[논문]수소충전용 직접 및 간접 냉각시스템 비교 평가 연구

이현찬; 이종열; 배찬효; 허정호; 전재영

doi:10.7316/khnes.2019.30.2.163

[국내논문] 수소충전용 직접 및 간접 냉각시스템 비교 평가 연구
The Study of Comparison of Cooling System for H2 Discharge Station 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.2, 2019년, pp.163 - 169

이현찬 (한국가스공사 가스연구원) , 이종열 (한국가스공사 가스연구원) , 배찬효 (동화엔텍) , 허정호 (동화엔텍) , 전재영 (동화엔텍)

Abstract ▼ AI-Helper

This study is a research to compare efficiency of new cooling system (chiller, pre-cooler) to that of the conventional system at the hydrogen refueling station (HRS). This study includes contents for thermodynamic comparison of cooling system for HRS and comparison of pros and cons of its components. So It is to establish design concept of cooling system of HRS supplying with fuel cell electric vehicle (FCEV). HRS is charging high pressure H2 (700 bar) to FCEV. However cooling system is need to prevent temperature rise in tank. This cooling system consists of pre-cooler and chiller system.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Chiller system
그림 Fig. 2. (a) One-stage compression and on-stage expansion refrigeration cycle, (b) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration cycle, (c) two-stage compression and two-stage expansion refrigeration cycle
표 Table 1. R507 physical properties
그림 Fig. 3. Manufacturing process of printed circuit heat exchanger
그림 Fig. 4. Surface after diffusion bonding and PCHE
표 Table 2. Heat exchanger type
표 Table 3. Direct cooling and indirect cooling system
그림 Fig. 6. Indirect chiller system: 10 FCEV charging/1 hour
그림 Fig. 5. Indirect chiller system: Aspen Hysys modeling
그림 Fig. 7. Indirect chiller system: 2 FCEV charging/1 hour
그림 Fig. 8. Direct chiller system: Aspen Hysys modeling
그림 Fig. 9. Direct chiller system: 10 FCEV charging/1 hour
표 Table 4. Power of direct/indirect cooling system
그림 Fig. 10. Direct chiller system: 2 FCEV charging/1 hour
그림 Fig. 11. Pre-cooler heat transfer coefficient of indirect cooling system
그림 Fig. 12. Pre-cooler heat transfer coefficient of direct cooling system
표 Table 5. CAPEX and OPEX of Direct/indirect cooling system
표 Table 6. Design process condition
표 Table 7. Pre-cooler size of direct/indirect cooling system

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 수소충전소에 사용되는 신형 수소충전소의 수소냉각 패키지의 시스템 비교를 위하여 수행되었으며, 수소 냉각에 필요한 냉동기(chiller system)를 열역학적 비교와 구성품을 비교하여 장단점을 구분하고, 앞으로 수소차량 보급와 함께 구축해야할 수소충전소의 수소냉각 패키지의 설계 개념을 정립하고자 한다. 수소충전소는 고압의 tank에 저장되어 있는 수소를 차량에 주입하기 위한 설비로서, 수소를 차량에 주입 전 수소의 온도를 냉각시킴으로서 체적이 줄어들고, 고속 충전이 가능하게 한다.

이론/모형

Aspen HYSYS 시뮬레이션 프로그램을 통하여 간접과 직접냉각방식을 모델링하고⁴⁾ 차량충전 시나리오¹⁾를 통하여 소요동력을 비교 간접방식에서는 냉매 compressor, 브라인 pump의 소요동력이 적산되었고, 직접방식에서는 냉매 compressor의 소요동력만 적산되었다. Dynamic 시뮬레이션을 통하여 간접방식에서는 차량충전 시나리오와는 별개로 brine tank의 온도를 일정하게 저온 유지시키기 위하여 주기적으로 compressor가 작동되는 것으로 확인되었으며 직접방식에서는 차량충전시만 compressor가 운전되는 것으로 나타났다(Table 4).

성능/효과

1) 이번 연구를 통하여 냉매를 통한 직접방식이 브라인에 의한 간접방식에 비하여 더 효율적임을 알 수 있었다. 특히 직접방식은 냉매의 증발 잠열을 활용할 수 있는 장점도 있다.
2) Chiller 시스템을 구성하는 compressor는 일반적으로 start 후 정상가동에 필요한 시간이 필요하고 수소충전소에서 차량이 진입하여 5분 내외로 충전을 완료해야 하므로 단시간 내에 pre-cooler에 저온측 열원을 공급하는 것이 필요하다. 이러한 측면에서는 간접방식이 직접방식에 비하여 다소 효율적일 수 있으나, 항상 저온열을 브라인을 통하여 유지해야 하는 측면에서는 외부로의 열유출을 포함하여 compressor의 상시 가동을 의미한다.
그래서 PCHE type 열교환기 체적도 14% 정도 감소하였고, 간접방식에 사용되는 브라인공급설비 등이 필요 없으므로 수소충전용 냉각설비 설치비용이 줄어들게 되었다. 또한 수소충전용 냉각설비 운영측면에서도 소요동력(전기비용)이 44% 줄어들게 됨으로 향후 유지비용 측면에서도 더 효율적임을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소냉각시스템의 역할은 무엇인가?	수소충전소는 고압의 tank에 저장되어 있는 수소를 차량에 주입하기 위한 설비로서, 수소를 차량에 주입 전 수소의 온도를 냉각시킴으로서 체적이 줄어들고, 고속 충전이 가능하게 한다. 그래서 필요한 설비가 수소냉각시스템이며 수소냉각시스템은 줄-톰슨효과에 의하여 고속충전시 저장 tank의 온도가 높아지는 것을 방지한다. 수소를 냉각하기 위해서는 열교환기(pre-cooler)와 냉열을 공급하는 냉동기(chiller system)로 구성된다.
	냉매를 통한 직접방식의 효과는 어떠한가?	특히 직접방식은 냉매의 증발 잠열을 활용할 수 있는 장점도 있다. 그래서 PCHE type 열교환기 체적도 14% 정도 감소하였고, 간접방식에 사용되는 브라인공급설비 등이 필요 없으므로 수소충전용 냉각설비 설치비용이 줄어들게 되었다. 또한 수소충전용 냉각설비 운영측면에서도 소요동력(전기비용)이 44% 줄어들게 됨으로 향후 유지비용 측면에서도 더 효율적임을 알 수 있다.
	수소충전소란 무엇인가?	본 연구는 수소충전소에 사용되는 신형 수소충전소의 수소냉각 패키지의 시스템 비교를 위하여 수행되었으며, 수소 냉각에 필요한 냉동기(chiller system)를 열역학적 비교와 구성품을 비교하여 장단점을 구분하고, 앞으로 수소차량 보급와 함께 구축해야할 수소충전소의 수소냉각 패키지의 설계 개념을 정립하고자 한다. 수소충전소는 고압의 tank에 저장되어 있는 수소를 차량에 주입하기 위한 설비로서, 수소를 차량에 주입 전 수소의 온도를 냉각시킴으로서 체적이 줄어들고, 고속 충전이 가능하게 한다. 그래서 필요한 설비가 수소냉각시스템이며 수소냉각시스템은 줄-톰슨효과에 의하여 고속충전시 저장 tank의 온도가 높아지는 것을 방지한다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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