수소-산소 가연혼합물의 스파크 점화에 필요한 항복전압에 관한 연구

A Study on the Breakdown Voltage Required for Spark Ignition of a Hydrogen-Oxygen Combustible Mixture

기후위기에 대응 및 지속가능한 사회를 만들기 위한 각국의 노력으로 인하여 전세계 많은 국가가 탄소중립을 실천하고 있다. 탄화계열의 연료를 사용하던 자동차 또는 발전분야에서는 기존의 에너지원으로 활용되고 있던 탄화수소계열의 연료를 탄소배출이 없는 수소로 전환하기 위하여 많은 정책 및 연구들이 수행되고 있다. 이러한 시도 중 수전해 생산공정에서 수소-산소의 혼합가연물이 형성되고, 원인 미상의 스파크로 인하여 폭발한 것으로 분석되고 있는 2019년의 강릉 수소저장탱크 폭발사고사례는 본 연구에서 수행하고자 하는 전기에너지의 방출특성, 점화 및 폭발특성의 중요성을 제시하기 위한 사례로 볼 수 있다. 전기 스파크가 발생하기 위해서는 일정 수준 이상의 전압이 필요하다. 이는 Paschen’s law에 의해 압력과 거리의 함수로 정의되고 있으며, 기체별로 다른 Paschen Curve를 갖고 있다. 반도체 공정에서 주로 사용되는 불활성기체에 대한 항복전압값을 측정하기 위한 연구는 다수 존재하나, 수소 및 산소의 항복전압에 대한 Data는 극한적이며 더욱이 가연혼합물의 항복전압에 대한 측정사례는 매우 부족하다. 본 연구에서는 가연혼합물이 스파크를 통해 점화되는 조건을 분석하고자 수소-산소 가연혼합가연물의 수소 농도를 조정하여 항복전압 및 방전 특성을 고찰하였으며, 수소-산소 가연혼합물의 점화 및 폭발특성을 확인하고자 약 350 ml의 용량을 갖는 정적연소챔버를 사용하여 각 농도별 폭발압력을 측정하였다. 실험 결과 항복전압값은 가연혼합물의 농도에 의해 선형으로 변화함을 확인할 수 있었으며, 농도에 따른 수소-산소혼합가연물의 폭발압력을 확인할 수 있었다.