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

내용

개발 과제의 배경 및 효과

내용

개발 과제의 목표와 내용

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적 및 사회적 파급효과

내용

구성원 및 추진체계

내용

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. 아래 사진은 Swagelok사의 저압 릴리프 밸브인 R3A의 모식도이다.

압력비례 릴리프 밸브 모식도[32]

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

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

내용

자재소요서

내용

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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[2] ‘‘넥쏘’가 배출하는 물로 자동차 트렁크에서 농사를 … 현대기아차 R&D 아이디어 페스티벌 가보니’. 서울신문. 2018. (2020.10.09. 방문) https://www.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20181030500117

[3] ‘미세먼지 '꿀꺽', 공기청정기 '수소차' 각광’. ZDNet Korea. 2016. (2020.10.09. 방문) https://zdnet.co.kr/view/?no=20160605112236

[4] ‘수소전기차가 미세먼지의 99%를 줄인다. 우리가 몰랐던 수소전기차의 비밀’. HMG JOURNAL. 2018. (2020.10.09. 방문) https://news.hmgjournal.com/Tech/fcev-automobile-purification

[5] 현대자동차-수소전기차 홈페이지 (2020.10.09. 방문) https://www.hyundai.co.kr/TechInnovation/Fcev/Airpurification.hub

[6] 박상현 (2013) "건식·습식 ESP의 전기적 특성 및 미세먼지 집진 효율 비교”, 한서대학교 석사학위논문

[7] 벤타 에어워셔 홈페이지 (2020.10.09. 방문) https://brand.naver.com/venta/products

[8] 마미업 공기청정기 홈페이지 (2020.10.09. 방문) https://smartstore.naver.com/0032qq/products/4278837752

[9] 박홍구. "나선형 필터와 싸이클론 시스템이 포함된 스크러버의 대기오염방지 효율에 관한 연구." 국내박사학위논문 한국산업기술대학교 지식기반기술·에너지대학원, 2019. 경기도

[10] 2019 글로벌 기계 기술포럼 - 한국기계연구원 미세먼지 저감 연구개발 현황 및 발전방향(2019,한방우)

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[14] 최종원 (2017). 초미세먼지 제거를 위한 정전분무 전기집진기 개발 연구. 대한설비공학회 학술발표대회논문집, 262-267

[15] 특허정보넷 키프리스, 특허청, 한국특허정보원 (2020. 10. 08 방문) http://www.kipris.or.kr/khome/main.jsp

[16] 환경부 보도자료, 고농도 계절 집중관리도로 운영으로 도로미세먼지 줄였어요(2020.4.29.)

[17] 환경부 환경정책, 2020년 수소연료전지차 보급 및 충전소 설치사업 보조금 업무처리지침

[18] 경기연구원, 미세먼지저감 전기차수소차 어디까지 왔나,(2020.2.19.)

[19] 전국버스운송사업조합연합회, 전국버스업체운영현황(2020.8.31.)

[20] 현대자동차 홈페이지 (2020.10. 10 방문) https://www.hyundai.co.kr/TechInnovation/Fcev/Economic.hub

[21] 퓨어린의 스모크린 (2020.10.10. 방문) http://purereen02.bizdaara.com/sell_view.html?cid=purereen02&no=893632&bc=18&mc=19&uc=&page=1&search=&key=&url=/sell_list.html#anchor1

[23] 출처 : 경기일보(http://www.kyeonggi.com) http://www.kyeonggi.com/news/articleView.html?mod=news&act=articleView&idxno=1370518

[24] 도로분진흡입차량, KR100868487B1 (2008.07.04.) https://patents.google.com/patent/KR100868487B1/ko

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[26] 자동차 등록대수 2,344만대 돌파…2.2명당 1대 보유. 한국경제. 2019. (2020.11.28. 방문) https://www.hankyung.com/car/article/2019071550242

[27] 자동차 1년 평균 1만5914km 달린다…10년새 6400km 감소. 조선비즈. 2013. (2020.11.28. 방문) https://biz.chosun.com/site/data/html_dir/2013/11/11/2013111101189.html

[28] https://imnews.imbc.com/news/2020/world/article/5978556_32640.html, 김정원, 2020.11.18. (2020.11.25. 접속)

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[30] 장태선. 이동원 발생 미세먼지 대응기술 개발 공동기획연구 최종보고서, 한국화학연구원, 2017.03

[31] 권진웅. "자동차 타이어 마모와 브레이크 마모의 미세먼지 배출량 추정." 국내석사학위논문 수원대학교, 2014. 경기도

[32] https://www.swagelok.com/ko-KR, Swagelok 제품카탈로그, (2020.11.16. 접속)

[33] https://www.busan.go.kr/traffic/trafficcensus0202, 부산광역시 교통정보, 2020.03.10. (2020.12.10.접속)

[34] https://www-trucknbus.hyundai.com/kr/products/bus/elec-city-fuel-cell, 일렉시티 수소전기버스 (2020.12.10.접속)

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

[36] 박홍준, “서울시 전기버스 114대 증차계획.. 2025년 3천대 도입목표”,2019.07.25. http://auto.danawa.com/news/?Work=detail&no=3970968&NewsGroup=M (2020.10.28. 접속)

[37] 도로 재비산 먼지 저감 시범사업 타당성 조사 연구. 인천대학교. 환경부. 2008.

[38] http://retech.kr/sub010203, 도로미세먼지 흡입차 제원 및 특징

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

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