[논문자료] 수소충전 시 압력상승률이 표준충전프로토콜 중요변수에 미치는 영향 해석

출처: 픽사베이

---

한국 정부는 2040년까지 수소충전소 1,200개소, 수소택시 8만대, 수소버스 4만대, 수소트럭 3만대를 보급하겠다고 지난 1월 17일 발표했다. 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. 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. 그러나 수소자동차의 경우에는 가스의 충전압력이 70 MPa에 달하기 때문에 신속충전과 완전충전이 용이 하지 않다. 압축에 의한 열(Heat of compression)의 발생과 줄-톰슨효과(Joule-Thomson effect)에 의한 열의 발생 때문이다[1]. 빨리 완전충전을 하되 안전하게 해야 한다. 그래서 충전 프로토콜(Fueling protocol)이 등장하였고[2], 이 충전프로토콜을 가장 먼저 도입한 나라는 미국과 일본이었다. 미국 SAE (Society of Automotive Engineers)는 2010년에 SAE J2601을 도입하였고, 일본 JPEC(Japan Petroleum Energy Center)도 2012년에 JPEC-S 0003(圧縮水素 充塡技術基準)을 도입하였다. 한국 정부도 2018년 수소충전 프로토콜을 도입하기 위해 연구를 시작 하였다.

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202009255206540

 

수소충전 프로토콜 개발의 도구로 활용하기 위해 선행 연구에서 수소충전의 열역학적 모델을 도출하고 시뮬레이션을 위한 프로그램을 개발하였다. 이번 연구에서는 그 프로그램을 활용하여 자동차 용기의 용량, 용기의 초기 압력, 외기온도 및 가스 공급온도를 변경하면서 APRR이 자동차용기 내 온도 및 압력과 충전유속에 어떻게 영향을 미치는지 살펴보았다.

 

첫째, APRR은 용기 내의 온도, 압력 및 충전유속에 직접인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

 

둘째, 용기 내의 온도에 미치는 영향으로는 자동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승하는 경우 모두에서 상한온도 인 85℃를 초과할 수 있다는 것을 확인할 수 있었 다.

 

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 있 었다.

 

넷째, 충전유속은 자동차용기의 용량이 증가하는 경우, 용기의 초기 압력이 감소하는 경우, 외기온도가 상승하는 경우 및 가스공급온도가 상승 하는 경우에도 유속상한계인 60 g/s에 많이 못 미치는 것을 확인할 수 있었다.

 

결과적으로 이번 연구에서는 새로운 충전프로 토콜을 개발하는 경우 APRR은 용기 내의 온도상승만을 고려하여 결정하면 되고, 용기 내의 압력과 충전유속은 감시대상 매개변수(Parameter)로 설정하여 관리하면 된다는 것을 확인할 수 있었다.

---

CV시리즈

 

고온·고압 전문 기업 ㈜일신오토클레이브에서 취급하고 있는 반응용&특수 압력용기 시리즈 중 하나인 캡 결합 압력용기 CV 시리즈는 내화학성이 있는 스테인리스로 제작되며 반응에 의한 부식을 방지하기 위해 내부 용기를 삽입해 사용하는 압력용기 중 하나로 강한 내구성을 지니고 있습니다. 내부 용기 재질로는 Teflon liner, PEEK liner 등 화학반응에 강한 소재로 선택하여 사용이 가능하며 분리가 용이해 세척 및 유지 보수가 편리합니다.

 

캡 결합용 압력용기 CV 시리즈는 손이나 간단한 공구 등으로도 쉽게 개폐가 가능하며 주로 소형으로 제작되기 때문에 장소에 크게 구애받지 않아 실용적이라는 장점이 있습니다.

---