[논문]수소충전 시 압력상승률이 표준충전프로토콜 중요변수에 미치는 영향 해석

채충근; 김용규; 채승빈

doi:10.7842/kigas.2020.24.1.23

수소충전 시 압력상승률이 표준충전프로토콜 중요변수에 미치는 영향 해석
An Analysis of the Effect of Pressure Ramp Rate on the Major Parameters of the Standard Hydrogen Fueling Protocol 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.1, 2020년, pp.23 - 32

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

초록
AI-Helper

수소자동차용기에 높은 압력(70 MPa)의 수소를 빨리 완전 충전하는 것은 쉽지 않다. 그 이유는 줄-톰슨효과 등에 의해 발생하는 열로 인하여 용기내의 온도가 급속히 상승하기 때문이다. 미국의 SAE J2601, 일본의 JPEC-S 0003 같은 충전프로토콜이 제정되어 운영되고 있다. 그러나 이들 프로토콜에는 수많은 가정이 도입되어 내용이 너무 복잡하고 적용범위가 제한적이라는 문제가 있다. 이 연구는 완벽한 실시간 통신에 기반한 새로운 프로토콜을 개발하기 위해서 수행되었다. 이 연구에서는 수소충전 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 압력상승률이 자동차용기내의 온도 및 압력 상승과 충전유속에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보았다. 그 결과 압력상승률 결정 시 우선 고려하여야 할 매개변수는 자동차 용기의 온도라는 것을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

It is not easy to fully fuel high pressure(70 MPa) hydrogen in a hydrogen vehicle tank quickly. This is because the temperature inside the tank rises rapidly due to heat caused by the Joule-Thomson effect, etc. So fueling protocols such as SAE J2601 in the U.S. and JPEC-S 0003 in Japan appeared. However, there is a problem with these protocols that a number assumption are introduced and the content is too complex and limited in scope. This study was conducted to develop a new protocol based on complete real-time communication. In this study, the hydrogen fueling simulation program were used to examine how the pressure ramp rate affects the temperature and pressure rise in the tank and the fueling flow rate. The results confirmed that the first parameter to be considered in determining the pressure ramp rate is the temperature of the tank.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Hydrogen refueling protocol coverage
그림 Fig. 2. Hydrogen fueling simulation program logic
표 Table 1. Comparison between Schneider et al.’s experimental results with this simulation results
그림 Fig. 2. Vehicle tank gas temperature when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 3. Vehicle tank gas temperature when V_ue=174(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 4. Vehicle tank gas temperature when V_ue=99(L), P₀=2 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 5. Vehicle tank gas temperature when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=40℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 6. Vehicle tank gas temperature when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=–17.5℃
그림 Fig. 7. Vehicle tank gas pressure when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 8. Vehicle tank gas pressure when V_ue=174(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 9. Vehicle tank gas pressure when V_ue=99(L), P₀=2 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 10. Vehicle tank gas pressure when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=40℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 11. Vehicle tank gas pressure when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=–17.5℃
그림 Fig. 12. Flow rate when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 13. Flow rate when V_ue=174(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 14. Flow rate when V_ue=99(L), P₀=2 MPa, T_anb=10℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 15. Flow rate when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=40℃, T_de=-40℃
그림 Fig. 16. Flow rate when V_ue=99(L), P₀=5 MPa, T_anb=10℃, T_de=–17.5℃

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이를 위하여 우리는 선행연구를 통하여 수소충전 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 이번 연구에서는 개발된 프로그램을 이용하여 수소충전 압력상승률을 변경할 경우 자동차용기 내 온도 및 압력과 충전유속이 어떻게 변하는지 살펴보고 새로운 프로토콜의 적용 가능성을 검토하였다. 선행연구에서 개발한 열역학적 모델과 시뮬레이션 프로그램은 각각 II 및 III과 같다.

가설 설정

승용차를 기준으로 3분 내외에 충전이 완료되지 않으면 불편을 느낄 것이기 때문이다. 둘째, 완전충전 (Complete fill)도 가능해야 한다. 완전충전이 되지 않으면 주행거리 성능이 떨어지기 때문이다.
11은 매개변수 값을 변경할 경우 다양한 APRR에서 자동차용기 내 가스압력이 어떻게 상승하는지를 살펴보기 위해 진행한 시뮬레이션 결과이다. 자동차용기의 용량, 용기의 초기 압력, 대기온도및 공급 가스온도를 변경할 경우 자동차용기 내 가스압력의 변화 패턴에는 변화가 없음을 보여준다. 인위적으로 설정한 극단적인 충전 조건의 경우 외에는 압력이 상한값인 87.

제안 방법

따라서 이들 기준에서는 충전소와 자동차의 충전라인, 자동차용기의 사양과 충전 전 상태, 가스공급온도 및 대기온도 등에 관한 각종 매개변수(Parameter)를 Hot case와 Cold case로 나누어 규정한다. 그리고 수소충전의 열역학적 모델을 만들고 여기에 이들 매개변수들을 입력하여 압력상승률과 목표압력에 관한 룩업테이블(Look-up table)을 작성하였다. 이와 같은 이유로 충전조건에 따라 작성된 룩업테이블이 수십개에 달한다.
이 #는 식 (9) 내지 식 (12)와 동일한 방법에 의하여 계산할 수 있다. 이 연구에서는 용기의 벽을 라이너 쪽에 5개 레이어, 복합재료 쪽에 10개의 레이어로 분할하여 순차적으로 계산하는 방법을 적용하였다.
충전라인 외부로부터 내부로 들어오는 열량 Q는 1-dimensional unsteady heat conduction 계산방식에 의하여 구할 수 있다. 이 연구에서는 충전라인 벽을 5개의 레이어로 분할하여 순차적으로 계산하는 방법을 적용하였다. 벽을 통한 열전달량 계산식, 가스 또는 공기 접촉면의 열전달계수는 각각 식 (9)[12] 및 식 (10) 내지 식(12)와 같이 표현할 수 있다[3,16-19].
수소충전 프로토콜 개발의 도구로 활용하기 위해 선행 연구에서 수소충전의 열역학적 모델을 도출하고 시뮬레이션을 위한 프로그램을 개발하였다. 이번 연구에서는 그 프로그램을 활용하여 자동차용기의 용량, 용기의 초기 압력, 외기온도 및 가스 공급온도를 변경하면서 APRR이 자동차용기 내 온도 및 압력과 충전유속에 어떻게 영향을 미치는지 살펴보았다.
Schneider 등이 SAE J2601의 타당성 검증을 위해 수행한 실험 중 Test 5-3 A(충전시스템 Hot case, 충전소 카테고리 H70-T40, 용기용량 4-7kg, 용기초기압력 5 MPa, 외기온도 10℃, APRR 28 MPa)의 실험 조건을 기본 시뮬레이션 조건으로 하였다. 자동차용기 용량 (V_ve) 및 초기압력(P₀), 대기온도(T_anb) 및 공급가스온도(T_de) 등을 변경하면서 다양한 APRR의 영향을 살펴보았다. 시뮬레이션에는 앞에서 기술한 프로그램을 사용하였다.

대상 데이터

선행 연구에서 수학적 모델은 SAE J2601에서 제시하는 열역학적 방법론에 기반하였고, 구체적인 수치해석은 관련 이론서들과 논문들에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 방법론을 따랐다. 입력 데이터의 경우에는 SAE J2601에서 제시하는 Worst case 중 충전종료 시점에서 자동차 용기 내 온도가 가장 높게 올라가는 Hot case 데이터를 적용하였다.

데이터처리

수학적 모델 해석은 상용 프로그램인 매트랩(Matlab R2019a)을 사용하였고, 프로그램 로직은 Fig. 2와 같다.

이론/모형

선행 연구에서 수학적 모델은 SAE J2601에서 제시하는 열역학적 방법론에 기반하였고, 구체적인 수치해석은 관련 이론서들과 논문들에서 가장 일반적으로 사용되고 있는 방법론을 따랐다. 입력 데이터의 경우에는 SAE J2601에서 제시하는 Worst case 중 충전종료 시점에서 자동차 용기 내 온도가 가장 높게 올라가는 Hot case 데이터를 적용하였다.

성능/효과

APRR 값이 큰 경우에서 85℃를 초과하는 현상이 나타났다. APRR이 자동차용기 내 가스온도에 큰 영향을 미치며, 충전기 설계 시 충전조건을 잘 못 설정하면 상한온도 85℃를 초과하는 위험이 발생한다는 것을 확인할 수 있다.
결과적으로 이번 연구에서는 새로운 충전프로토콜을 개발하는 경우 APRR은 용기 내의 온도상승만을 고려하여 결정하면 되고, 용기 내의 압력과 충전유속은 감시대상 매개변수(Parameter)로 설정하여 관리하면 된다는 것을 확인할 수 있었다.
5 MPa을 초과하지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 넷째, 충전유속은 자동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우에도 유속상한계인 60g/s에 많이 못 미치는 것을 확인할 수 있었다.
첫째, APRR은 용기 내의 온도, 압력 및 충전유속에 직접인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 둘째, 용기 내의 온도에 미치는 영향으로는 자 동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우 모두에서 상한온도인 85℃를 초과할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 셋째, 용기 내의 압력에 미치는 영향에서는 자동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우에도 압력 상한계인 87.
둘째, 용기 내의 온도에 미치는 영향으로는 자 동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우 모두에서 상한온도인 85℃를 초과할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 셋째, 용기 내의 압력에 미치는 영향에서는 자동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우에도 압력 상한계인 87.5 MPa을 초과하지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 넷째, 충전유속은 자동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우에도 유속상한계인 60g/s에 많이 못 미치는 것을 확인할 수 있었다.
첫째, APRR은 용기 내의 온도, 압력 및 충전유속에 직접인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다. 둘째, 용기 내의 온도에 미치는 영향으로는 자 동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우 모두에서 상한온도인 85℃를 초과할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
result)의 비교결과는 Table 1과 같다. 충전시간에서는 다소 차이가 있었으나, 최고 온도, 최고압력 및 최대 질량 유속은 잘 맞는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Hot case의 정의는 무엇인가?	미국과 일본에서 도입한 수소충전 프로토콜의 특징은 Hot case와 Cold case를 가정하고 있다는 것이다. 이들 프로토콜에서는 가스의 충전이 종료되었을 때 자동차용기 내의 가스 온도가 최고로 올라가는 경우를 Hot case, 최저로 내려가는 경우를 Cold case로 정의한다. 그리고 이 양쪽 최악의 경우를 벗어나지 않는 경우에만 이 프로토콜을 적용할 수 있다고 규정한다.
	수소자동차의 장점은 무엇인가?	한국에 수소충전소와 수소자동차 보급이 급격하게 늘어날 전망이다. 수소자동차는 배출가스 제로(Zero), 높은 열효율, 그리고 신재생에너지 활용이 용이하다는 장점을 가지고 있다. 이 장점을 활용하여 수소자동차의 보급을 늘이기 위해서는 첫째, 충전속도가 기존 연료 자동차와 동등 이상이 되어야 한다.
	높은 압력(70 MPa)의 수소를 빨리 완전 충전하는 것이 어려운 이유는 무엇인가?	수소자동차용기에 높은 압력(70 MPa)의 수소를 빨리 완전 충전하는 것은 쉽지 않다. 그 이유는 줄-톰슨효과 등에 의해 발생하는 열로 인하여 용기내의 온도가 급속히 상승하기 때문이다. 미국의 SAE J2601, 일본의 JPEC-S 0003 같은 충전프로토콜이 제정되어 운영되고 있다.

참고문헌 (25)

Society of Automotive Engineers (SAE), "Fueling protocols for light duty gaseous hydrogen surface vehicles (Standard J2601_201612)", (2016)
Schneider, J., Meadows, G., Mathison, S., Veenstra, M. et al., "Validation and Sensitivity Studies for SAE J2601, the Light Duty Vehicle Hydrogen Fueling Standard," SAE Int. J. Alt. Power, 3(2), 257-309, (2014)

상세보기
E. 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)
K. Handa, S. Yamaguchi, "Development of Real-time Pressure Loss Compensation Method for Hydrogen Refueling Station to Increase Refueling Amounts", J. Automatic Engineering, 9(4), 310-315, (2018)
S. Yamaguchi, Y. Fujita, 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, 227-232, (2006)
M. Deymi-Dashtebayaz, M. Farzaneh-Gord, H. R. Rahbari, "Simultaneous thermodynamic simulation of CNG filling process", J. Chemical Technology, 16(1), 7-14, (2014)
M. Deymi-Dashtebayaz, M. Farzaneh-Gord, N. Nooralipoor, H. Niazmand, "The Complete Modelling Of The Filling Process Of Hydrogen Onboard Vehicle Cylinders", Brizilian J. Chemical Engineering, 33(2), 391-399, (2016)

상세보기
M. Mond, M. Kosaka "Understanding of Thermal Characteristics of Fueling Hydrogen High Pressure Tanks and Governing Parameters", J. Alt. Power, 2, 61-67, (2013)

상세보기
J. Xiao, S. Ma, X. Wang, S. Deng, T. Yang, P. Benard, "Effect of Hydrogen Refueling Parameters on Final State of Charge", J. Energies, 12, (2019)
M. Farzaneh-Gord, M. Deymi-Dashtebayaz, H. R. Rahbari, H. Niazmand, "Effects of storage types and conditions on compressed hydrogen fuelling stations performance", J. Hydrogen Energy, 37, 3500-3509, (2012)

상세보기
Y. A. Cengel and A. J. Ghajar, "Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications" 5th ed, McGraw-Hill, 18, 334-337, (2015)
T. Kuroki, N. Sakoda, K. Shinzato, M. Monde, Y. Takata, "Prediction of transient temperature of hydrogen flowing from pre-cooler of refueling station to inlet of vehicle tank", J. Hydrogen Energy, 43, 1846-1854, (2018)

상세보기
P.L. Woodfield, M. Monde, T. Takano, "Heat Transfer Characteristics for Practical Hydrogen Pressure Vessels Being Filled at High Pressure", J. Thermal Science and Technology, 3, 241-253, (2008)

상세보기
M. Monde,P. Woodfield, T. Takano, M. Kosaka, "Estimation of temperature change in practical hydrogen pressure tanks being filled at high pressures of 35 and 70 MPa", J. Hydrogen Energy, 37, 5723-5734, (2012)

상세보기
M. Heath, P. L. Woodfield, W. Hall, M. Monde, "An experimental investigation of convection heat transfer during filling of a composite-fibre pressure vessel at low Reynolds number", J. Experimental Thermal and Fluid Science, 54, 151-157, (2014)

상세보기
T. Bourgeois, F Ammouri, M Weber, C Knapik, "Evaluating the temperature inside a tank during a filling with highly-pressurized gas", J. Hydrogen Energy, 40, 11748-11755, (2015)

상세보기
J. Guo, J. Yang, Y. Zhao, X. Pan, L. Zhang, L. Zhao, J. Zheng, "Investigations on temperature variation within a type III cylinder during the hydrogen gas cycling test", 13, 3926-13934, (2014)
P.L. Woodfield, M. Monde, Y. Mitsutake, "Measurement of Averaged Heat Transfer Coefficients in High-Pressure Vessel during Chagring with Hydrogen Nitrogen or Argon Gas", Thermal Science and Technology, 2, 180-191, (2007)

상세보기
T. Kuroki, N. Sakoda, K. Shinzato, M. Monde, Y. Takata, "Dynamic simulation for optimal hydrogen refueling method to Fuel Cell Vehicle tanks", J. Hydrogen Energy, 43, 5714-5721, (2018)

상세보기
D. G. Casey et al., "METHOD FOR CALCULATING HYDROGEN TEMPERATURE DURING VEHICLE FUELNG", Patent No.: US 7,647,194 B1, (2010)
M. Monde, Y. Mitsutake, P. L. Woodfield, S. Maruyama, "Characteristics of Heat Transfer and Temperature Rise of Hydrogen during Rapid Hydrogen Filling at High Pressure", J. Heat Transfer-Asian Research, 36, 13-27, (2007)

상세보기
J. Xiao, P. Benard, R. Chahine, "Charge-discharge cycle thermodynamics for compression hydrogen storage system", J. Hydrogen Energy, 41, 5531-5539, (2016)

상세보기
E. W. Lemmon, M. L. Huber, J. W. Leachman, "Revised Standardized Equation for Hydrogen Gas Densities for Fuel Consumption Applications", J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol, 113, 341-350, (2008)

상세보기
H. Chen, J. Zheng, P. Xu, L. Li, Y. Liu, H. Bie, "Study on real-gas equations of high pressure hydrogen", J. Hydrogen Energy, 35, 3100-3104, (2010)

상세보기

LOADING...

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증