[논문]압축수소가스 충전에 따른 타입 IV 용기의 온도 변화에 관한 실험적 연구

이승훈; 김영규; 윤기봉

압축수소가스 충전에 따른 타입 IV 용기의 온도 변화에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Internal Temperature Changes of Type Ⅳ Cylinder according to Filling with Compressed Hydrogen Gas 원문보기

이승훈 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 김영규 (한국가스안전공사 가스안전연구원) , 윤기봉 (중앙대학교 기계공학부)

In this paper, the study is researched for related safety standards having experiments concerning temperature changes in type IV cylinder of the Hydrogen fuel cell vehicle. Experiments were performed to acquire temperature data of type IV cylinder according to filling time. The experimental results are shown that internal temperatures of type Ⅳ vessel are over $85^{\circ}C$ at all measured points after 5 minutes at filling 35 MPa and the highest temperature is getting lower when the residual gases are more remained. Consequently, the safety standards need properly limited value through further study for filling flow rate and filling time.

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문제 정의

본 연구에서는 수소의 저장기술 중 압축수소가스를 연료로 사용하는 수소연료전지자동차용 초고압 타입Ⅳ 수소용기의 내부 온도 변화를 알아보고자 수소를 충전하면서 실험을 수행하였다.
. 이에 본 실험은 현재 생산되고 있는 타입Ⅳ 용기에 수소를 충전할 경우 ISO의 제한 온도 기준에 적합한지를 알아보고자 하였다. 타입 Ⅳ 용기에 수소를 0∼35 MPa 까지 충전할 때, 시간에 따라 용기 내부 및 외부의 온도변화를 측정 하였다.
이에 본 연구에서는 수소의 저장기술 중 압축수소가스를 연료로 사용하는 수소연료전지 자동차용 타입Ⅳ 용기에 수소가스를 충전하면서 내·외부 온도 변화를 측정하여, 관련기준을 위한 기초자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

용기내부의 온도변화는 모두 6개의 온도센서(Thermo couple)를 End Plug쪽으로 용기내부에 삽입하여 양쪽 돔(Dome)부와 실린더부에 각각 2개씩 설치하여 측정하였고, 용기 외부의 경우는 밸브, End Plug, 각 돔 부와 실린더 부 등 4부분에서 온도변화를 측정 하였으며, 열화상 카메라를 이용하여 충전 시 온도변화 및 충전량을 측정하였다.
타입 Ⅳ 용기에 수소를 0∼35 MPa 까지 충전할 때, 시간에 따라 용기 내부 및 외부의 온도변화를 측정 하였다.

대상 데이터

1은 압축수소가스 충전실험에 사용된 실험 장비를 나타내고 있으며, 실험은 실제 충전을 모사하기 위하여, 350bar 수소충전소에서 실시하였다. 실험 장치는 용기와 충전을 할 수 있는 리셉터클, 내부의 온도측정을 위한 지그, data 수집 장치(DAQ), 열화상 카메라로 구성되어 있다. Fig.
Table 1은 실험에 사용된 타입Ⅳ 용기의 사양을 나타내고 있다. 충전압력에 따른 타입Ⅳ 용기의 내부 온도변화를 측정하기 위하여 T 타입 온도센서를 Fig. 2와 같이 용기 내부의 6곳에 설치하였으며, DAQ(NI)를 사용하여 1초 간격으로 데이터를 취득하였다.

성능/효과

시험은 총 7회 실시하였으며, 시험결과 충전 시간이 짧아질수록 용기 내부의 온도는 상승하며, 충전량은 감소하는 것으로 나타났다.
밸브 및 End Plug쪽의 상·중·하부의 온도변화 그래프이다. 충전 시에는 T1,T3와 T4,T5의 온도가 중앙부의 온도보다 높게 측정되었으며, 충전 후에는 상부, 중앙부, 하부의 순서대로 온도가 높게 측정되었다. 이 결과는 용기에 충전되면서 발생된 열이 시간이 지나면서, 부력에 의해 용기 상부로 이동하면서 T1, T4부분에 온도가 높게 형성되는 것으로 추정된다.
3은 수소가스를 타입Ⅳ 용기에 35 MPa까지 충전하였을 때 시간에 따른 용기내부의 온도 변화를 나타내고 있다. 충전이 시작되고 약 5분 후 T1에서 88.4℃의 최고온도를 나타내었고, T2에서 85.3℃의 최저온도를 나타내며, 모든 측정범위에서 85℃가 넘는 것을 확인하였다. T1에서 최고온도를 나타내는 것은 부력의 영향으로 판단된다[6].
현재 ISO/DIS 15869에서 타입Ⅳ 용기 사용 시 온도기준은 -40℃∼85℃로 제한하고 있으나, 본 실험결과 0에서 35 MPa 충전 시 이 기준을 만족하지 못하는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

특히, 본 실험은 외부온도가 약 15∼20℃에서 실시하였으나, 외부온도가 높은 여름철이나, 용기가 차량내부에 설치되어 있어 온도가 상승할 수 있는 여건에서 실험을 한다면, 용기내부의 온도는 100℃이상이 될 것으로 예측된다. 이러한 결과를 보았을 때, Type4용기의 온도변화에 따른 수명평가, 충전유량 및 충전시간 변화에 따른 온도변화 측정 실험 등 추가적인 연구를 통하여, 타입 Ⅳ 용기 사용을 위한 적절할 안전기준제시가 필요할 것으로 사료된다.

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