[논문]수소연료 저장탱크용 알루미늄 라이너의 강도안전성에 관한 연구

김청균; 김도현

doi:10.7842/kigas.2012.16.3.016

수소연료 저장탱크용 알루미늄 라이너의 강도안전성에 관한 연구
A Study on the Strength Safety of an Aluminium Liner for a Hydrogen Fuel Storage Tank 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.16 no.3, 2012년, pp.16 - 21

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

초록
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본 연구에서는 70MPa의 충전압력을 갖는 110L 수소연료 저장탱크에 대한 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 6061-T6 알루미늄 라이너의 외벽면에는 Toray의 T800-24K와 T700-12K, 그리고 Mitsubishi Ray의 MR60H-24P 탄소섬유를 사용하여 와인딩한 복합소재 연료탱크의 강도안전성을 미국의 DOT-CFFC와 KS의 안전규격으로 고찰하였다. 70MPa용 수소가스탱크의 응력강도에 대한 FEM 해석결과에 의하면, 거의 유사한 소재특성을 갖는 Toray의 T800-24K와 Mitsubishi Ray의 MR60H-24P는 70MPa의 수소연료 저장탱크를 제조하는데 사용해도 안전한 것으로 나타났다. 반면에, Toray의 T700-12K는 70MPa의 충전압력을 갖는 복합소재 저장탱크를 제조하기에는 강도안전성을 보장할 수 없으므로 60MPa 이하의 수소연료 복합소재탱크 제조를 권장한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the strength safety for 110 liter hydrogen fuel storage tank with 70MPa filling pressure has been analyzed using a FEM technique. The strength safety of a composite fuel tank in which is fabricated by an aluminum liner of 6061-T6 and carbon fiber wound composite layers of T800-24K and T700-12K of Toray, and MR60H-24P of Mitsubishi Ray has been investigated based on the criterion of a strength safety of US DOT-CFFC and Korean Standard. The FEM computed results on the strength safety of 70MPa hydrogen gas tank showed that the hydrogen fuel storage tank in which is fabricated by T800-24K and T700-12K of Toray, and MR60H-24P of Mitsubishi Ray is safe because those two carbon fibers have very similar material properties. But, the composite storage tank with a filling pressure of 70MPa in which is fabricated by T700-12K of Toray may not guaranty the strength safety, and thus this study recommends a composite hydrogen fuel tank under 60MPa.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 수소가스 저장탱크의 용량이 110L이고, 충전압력이 70MP인 복합소재 수소가스 연료탱크에 작용하는 고압가스 연료탱크에 대한 강도안전성을 FEM으로 해석하고, 그 결과를 미국의 DOT-CFFC[4]와 한국의 KS 안전기준[5]으로 평가하여 그 유용성을 고찰하고자 한다.

가설 설정

FEM 강도안전성 해석에서 연료탱크에 저장된 수소가스는 균일하게 작용한다고 가정하여 반경방향에 대한 전단응력의 변형은 없는 것으로 간주할 수 있으므로 Fig. 1의 해석모델은 원주방향을 따라서 인장 또는 압축 거동만을 나타낸다.

제안 방법

Fig. 1에서 보여준 FEM 해석모델에서는 초고압으로 충전된 수소연료가 외부로 누출되지 않도록 수소연료 저장탱크의 최내측 구조물로 변형거동 안전성이 우수한 알루미늄 라이너를 원통형상으로 성형하고, 그 외곽표면에는 저장탱크에 작용하는 초고압의 가스압력에도 강도안전성을 충분히 확보할 수 있도록 탄소섬유로 와인딩한 복합소재 용기로 제조하였다.
수소가스 저장탱크의 강도안전성을 해석하기 위해 사용한 FEM 해석모델은 중심축을 기준으로 대칭형상을 가진 MARC[6]의 4절점 축대칭 솔리드 요소를 사용하였다. Fig. 1에서 보여준 해석모델에 가해지는 가스내압조건은 대칭을 형성하고 있으므로 전체 복합소재 연료탱크의 1/4만을 고려한 축소모델로 강도안전성을 해석하였다.
또한, 수소연료 저장탱크의 복합소재로 사용한 탄소섬유는 일본의 Toray사에서 생산한 T800-24K와 T700-12K, 그리고 Mitsubishi사에서 생산한 MR60H-24P의 세 가지가 있고, 이들 소재를 사용하여 Fig. 1에서 제시한 FEM 해석모델의 강도안전성을 상대적으로 비교하였다.
복합소재 연료탱크에서 Al 라이너의 강도안전성을 확보하기 위해서는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS 규격에서 언급한 “자긴작업을 처리한 알루미늄 라이너의 항복강도를 95% 이하로 유지”해야 한다는 조건을 만족하는 탄소섬유 T800-12K, MR60H-24K, T700-12K의 3가지를 사용하여 상대적으로 평가하였다.
본 연구에서 사용한 수소연료 저장탱크의 저장용량은 110L이고, 충전압력은 70MPa로 알루미늄 라이너에 걸리는 강도안전성을 Toray의 T800-24K와 Mitsubishi Rayon의 MR60H-24P, Taray의 T700-12K를 갖고 상대적으로 비교·고찰하였다.
충전압력 70MPa과 저장용량 110L을 갖는 수소연료 자동차용 복합소재 저장탱크에서 알루미늄 라이너의 강도안전성을 FEM으로 해석하였다. 복합소재 연료탱크에서 Al 라이너의 강도안전성을 확보하기 위해서는 미국의 DOT-CFFC와 한국의 KS 규격에서 언급한 “자긴작업을 처리한 알루미늄 라이너의 항복강도를 95% 이하로 유지”해야 한다는 조건을 만족하는 탄소섬유 T800-12K, MR60H-24K, T700-12K의 3가지를 사용하여 상대적으로 평가하였다.

대상 데이터

110L의 저장용량을 갖는 복합소재 연료탱크가 70MPa의 수소가스를 안전하게 저장하고, 가스누출을 완벽하게 차단할 수 있도록 고강도 알루미늄인 6061-T3을 사용한다. Table 1은 라이너로 사용한 Al 6061-T6 소재의 기계적 특성을 제시하고 있다.
수소가스 저장탱크의 강도안전성을 해석하기 위해 사용한 FEM 해석모델은 중심축을 기준으로 대칭형상을 가진 MARC[6]의 4절점 축대칭 솔리드 요소를 사용하였다. Fig.

성능/효과

Fig. 6(a)에서 보여준 것처럼, 후프방향으로 와인딩한 탄소섬유 적층부근에서는 균일한 응력을 나타나지만, 저장탱크의 평행부에서 돔부로 연결되는 부근에서 응력이 크게 상승함을 알 수 있다. 그러다가 돔부를 지나 축 중심부의 플랜지로 연결되는 부근에서 응력이 급격하게 떨어지는 패턴은 Figs.
FEM 해석결과에 의하면 유사한 물리적 특성을 보유한 Toray의 탄소섬유 T800-12K와 Mitsubishi Rayon의 MR60H-24P는 70MPa의 충전압력을 갖는 복합소재 저장탱크를 제조해도 거의 같은 강도안전성을 확보하고 있어 문제가 없는 것으로 예측되었다. 그러나, Toray의 탄소섬유소재 T700-12K를 사용하여 70MPa의 저장탱크를 제조하기에는 불안정하므로 60MPa 이하의 수소가스 저장탱크를 설계하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
Fig. 6의 강도안전성 해석결과에 의하면, 수소연료 저장탱크의 평행부에서 나타난 von Mises 응력은 250MPa로 항복강도의 95%인 272MPa보다 충분히 낮아 안전하지만, 탄소섬유소재 T800-24K를 사용한 경우의 235MPa보다는 6.5%나 더 높아 강도안전성 측면에서 약간 불안정한 것으로 나타났다. 또한, 저장탱크의 평행부가 끝나는 지역에서 관찰한 von Mises 응력의 최대값은 312MPa로 T800-24K의 310MPa에 비해 높게 나타났다.
일본의 두 업체에서 제공한 탄소섬유의 물성치는 Table 2와 같지만, 이들 데이터의 정확도는 실험환경과 실험방식에 따라 약간씩 달라진다. Table 2에서 제시한 데이터만을 기준으로 판단하면 강도에서는 Toray 제품이 우수하고, 강성에서는 Mitsubishi 제품이 우수함을 알 수 있다. 그렇지만, 이들 물성치는 알루미늄 라이너의 외측벽면에 어떤 각도로 와인딩하고, 어느 정도의 두께를 선정하느냐에 따라 강도가 달라지기 때문에 물성치만으로 복합소재 수소탱크의 강도안전성을 논하기는 어렵다.
② 복합소재 압력용기에 자긴공정을 거친 후 충전압력을 작용할 때, 알루미늄 라이너의 벽면에 걸리는 인장응력은 알루미늄 소재의 항복응력 대비 60%(172MPa)를 초과해서는 안 된다.
7에서 제시하고 있다. 강도안전성을 해석한 Fig. 7의 FEM 결과에 의하면, 탄소섬유소재 T800-12K와 MR60H-24K는 70MPa의 수소가스 내압이 작용할 때 280MPa의 von Mises 응력이 걸리지만, T700-12K는 60MPa의 내압이 작용해야 280MPa의 von Mises 응력이 걸리는 것으로 나타났다. 이것은 탄소섬유 T800-12K와 MR60H-24K의 von Mises 응력은 T700-12K에 비해 16.
따라서 수소연료 저장탱크를 와인딩한 탄소섬유 소재는 T800-24K 또는 MR60H-24P 어느 것을 사용해도 70MPa의 충전압력을 갖는 수소탱크를 제조해도 안전한 것으로 나타났다.
5%나 더 높아 강도안전성 측면에서 약간 불안정한 것으로 나타났다. 또한, 저장탱크의 평행부가 끝나는 지역에서 관찰한 von Mises 응력의 최대값은 312MPa로 T800-24K의 310MPa에 비해 높게 나타났다. 이 결과는 소재특성을 감안할 때 70MPa의 복합소재 저장탱크에 사용하기에는 상대적으로 불안정하다 할 수 있다.
7%나 더 높은 강도안전성을 갖는다. 이들 3가지 탄소섬유소재의 응력거동 패턴이 거의 같은 것으로 보아 탄소섬유 제품의 내구성은 모두 안정된 것으로 판단된다.

후속연구

또한, 탄소섬유 T800-12K의 응력이 MR60H-24K 보다는 3~6MPa 낮게 예측되어 강도안전성 측면에서 약간 앞서지만, 이들 두 소재를 사용하여 저장탱크를 제조해도 안전성에는 문제가 없고, 70MPa의 수소연료 저장탱크 제조에 사용해도 안전할 것으로 사료된다. 반면에 T700-12K를 사용하여 수소연료 저장탱크를 제조할 경우는 60MPa 정도를 넘지 않는 범위에서 설계하는 것이 안전함을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄소연료와 비교했을 때 친환경 연료로 개발된 수소의 저위발열량은?	차세대 자동차용 친환경 연료로 개발된 수소(H2)는 연소과정에서 발생하는 저위발열량은 57,750kcal로 탄소연료의 97,200kcal에 비해 40%나 떨어지는 발열량[1]을 갖는다. 수소연료는 지구온난화의 주범으로 알려진 이산화탄소 배출이 전혀 없기 때문에 가장 유망한 연료로 부각되어 상용화 연구를 적극 추진하고 있다.
	자동차의 긴 주행거리와 경제성을 확보하기 위해서는 어떤 수소연료 저장탱크를 개발하는 것이 중요한가?	또한, 자동차의 긴 주행거리와 경제성을 확보하기 위해서는 수소가스의 충전압력을 70MPa이상으로 높이고, 저장용량을 100L 이상으로 높여서 한 번의 충전으로 500km 정도를 주행할 수 있는 수소연료 저장탱크를 개발하는 것이 수소연료 자동차의 핵심기술이다.
	수소연료 저장탱크의 알루미늄 라이너에 대한 자긴작업을 하는 이유는?	수소연료 저장탱크의 알루미늄 라이너에 공급된 수소가스 충전내압은 70MPa로 알루미늄 소재만으로는 감당하기가 어렵기 때문에 외측표면에 탄소섬유를 후프방향과 헤리컬방향으로 서로 엇갈리게 와인딩하고, 연료탱크의 경량화와 강도안전성을 충분히 확보할 수 있도록 자긴작업을 한다.

참고문헌 (6)

김청균, "자동차엔진공학", 복두출판사, pp.118 (2004)
Fukunaga, H., and Chou, T. W., "Simplified Design Techniques for Laminated Cylindrical Pressure Vessels under Stiffness and Strength Constraints," J. of Composite Materials, Vol. 22, pp.1156-1169 (1998)
황태경, 박재범 외 2인, "필라멘트 와인딩 복합재 압력용기의 구조 수명 평가", 한국복합재료학회지, Vol. 21, No. 6, pp.23-30 (2008)
US DOT-CFFC Basic Requirements (2007)
KS B ISO 11119-2 (2008)
MARC, MARC User's Manual Ver. 7.3, MARC Analysis Research Corp., California, USA (1999)

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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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