[논문]차량용 복합소재 수소연료탱크의 강도안전성에 관한 연구

김청균; 김도현

doi:10.7842/kigas.2011.15.5.037

[국내논문] 차량용 복합소재 수소연료탱크의 강도안전성에 관한 연구
A Study on the Strength Safety of a Composite Hydrogen Fuel Tank for a Vehicle 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.15 no.5, 2011년, pp.37 - 41

김청균 (홍익대학교 트리보.메카.에너지기술 연구센터) , 김도현 (홍익대학교 트리보.메카.에너지기술 연구센터)

초록
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본 연구에서는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS 기준에 근거하여 수소가스 복합소재 연료탱크에 대한 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 알루미늄 라이너 소재인 6061-T6와 탄소섬유 복합소재인 T800-24K로 적층이 형성되도록 감은 수소가스 복합소재 연료탱크는 130L의 저장용량을 갖으며, 70MPa의 충전압력으로 수소가스가 채워진다. FEM 해석결과에 의하면, 내부탱크를 형성하는 알루미늄 라이너에 작용하는 von Mises 응력 255.2MPa은 알루미늄 소재의 항복응력 대비 95%인 272MPa보다 낮기 때문에 안전하다. 또한, 복합소재 연료탱크에서 후프방향의 탄소섬유 응력비는 3.11이고, 헤리컬방향의 응력비는 3.04인 것으로 나타났다. 이들 응력비 데이터는 탄소섬유 복합소재 연료탱크에서 안전기준으로 권고한 2.4에 비해 높기 때문에 양방향 모두에서 안전하다. 따라서 70MPa의 충전압력을 갖는 130L 저장용량의 복합소재 연료탱크에 대한 강도안전성은 유용한 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the strength safety of a hydrogen gas composite fuel tank, which is analyzed using a FEM based on the criterion of US DOT-CFFC and Korean Standard. A hydrogen gas composite tank in which is fabricated by an aluminum liner of 6061-T6 material and carbon fiber wound composite layers of T800-24K is charged with a filling pressure of 70MPa and a gas storage capacity of 130 liter. The FEM results indicated that von Mises stress, 255.2MPa of an aluminum liner inner tank is low compared with that of 95% yield strength, 272MPa. And a carbon fiber stress ratio of a composite fuel tank is 3.11 in hoop direction and 3.04 in helical direction. These data indicate that a carbon fiber gas tank is safe in comparison to that of a recommended criterion of 2.4 stress ratio. Thus, the proposed composite tank with 130 liter capacity and 70MPa filling pressure is usable in strength safety.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

130L의 저장용량과 70MPa의 충전압력을 갖는 수소가스용 복합소재 연료탱크에 대한 강도안전성을 유한요소법으로 해석하였다. 탄소섬유 복합소재로 감은 연료탱크의 안전성은 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS 기준에 근거하여 평가한 결과를 요약하면 다음과 같다.
이 작업에서 알루미늄 소재는 항복강도를 넘어 소성 영역에 진입할 수 있도록 가공하기 때문에 경화현상에 의해 알루미늄 저장탱크는 높은 강도안전성을 확보하게 된다. 그 이후에는 공급된 천연가스의 최고 압력을 다시 0MPa로 끌어내리고, 충전압력과 시험압력, 최소파열압력으로 상승시켜가면서 복합소재 저장탱크의 응력특성을 고찰하여 강도안전성을 확보한다.
결국은 70MPa의 충전압력을 갖는 수소가스용 복합소재 연료탱크의 개발에 관심을 갖게 되었다. 더욱이 복합소재 연료탱크의 경제성을 확보하기 위해서는 130L의 대용량 저장탱크가 관심의 대상이고, 이 탱크에 대해 강도안전성을 유한요소법으로 해석하고자 한다.
Table 3에서는 복합소재 연료탱크의 내부에 작용하는 수소가스 압력, 즉 자긴작업(autofrettage process)을 처리한 후에 연료탱크에 연료를 공급하는 충전압력, 시험압력, 최소파열압력으로 강도안전성을 고찰하는데 필요한 데이터를 제시하고 있다. 복합소재 연료탱크에 대한 강도안전성 시험평가는 자긴작업의 내압을 무부하인 0MPa에서 시작하여 알루미늄 복합소재의 강도특성에 적합한 최대압력까지 끌어올릴 수 있는 공정작업을 시뮬레이션하는 것이다. 이 작업에서 알루미늄 소재는 항복강도를 넘어 소성 영역에 진입할 수 있도록 가공하기 때문에 경화현상에 의해 알루미늄 저장탱크는 높은 강도안전성을 확보하게 된다.

대상 데이터

Fig. 1은 복합소재 연료탱크에서 내부에는 알루미늄 소재(6061-T6)로 실린더 형상의 얇은 라이너를 압출하여 성형하고, 그 외벽면에는 탄소섬유와 레진을 사용하여 후프방향과 헤리컬방향의 적층으로 번갈아 감아서 강도안전성을 확보한 것이다.
따라서 복합소재 압력용기는 대량생산에 의한 원가절감과 탄소섬유의 가격하락을 기다리는 것밖에 다른 대안이 없다. 본 연구에서는 70MPa의 초고압을 견딜 수 있도록 인장강도가 대단히 우수한 고가의 탄소섬유 T800-24K를 사용하였다. 결국은 70MPa의 충전압력을 갖는 수소가스용 복합소재 연료탱크의 개발에 관심을 갖게 되었다.
수소연료 저장탱크의 강도안전성을 해석하기 위한 유한요소해석 모델은 Fig. 1에서 보여준 130L의 대용량 원통용기이다. 실린더 형상의 몸통 평행부에는 탄소섬유 필라멘트로 감은 후프방향의 직각 적층부와 좌우측의 반원형상 돔부에는 탄소섬유로 감은 헤리컬방향의 경사 적층부로 구성되어 있다.

성능/효과

1) 자긴작업을 처리한 복합소재 연료탱크의 내압이 0MPa일 때 알루미늄 라이너의 von Mises 등가압축응력은 255.2MPa로 알루미늄 라이너의 항복응력 95%를 넘지 않으므로 안전하다.
2) 복합소재 연료탱크에 작용하는 충전압력이 70MPa일 때 알루미늄 라이너의 von Mises 응력은 135.5MPa로 알루미늄 라이너의 항복응력 60%를 넘지 않으므로 안전하다.
3) 탄소섬유에 대한 후프방향의 최소 응력비는 3.11로 강도안전성 평가기준의 최소 응력비 2.4를 초과하므로 안전하고, 헤리컬방향의 최소 응력비는 3.04로 평가기준 2.4를 넘으므로 탄소섬유로 와인딩은 복합 소재 연료탱크는 안전한 것으로 판단된다.
4) 복합소재 연료탱크에 작용하는 모든 내압에 대하여 알루미늄 라이너에 작용하는 인장강도는 라이너 소재의 인장강도 310MPa 이하를 유지하므로 안전하다.
2MPa로 알루미늄 소재의 항복응력인 95%, 즉 272MPa을 넘지 않았기 때문에 안전하다. 두 번째로 복합소재 연료탱크에 작용하는 충전압력이 70MPa일 때 알루미늄 라이너의 von Mises 응력은 135.5MPa로 알루미늄 소재의 항복응력인 60%, 즉 172MPa을 넘지 않았기 때문에 또한 안전하다.
또한, 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS 강도안전성 기준을 만족하는지 여부를 평가한 Fig. 3의 해석 결과에 의하면 모두 안전한 것으로 나타났다. 첫 번째로 자긴작업을 처리한 복합소재 연료탱크의 내압이 0MPa에 도달하였을 때 알루미늄 라이너의 von Mises 응력은 255.
3에서 보여주고 있다. 여기서 수소가스를 공급하였을 때 형성되는 자긴압력, 시험압력, 최소파열압력에 대한 알루미늄 라이너의 von Mises 응력은 알루미늄 소재의 인장강도인 310MPa 이하로 모두 안전한 것으로 나타났다.
4에서는 후프방향으로 감은 탄소섬유에 작용하는 인장응력 해석결과를 제시하고 있다. 즉, 무부하 상태인 0MPa에서는 가장 낮은 50MPa, 충전압력 70MPa에서는 560MPa로 각각 예측되었고, 복합소재 알루미늄 라이너에 작용하는 수소가스내압이 증가할수록 높은 인장응력을 나타내고 있다.
5는 헤리컬방향으로 감은 탄소섬유에 작용하는 인장강도 해석결과로 무부하인 0MPa에서는 가장 낮은 105MPa, 충전압력 70MPa에서는 460MPa로 각각 계산되었다. 탄소섬유 복합소재에 대한 강도안전성 해석결과에 의하면, 충전압력 70MPa에서 최소파열압력 210MPa에 이르는 내압구간에서는 후프방향으로 감은 탄소섬유에 작용하는 인장응력이 헤리컬방향으로 감은 탄소섬유에 작용하는 인장응력에 비해 높게 나타났다. 이것은 후프방향으로 감은 탄소섬유의 하중비중이 높고, 헤리컬방향으로 감은 탄소섬유의 하중비중은 상대적으로 낮다는 것을 의미한다.

후속연구

본 연구에서 관심을 갖고 있는 수소가스 연료탱크는 70MPa의 초고압으로 충전하여 장거리를 운행할 수 있도록 저장용량을 확보하는 것이 중요하기 때문에 가벼우면서 강도안전성을 확보할 수 있도록 고가의 탄소섬유로 제조한 원통형상의 복합소재 압력탱크로 제조하는 것이 대안이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LPG나 CNG 연료를 사용하는 차량이 가장 현실적인 친환경 차량이라 평가받는 이유는 무엇인가?	가스차량은 액체연료를 사용하는 가솔린이나 디젤차량에 비해 연료의 저장과 공급 측면에서 안전성이 떨어지고, 연료탱크의 저장용량과 연결된 주행거리는 상대적으로 짧기 때문에 경쟁력이 떨어진다. 그렇지만, LPG나 CNG 연료를 사용하는 차량은 친환경적 저공해성이 우수하고, 수소연료를 사용하는 차량은 무공해성을 강조하기 때문에 연료를 태워서 동력원을 획득하는 엔진에서 평가하면 가장 현실적인 차량이라 할 수 있다[1].
	수소가스용 복합소재 연료탱크에 대한 강도안전성을 분석한 결과는?	1) 자긴작업을 처리한 복합소재 연료탱크의 내압이 0MPa일 때 알루미늄 라이너의 von Mises 등가압축응력은 255.2MPa로 알루미늄 라이너의 항복응력 95%를 넘지 않으므로 안전하다. 2) 복합소재 연료탱크에 작용하는 충전압력이 70MPa일 때 알루미늄 라이너의 von Mises 응력은 135.5MPa로 알루미늄 라이너의 항복응력 60%를 넘지 않으므로 안전하다. 3) 탄소섬유에 대한 후프방향의 최소 응력비는 3.11로 강도안전성 평가기준의 최소 응력비 2.4를 초과하므로 안전하고, 헤리컬방향의 최소 응력비는 3.04로 평가기준 2.4를 넘으므로 탄소섬유로 와인딩은 복합 소재 연료탱크는 안전한 것으로 판단된다. 4) 복합소재 연료탱크에 작용하는 모든 내압에 대하여 알루미늄 라이너에 작용하는 인장강도는 라이너 소재의 인장강도 310MPa 이하를 유지하므로 안전하다.
	가스차량이 액체연료 사용하는 차량보다 경쟁력이 떨어지는 이유는 무엇인가?	가스차량은 액체연료를 사용하는 가솔린이나 디젤차량에 비해 연료의 저장과 공급 측면에서 안전성이 떨어지고, 연료탱크의 저장용량과 연결된 주행거리는 상대적으로 짧기 때문에 경쟁력이 떨어진다. 그렇지만, LPG나 CNG 연료를 사용하는 차량은 친환경적 저공해성이 우수하고, 수소연료를 사용하는 차량은 무공해성을 강조하기 때문에 연료를 태워서 동력원을 획득하는 엔진에서 평가하면 가장 현실적인 차량이라 할 수 있다[1].

참고문헌 (7)

김청균, 자동차엔진공학, 복두출판사 (2004)
공철원, 윤종훈, 이용무, "알루미늄 라이너를 이 용한 KSR-III 복합재 탱크 개발", 한국항공우주 학회 학술발표회 논문집, pp.318-321 (2002)
황태경, 박재범 외 2인, "필라멘트 와인딩 복합 재 압력용기의 구조 수명 평가", 한국복합재료 학회지, Vol. 21, No. 6, pp.23-30 (2008)
이경인, "행당동 CNG 버스사고 '용기결함'에 무 게", 한국가스신문 (2010년 8월 10일)
MARC, MARC User's Manual Ver. 7.3, MARC Analysis Research Corp., California, USA (1999)
US DOT-CFFC Basic Requirements (2007)
KS B ISO 11119-2 (2008)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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