정부의 ‘수소 경제 활성화 로드맵’에 따라 수소버스로 교체되는 시내버스에 장착되는 장치로, 시내버스라는 공익성의 측면에서 시민들에게 미세먼지 저감 노력 등을 홍보할 수 있습니다. 또한 시내버스는 이동 동선이 정해져있기 때문에 지역별로 균형 있는 미세먼지 저감계획을 진행할 수 있습니다. 더 나아가, 본 장치는 수소버스 뿐만 아니라 수소차, 수소트럭 등 물이 배출되는 모든 종류의 연료전지 차에 적용 가능성을 지녀, 향후 ‘수소 경제 활성화 로드맵’에 따라 본격적으로 수소사회로 진입했을 때, 수자원 재이용과 미세먼지 저감의 목표를 효과적으로 이행할 수 있음을 예상할 수 있습니다.

부록

참고문헌 및 참고사이트

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[35] http://www.autotribune.co.kr/news/articleView.html?idxno=4170, 기노현 기자, 2019.10.28. 기재 (2020.10.27. 접속)

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[40] 박홍준, “서울시 전기버스 114대 증차계획.. 2025년 3천대 도입목표”,2019.07.25.