[논문]모델링 및 시뮬레이션을 통한 수소충전 프로토콜 영향인자 평가

채충근; 강수연; 김한나; 채승빈; 김용규

doi:10.7316/khnes.2019.30.6.513

모델링 및 시뮬레이션을 통한 수소충전 프로토콜 영향인자 평가
Evaluation of Influential Factors of Hydrogen Fueling Protocol by Modeling and Simulation 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.6, 2019년, pp.513 - 522

채충근 ((주)미래기준연구소) , 강수연 ((주)미래기준연구소) , 김한나 ((주)미래기준연구소) , 채승빈 (광운대학교 화학공학과) , 김용규 (아주대학교 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

It is not easy to refuel quickly and safely with 70 MPa hydrogen. This is because the temperature in the vehicle tank rises sharply due to Joule-Thomson effect, etc. Thus protocols such as SAE J2601 in the United States and JPEC-S 0003 in Japan were established. However, they have the problem of over-complexity and lack of versatility by setting the preconditions for hot and cold cases and introducing a number of look-up tables. This study was conducted with the ultimate goal of developing new protocols based on complete real-time communication. Thermodynamic models were made and programs were developed for hydrogen refueling simulations. Simulation results confirmed that there are five parameters in the influencing factors of the hydrogen refueling protocol.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Hydrogen refueling protocol coverage
그림 Fig. 2. Diagram of heat transfer through a refueling line wall
그림 Fig. 3. Finite difference formulation of time dependent problems involves discrete points in time as well as space
그림 Fig. 4. Diagram of heat transfer through a vehicle tank wall
그림 Fig. 5. Hydrogen fueling simulation programming logic
표 Table 1. Assumption for “hot case” and “cold case”
표 Table 2. Comparison between Schneider et al.²⁾ experimental results with this simulation results
그림 Fig. 6. Effect of ambient temperature on gas temperature, pressure, SOC in the vehicle tank and mass flow rate
그림 Fig. 7. Effect of gas delivery temperature on gas temperature, pressure, SOC in the vehicle tank and mass flow rate
그림 Fig. 8. Effect of gas the vehicle tank volume on gas temperature and pressure in the vehicle tank
그림 Fig. 9. Effect of gas the vehicle tank volume on gas SOC in the vehicle tank and mass flow rate
그림 Fig. 10. Effect of the vehicle tank initial pressure on gas temperature and pressure in the vehicle tank
그림 Fig. 11. Effect of a vehicle tank initial pressure on SOC in a vehicle tank and mass flow rate

AI 본문요약
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문제 정의

Hot case와 cold case라는 전제조건도 필요 없게 되고, 수많은 룩업테이블(look-up table)도 필요 없게 된다. 이 연구의 최종 목표는 심플하고 범용성 있는 새로운 충전 프로토콜을 개발하는 것이다. 이를 위하여 이 연구에서는 수소 충전 시뮬레이션을 할 수 있는 독자적인 프로그램을 개발하였다.

제안 방법

수소충전 프로토콜에 영향을 미치는 인자를 대기 온도, 압력상승속도, 자동차용기 용량, 충전가스 공급온도 및 자동차용기 초기 압력 등 5가지로 파악하고, 각 인자의 영향 정도에 대하여 살펴보았다. 연구 결과는 첫째, 외기온도와 충전가스 공급온도의 변화는 자동차용기 내 압력 상한값과 질량유속 상한값에 영향을 거의 미치지 않는 것으로 나타났고, 자동차용기 내 온도에는 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
실험의 기본 조건은 충전압력 70 MPa, 가스공급온도 –40℃, 용기 category 4-7 kg, 용기 종류 Type IV, 충전 전 용기 초기 압력 5 MPa로 하였다. 여러 가지 실험 중 Test 5-2B는 대기온도 0℃, 평균압력상승속도(APRR) 28.5 MPa/min로, Test 5-3A는 대기온도 10℃, 평균 압력상승속도 28 MPa로 진행되었다.
이 연구에서는 시뮬레이션 결과 타당성 비교검증 대상으로 Test 5-2B 및 Test 5-3B를 선택하였다. 실험 결과(test result)와 이 연구 시뮬레이션 결과(this sim.

대상 데이터

이 연구에서 수리모델은 SAE J2601에서 제시하는 열역학적 방법론에 기반하였고, 구체적인 수치해석은 관련 이론서들과 논문들에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 방법론을 따랐다. 입력 데이터의 경우에는 SAE J2601에서 제시하는 최악의 조건(worst case) 중 충전종료 시점에서 자동차용기 내 온도가 가장 높게 올라가는 hot case 해당 데이터를 활용하였다. 적용한 입력변수의 종류는 Table 1과 같다¹⁾ .

이론/모형

수리모델과 논리모델을 만들어 이를 컴퓨터가 계산하도록 하는 것을 프로그래밍 시뮬레이션이라 한다. 이 연구에서 수리모델은 SAE J2601에서 제시하는 열역학적 방법론에 기반하였고, 구체적인 수치해석은 관련 이론서들과 논문들에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 방법론을 따랐다. 입력 데이터의 경우에는 SAE J2601에서 제시하는 최악의 조건(worst case) 중 충전종료 시점에서 자동차용기 내 온도가 가장 높게 올라가는 hot case 해당 데이터를 활용하였다.

성능/효과

연구 결과는 첫째, 외기온도와 충전가스 공급온도의 변화는 자동차용기 내 압력 상한값과 질량유속 상한값에 영향을 거의 미치지 않는 것으로 나타났고, 자동차용기 내 온도에는 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 둘째, 자동차용기의 용량과 자동차용기의 초기압력의 변화는 질량유속 상한값에는 큰 영향을 미치지 않지만, 자동차용기 온도 상한값에는 크게 영향을 미치는 것으로 밝혀졌고, 자동차용기 압력의 상한 값에도 다소 영향을 미치는 것으로 나타났다. 셋째, 4가지 충전조건 변화에서 자동차용기 온도는 중간에 상한 경계를 벗어났다가 다시 복귀되는 경우가 있어 최종 온도만을 관리대상으로 해서는 안 된다는 것이 밝혀졌다.
수소충전 프로토콜에 영향을 미치는 인자를 대기 온도, 압력상승속도, 자동차용기 용량, 충전가스 공급온도 및 자동차용기 초기 압력 등 5가지로 파악하고, 각 인자의 영향 정도에 대하여 살펴보았다. 연구 결과는 첫째, 외기온도와 충전가스 공급온도의 변화는 자동차용기 내 압력 상한값과 질량유속 상한값에 영향을 거의 미치지 않는 것으로 나타났고, 자동차용기 내 온도에는 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 둘째, 자동차용기의 용량과 자동차용기의 초기압력의 변화는 질량유속 상한값에는 큰 영향을 미치지 않지만, 자동차용기 온도 상한값에는 크게 영향을 미치는 것으로 밝혀졌고, 자동차용기 압력의 상한 값에도 다소 영향을 미치는 것으로 나타났다.
셋째, 4가지 충전조건 변화에서 자동차용기 온도는 중간에 상한 경계를 벗어났다가 다시 복귀되는 경우가 있어 최종 온도만을 관리대상으로 해서는 안 된다는 것이 밝혀졌다. 요컨대 수소충전 프로토콜의 영향인자에는 5가지 매개변수가 있다는 것이 재확인되었고, 특히 자동차용기의 안전 확보를 위해 충전 전 과정에서 관리되어야 할 매개변수는 자동차용기의 온도라는 것이 밝혀졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소자동차의 장점은 무엇인가?	수소자동차의 장점은 고효율성, 배출가스 제로(zero), 신재생에너지 활용 가능성에 있다. 그러나 수소자동차의 보급을 늘이기 위해서는 ‘전통적 자동차 대비 경쟁력 확보’라는 전제조건이 충족되어야 한다.
	수소자동차의 보급을 늘리기 위한 전제조건은 무엇인가?	수소자동차의 장점은 고효율성, 배출가스 제로(zero), 신재생에너지 활용 가능성에 있다. 그러나 수소자동차의 보급을 늘이기 위해서는 ‘전통적 자동차 대비 경쟁력 확보’라는 전제조건이 충족되어야 한다. 승용차를 기준으로 할 때 충전 편의 확보를 위하여 3분 내외에 충전이 가능해야 하고, 주행거리 확보를 위해 완충(complete fill)이 가능해야 한다.
	수소충전 프로토콜 적용의 한계는 무엇인가?	그래서 프로토콜은 이 2가지 최악의 조건 범위에 들어가는 수소자동차에만 적용할 수 있다. 충전에 영향을 미치는 다수의 매개변수(대기온도, 압력상승속도, 용기용량, 공급가스온도, 용기잔압 등)별로 수많은 룩업테이블(look-up table) 중 하나를 선택해서 적용해야 한다. 요컨대 SAE J2601과 JPEC-S 0003은 많은 제약조건 때문에 너무 복잡하고 적용범위도 제한적이다.

참고문헌 (25)

Society of Automotive Engineers (SAE), "Fueling protocols for light duty gaseous hydrogen surface vehicles (Standard J2601_201612)", 2016, doi: https://doi.org/10.4271/j2601_201612.
J. Schneider, G. Meadows, S. R. Mathison, M. J. Veenstra, J. H. Shim, R. Immel, M. Wistoft-Ibsen, S. Quong, M. Greisel, T. McGuire, and P. Potzel, "Validation and Sensitivity Studies for SAE J2601, the Light Duty Vehicle Hydrogen Fueling Standard", SAE Int. J. Alt. Power, Vol. 3, No. 2, 2014, doi: https://doi.org/10.4271/2014-01-1990.
E. D. Rothuizen, "Hydrogen Fuelling Stations: A Thermodynamic Analysis of Fuelling Hydrogen Vehicles for Personal Transportation", Ph.D. Dissertation, Technical University of Denmark, Kongens Lyngby Denmark, 2013. Retrieved from https://orbit.dtu.dk/en/publications/hydrogen-fuelling-stations-a-thermodynamic-analysis-offuelling-h.
K. Handa and S. Yamaguchi, "Development of Realtime Pressure Loss Compensation Method for Hydrogen Refueling Station to Increase Refueling Amounts", J. Automatic Engineering, Vol. 9, No. 4, 2018, pp. 310-315, doi: https://doi.org/10.20485/jsaeijae.9.4_310.
S. Yamaguchi, Y. Fujita, and K. Handa, "New Tank Volume Estimation Method for Hydrogen Fueling", Society of Automotive Engineers of Japan, 2018.
Y. A. Cengel and M. A. Boles, "Thermodynamics: An Engineering Approach", 5th ed, McGraw-Hill, USA, 2006, pp. 227-232.
M. Deymi-Dashtebayaz, M. Farzaneh-Gord, and H. R. Rahbari, "Simultaneous thermodynamic simulation of CNG filling process", J. Chemical Technology, Vol. 16, No. 1, 2014, pp. 7-14, doi: https://doi.org/10.2478/pjct-2014-0002.
M. Deymi-Dashtebayaz, M. Farzaneh-Gord, N. Nooralipoor, and H. Niazmand, "The Complete Modelling of the Filling Process of Hydrogen Onboard Vehicle Cylinders", Brizilian J. Chemical Engineering, Vol. 33, No. 2, 2016, pp. 391-399, doi: https://doi.org/10.1590/0104-6632.20160332s20140209.

상세보기
M. Mond and M. Kosaka "Understanding of Thermal Characteristics of Fueling Hydrogen High Pressure Tanks and Governing Parameters", J. Alt. Power, Vol. 2, N. 1, 2013, pp. 61-67, doi: https://doi.org/10.4271/2013-01-0474.

상세보기
J. Xiao, S. Ma, X. Wang, S. Deng, T. Yang, and P. Benard, "Effect of Hydrogen Refueling Parameters on Final State of Charge", J. Energies, Vol. 12, No. 4, 2019, pp. 645, doi: https://doi.org/10.3390/en12040645.

상세보기
M. Farzaneh-Gord, M. Deymi-Dashtebayaz, H. R. Rahbari, and H. Niazmand, "Effects of storage types and conditions on compressed hydrogen fuelling stations performance", J. Hydrogen Energy, Vol. 37, No. 4, 2012, pp. 3500-3509, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.11.017.

상세보기
Y. A. Cengel and A. J. Ghajar, "Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications", 5th ed, McGraw-Hill, USA, 2015, pp. 18, 334-337.
T. Kuroki, N . Sakoda, K. Shinzato, M . Monde, and Y. Takata, "Prediction of transient temperature of hydrogen flowing from pre-cooler of refueling station to inlet of vehicle tank", International J. of Hydrogen Energy, Vol. 43, No. 3, 2018, pp. 1846-1854, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.11.033.

상세보기
P. L. Woodfield, M. Monde, and T. Takano, "Heat Transfer Characteristics for Practical Hydrogen Pressure Vessels Being Filled at High Pressure", J. Thermal Science and Technology, Vol. 3, No. 2, 2008, pp. 241-253, doi: https://doi.org/10.1299/jtst.3.241.

상세보기
M. Monde, P. Woodfield, T. Takano, and M. Kosaka, "Estimation of temperature change in practical hydrogen pressure tanks being filled at high pressures of 35 and 70 MPa", J. Hydrogen Energy, Vol. 37, No. 7, 2012, pp. 5723-5734, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.12.136.

상세보기
M. Heath, P. L. Woodfield, W. Hall, and M. Monde, "An experimental investigation of convection heat transfer during filling of a composite-fibre pressure vessel at low Reynolds number", Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 54. 2014, pp. 151-157, doi: https://doi.org/10.1016/j.expthermflusci.2014.02.001.

상세보기
T. Bourgeois, F. Ammouri, M. Weber, and C Knapik, "Evaluating the temperature inside a tank during a filling with highly-pressurized gas", J. Hydrogen Energy, Vol. 40, No. 35, 2015, pp. 11748-11755, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.01.096.

상세보기
J. Guo, J. Yang, Y. Zhao, X. Pan, L. Zhang, L. Zhao, and J. Zheng, "Investigations on temperature variation within a type III cylinder during the hydrogen gas cycling test", Vol. 13, No. 25, 2014, pp. 13926-13934, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.03.097.

상세보기
P. L. Woodfield, M. Monde, and Y. Mitsutake, "Measurement of Averaged Heat Transfer Coefficients in High-Pressure Vessel during Chagring with Hydrogen Nitrogen or Argon Gas", J. Thermal Science and Technology, Vol. 2, No. 2, 2007, pp. 180-191, doi: https://doi.org/10.1299/jtst.2.180.

상세보기
T. Kuroki, N. Sakoda, K. Shinzato, M. Monde, and Y. Takata, "Dynamic simulation for optimal hydrogen refueling method to Fuel Cell Vehicle tanks", J. Hydrogen Energy, Vol. 43, No. 11, 2018, pp. 5714-5721, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.01.111.

상세보기
D. G. Casey. "Method for Calculating Hydrogen Temperature During Vehicle Fueling", Patent No.: US 7,647,194 B1, 2010. Retrieved from https://patentimages.storage.googleapis.com/9a/0e/15/a4a42fb4da4519/US7647194.pdf.
M. Monde, Y. Mitsutake, P. L. Woodfield, and S. Maruyama, "Characteristics of Heat Transfer and Temperature Rise of Hydrogen during Rapid Hydrogen Filling at High Pressure", J. Heat Transfer-Asian Research, Vol. 36, No. 1, 2007, pp. 13-27, doi: https://doi.org/10.1002/htj.20140.

상세보기
J. Xiao, P. Benard, and R. Chahine, "Charge-discharge cycle thermodynamics for compression hydrogen storage system", J. Hydrogen Energy, Vol. 41, No. 12, 2016, pp. 5531-5539, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.12.136.

상세보기
E. W. Lemmon, M. L. Huber, and J. W. Leachman, "Revised Standardized Equation for Hydrogen Gas Densities for Fuel Consumption Applications", J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol, Vol. 113, No. 6, 2008, pp. 341-350, doi: https://doi.org/10.6028/jres.113.028.

상세보기
H. Chen, J. Zheng, P. Xu, L. Li, Y. Liu, and H. Bie, "Study on real-gas equations of high pressure hydrogen", J. Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 7, 2010, pp. 3100-3104, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.08.029.

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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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