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문제 정의
- 본 연구에서는 연료전지자동차의 초경량 복합 재료 수소 탱크에 대한 수소 충전 특성을 파악하고, 충전 조건에 따른 수소 탱크의 안전성을 확인하기 위해 라이너와 복합재료 층 사이에 온도 센서(thermocouple, TC)가 삽입된 초경량 복합재료 수소 탱크(Type 4)를 제작하여 수소 충전 시, 수소 탱크 내부의 가스 온도 및 압력 변화, 라이너 및 복합재료 층의 온도 변화 등을 측정하고 그 특성을 고찰하였다. 또한 Type 3 탱크에 대해 동일한 조건의 시험을 수행하여 Type 4 탱크와 그 특성을 비교하였다.
- 본 연구에서는 연료전지자동차의 초경량 복합 재료 수소 탱크에 대한 수소 충전 특성을 파악하고, 충전 조건에 따른 수소 탱크의 안전성을 확인하기 위해 플라스틱 라이너를 사용하는 Type 4 수소 탱크와 알루미늄 라이너를 사용하는 Type 3 수소 탱크에 대해 수소 충전 시, 수소 탱크 내부의 가스 온도 및 압력 변화, 라이너 및 복합재료 층의 온도 변화 등을 측정하여 그 특성을 고찰하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 54 MPa/min이다. 0 MPa에서 35 MPa 까지 충전되는 동안 각 위치에서의 온도변화를 측정하였고, 이때 온도 측정 위치는 Fig. 3의 (a)에 도시한 것과 같다.
- 1 MPa/min이다. 0 MPa에서 35 MPa까지 충전되는 동안 탱크 내부와 탱크 상부 표면에서의 온도변화를 측정하였다.
- 또한 수소 충전 시 수소 탱크 내부의 가스 온도 변화를 확인하기 위하여 탱크 내부에 6개의 온도 센서를 삽입하여 가스의 온도를 직접 측정하였다. T-type 온도센서로 원하는 위치의 온도를 측정할 수 있도록 알루미늄으로 플러그를 가공하고 플러그에 온도센서를 장착하기위한 지지대를 제작하여 부착하였다. 지지대의 중앙은 온도센서의 무게를 지지할 수 있도록 스틸로 제작하였고, 곁가지는 온도센서장치가 탱크 내부에 삽입될 때 구부러졌다가 다시 복원이 될 수 있도록 나일론으로 제작하였다.
- 본 연구에서는 연료전지자동차의 초경량 복합 재료 수소 탱크에 대한 수소 충전 특성을 파악하고, 충전 조건에 따른 수소 탱크의 안전성을 확인하기 위해 라이너와 복합재료 층 사이에 온도 센서(thermocouple, TC)가 삽입된 초경량 복합재료 수소 탱크(Type 4)를 제작하여 수소 충전 시, 수소 탱크 내부의 가스 온도 및 압력 변화, 라이너 및 복합재료 층의 온도 변화 등을 측정하고 그 특성을 고찰하였다. 또한 Type 3 탱크에 대해 동일한 조건의 시험을 수행하여 Type 4 탱크와 그 특성을 비교하였다.
- 또한 수소 충전 시 수소 탱크 내부의 가스 온도 변화를 확인하기 위하여 탱크 내부에 6개의 온도 센서를 삽입하여 가스의 온도를 직접 측정하였다. T-type 온도센서로 원하는 위치의 온도를 측정할 수 있도록 알루미늄으로 플러그를 가공하고 플러그에 온도센서를 장착하기위한 지지대를 제작하여 부착하였다.
- 유사시 고압의 수소기체를 안전하게 방출할 수 있고, 수소 충전 후 수소 기체를 배출시킬 수 있도록 밸브의 배기구(vent port)에 튜브를 연결하고 볼 밸브(ball valve)를 장착하여 유체의 흐름을 신속히 통제할 수 있도록 하였다. 또한, 수소 충전을 위해 리셉터클(receptacle)을 충전구(inlet port)에 장착하였고, 충전시 압력 측정을 위해 압력센서를 장착하였다. 시험에는 국내 K사의 Type 4 수소 탱크 (HT350-072, 72l)와 해외 D사의 Type 3 수소 탱크(V074, 74l)를 사용하였다.
- 수소 충전 시, 그리고 충전 완료후의 Type 4 수 소 탱크 표면의 온도변화를 측정하기 위하여 자외선 열화상 카메라로 수소 충전 시와 충전 완료 후의 온도분포를 확인하였다. 자외선 열화상카메 라는 NEC사의 PHP100(TWV) 모델을 사용하였다.
- 수소 충전시간 변화에 따른 온도 변화를 알아보기 위해 Type 4 수소 탱크에 충전시간이 200초, 430초인 두 가지 경우에 대해 0 MPa에서 37 MPa 까지 가압하여 시험을 수행하였고, 그 결과를 Fig. 5에 도시하였다. 이때 주위온도는 30 ℃였다.
- 수소가스를 수소 탱크에 충전하기 전에 질소가스를 이용하여 탱크 내부의 산소를 퍼지(purge) 시키고, 충전시간, 충전시 주변온도, 충전시 초기 압력에 따른 충전특성을 알아보기 위하여 Table 1과 같은 조건으로 충전시험을 수행하였다.
- 시험 탱크의 수소 공급 측 밸브는 PRD (Pressure Relief Device)와 온도센서가 내장되어 있는 Solenoid Valve(GFI사)를 사용하였다. 유사시 고압의 수소기체를 안전하게 방출할 수 있고, 수소 충전 후 수소 기체를 배출시킬 수 있도록 밸브의 배기구(vent port)에 튜브를 연결하고 볼 밸브(ball valve)를 장착하여 유체의 흐름을 신속히 통제할 수 있도록 하였다. 또한, 수소 충전을 위해 리셉터클(receptacle)을 충전구(inlet port)에 장착하였고, 충전시 압력 측정을 위해 압력센서를 장착하였다.
- T-type 온도센서로 원하는 위치의 온도를 측정할 수 있도록 알루미늄으로 플러그를 가공하고 플러그에 온도센서를 장착하기위한 지지대를 제작하여 부착하였다. 지지대의 중앙은 온도센서의 무게를 지지할 수 있도록 스틸로 제작하였고, 곁가지는 온도센서장치가 탱크 내부에 삽입될 때 구부러졌다가 다시 복원이 될 수 있도록 나일론으로 제작하였다. 수소 탱크 내부의 온도센서는 플러그에 장착된 Feedthrough(HD18, Conax Tech.
- 초경량 복합재료 수소 탱크(Type 3, Type 4)의 일반적인 수소충전 특성을 알아보기 위해 상온에서 35 MPa까지 충전되는데 소요되는 시간과 수소 충전 시 압력변화에 따른 탱크 내부 가스의 온도 변화를 측정하였다.
- 초경량 복합재료 수소 탱크에 수소가스를 충전하기 위하여 수소 탱크 지지대를 제작하였다. 충전시험 시 발생하는 탱크 내외부의 온도는 NI사의 Labview DAQ 장비(SCXI1001)를 사용하여 데이터를 저장하였고, 충전시 발생하는 표면온도 변화를 열화상 카메라를 이용하여 확인하였다.
- 초경량 복합재료 수소 탱크에 수소가스를 충전하기 위하여 수소 탱크 지지대를 제작하였다. 충전시험 시 발생하는 탱크 내외부의 온도는 NI사의 Labview DAQ 장비(SCXI1001)를 사용하여 데이터를 저장하였고, 충전시 발생하는 표면온도 변화를 열화상 카메라를 이용하여 확인하였다. 충전시험은 대전 SK 기술원의 수소 충전소와 현대자동차 환경기술연구소의 수소 충전소를 이용 하여 수행하였다.
대상 데이터
- 수소 탱크의 수소 충전 시 라이너 표면의 온도를 측정하기 위하여 라이너 표면에 소선두께가 0.51 mm(24 AWG)인 T-type 열전대를 부착하고 탄소섬유/에폭시 복합재료를 필라멘트 와인딩으로 보강하여 플라스틱 라이너와 복합재료 층 사이에 온도센서가 삽입된 Type 4 수소 탱크를 제작하였다.
- 시험 탱크의 수소 공급 측 밸브는 PRD (Pressure Relief Device)와 온도센서가 내장되어 있는 Solenoid Valve(GFI사)를 사용하였다. 유사시 고압의 수소기체를 안전하게 방출할 수 있고, 수소 충전 후 수소 기체를 배출시킬 수 있도록 밸브의 배기구(vent port)에 튜브를 연결하고 볼 밸브(ball valve)를 장착하여 유체의 흐름을 신속히 통제할 수 있도록 하였다.
- 또한, 수소 충전을 위해 리셉터클(receptacle)을 충전구(inlet port)에 장착하였고, 충전시 압력 측정을 위해 압력센서를 장착하였다. 시험에는 국내 K사의 Type 4 수소 탱크 (HT350-072, 72l)와 해외 D사의 Type 3 수소 탱크(V074, 74l)를 사용하였다.
- 수소 충전 시, 그리고 충전 완료후의 Type 4 수 소 탱크 표면의 온도변화를 측정하기 위하여 자외선 열화상 카메라로 수소 충전 시와 충전 완료 후의 온도분포를 확인하였다. 자외선 열화상카메 라는 NEC사의 PHP100(TWV) 모델을 사용하였다. 시험시 주위 온도는 17 ℃였고, 225초의 충전 시간으로 35 MPa까지 충전하였다.
- 충전시험 시 발생하는 탱크 내외부의 온도는 NI사의 Labview DAQ 장비(SCXI1001)를 사용하여 데이터를 저장하였고, 충전시 발생하는 표면온도 변화를 열화상 카메라를 이용하여 확인하였다. 충전시험은 대전 SK 기술원의 수소 충전소와 현대자동차 환경기술연구소의 수소 충전소를 이용 하여 수행하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 내용적이 72ℓ인 수소 탱크에서 주위온도, 충전속도, 충전압력이 동일할 경우 충전시 발생한 압축열의 열방출 속도는 Type 3 수소 탱크가 Type 4 수소 탱크보다 최대 1.5배 빠르다.
- (2) 내용적이 72ℓ인 수소 탱크에서 충전속도에 따른 탱크 내부 가스의 온도 상승량은 Type 3 수 소 탱크보다 Type 4 수소 탱크가 20 ℃정도 높고, 충전속도가 빠를수록 증가한다.
- 이로 인해 실제 저장용량 보다 적은 양의 수소가 저장될 수 있다.(2,3) 연료전지자동차에는 수소 충전시, 수소충전소와 연료전지자동차 수소 탱크 사이의 통신을 통해 가스온도 및 압력을 실시간으로 모니터링하여 보다 안전하게 수소를 충전할 수 있는 시스템이 구축되어 있어 이를 활용함으로써 수소 충전 효율을 향상시킬 수 있다.
- (3) 내용적이 72ℓ인 Type 4 수소 탱크에서 수소 충전시 순간적인 가스 온도 상승량은 크지만 수소 가스의 압축열에 의한 라이너 표면의 온도 상승량은 상대적으로 작고, 가스 온도 상승량의 42 % 이하 이다.
- (4) 수소 충전시 수소 가스의 온도를 85 ℃로 제한할 경우 내용적이 72ℓ인 Type 4 수소 탱크 의 충전속도는 초기온도가 15 ℃일 때, 7.69 MPa/min 이하이어야 한다.
- 탱크의 내부 온도는 충전하는 동안은 크게 차이를 보이지 않으나 충전이 끝난 직후부터 탱크 내 부의 아래 쪽 측점인 T3와 T6의 온도가 위쪽(T1, T2, T4, T5)의 온도보다 5 ~ 7 ℃정도의 차이 를 보임으로써 2분 이내의 빠른 속도로 성층화 현상이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 용기 표면의 온도 또한 10 ℃정도의 차이를 보이는 것으로 판단할 수 있다.
후속연구
- 5 Kg H2/min)을 만족시키기 위해서는 보다 효율적인 수소 충전기술이 필요하며 이를 위해 수소 충전 특성에 대한 연구가 필요하다. 또한, 연료전지자동차용 수소 탱크에 관한 국제 규격 (ISO/TS 15869:2009)(4)에서 수소 탱크 재료에 대한 사용 온도 범위를 -40 ℃에서 85 ℃로 제한하고 있기 때문에 수소 충전시 탱크 내부의 발열 특성 분석을 통해 충전 조건에 따른 탱크의 안전성에 대한 연구가 필요하다.
- 미국 에너지부(DOE)의 2015년 수소저장기술 목표치인 수소 저장효율(5.5 wt%)과 수소 충전시간(1.5 Kg H2/min)을 만족시키기 위해서는 보다 효율적인 수소 충전기술이 필요하며 이를 위해 수소 충전 특성에 대한 연구가 필요하다. 또한, 연료전지자동차용 수소 탱크에 관한 국제 규격 (ISO/TS 15869:2009)(4)에서 수소 탱크 재료에 대한 사용 온도 범위를 -40 ℃에서 85 ℃로 제한하고 있기 때문에 수소 충전시 탱크 내부의 발열 특성 분석을 통해 충전 조건에 따른 탱크의 안전성에 대한 연구가 필요하다.
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