수소 에너지 시스템의 안전성 향상을 위한 피팅 누출 원인과 해결 방안 탐구

정영훈
동산고등학교

서론

오늘날 지구 온난화와 탄소 배출 문제를 해결하기 위해 친환경 에너지의 중요성이 커지고 있다.
그중 수소 에너지는 연소 시 오직 물만 배출하기 때문에 차세대 청정 에너지로 주목받고 있다.
하지만 수소는 분자 크기가 매우 작고, 높은 압력에서 다뤄지기 때문에 가스 누출 위험이 크다.
특히 수소를 운반하는 배관의 연결 부위인 피팅(fitting) 부분은 누출이 가장 잘 발생하는 위치이다.
따라서 수소 에너지 시스템의 안전성을 확보하기 위해 피팅의 구조적 문제와 누출 원인을 탐구하는 것은 매우 중요하다.
이 보고서에서는 피팅에서 발생하는 수소 누출의 주요 원인과 그 해결 방안을 알아보고자 한다.

본론

1. 피팅의 역할과 구조

피팅은 배관과 배관을 연결하거나 방향을 바꾸는 부품으로, 수소가 안전하게 이동하도록 도와준다.
고압의 수소를 다루기 때문에 피팅은 강한 압력과 진동에도 견딜 수 있어야 한다.
하지만 이 부위가 헐거워지거나 재료가 손상되면 작은 틈으로도 수소가 쉽게 새어나올 수 있다.

2. 수소 누출의 주요 원인

① 진동: 압축기나 펌프 작동 시 배관이 흔들리면 피팅 결합부가 느슨해져 틈이 생긴다.
② 압력 변화: 수소의 압력이 갑자기 높아지거나 낮아질 때 피팅의 밀폐력이 약해진다.
③ 열팽창과 수축: 온도가 변할 때 금속이 팽창하거나 줄어들며 틈이 생길 수 있다.
④ 재료 열화: 수소가 금속 안으로 침투해 금속을 약하게 만드는 ‘수소 취성’ 현상이 발생한다.

3. 해결 방안

① 설계 개선

진동을 흡수할 수 있는 구조나 나사가 풀리지 않도록 하는 고정 설계를 적용한다.

단일 밀폐 구조가 아닌, 이중 밀폐 구조를 사용해 기밀성을 높인다.

② 신소재 사용

수소에 강한 스테인리스강이나 니켈 합금을 사용하면 금속이 부식되거나 깨질 위험을 줄일 수 있다.

내부에 수소 침투를 막는 코팅을 추가하면 내구성이 향상된다.

③ 누출 감지 기술

사람의 눈으로 확인하기 어려운 미세 누출을 감지하기 위해 수소 감지 센서를 설치한다.

적외선 감지기나 레이저 센서를 이용하면 비접촉식으로도 누출을 조기 발견할 수 있다.

결론

이번 탐구를 통해 수소 에너지 시스템에서 피팅은 매우 중요한 안전 요소임을 알 수 있었다.
피팅 부위의 진동, 압력 변화, 온도 차이, 재료 열화는 모두 누출의 주요 원인으로 작용하며,
이러한 문제를 해결하기 위해서는 정확한 설계, 신소재 개발, 실시간 감지 기술이 함께 발전해야 한다.
수소는 미래 친환경 사회의 핵심 에너지이므로, 안정적인 사용을 위한 기술적 노력이 계속되어야 한다.
앞으로는 실제 실험(예: 진동 환경에서의 피팅 밀폐성 실험)을 통해 누출 방지 효과를 직접 확인해보고 싶다