FCEV를 위한 2단 감압 수소 레귤레이터 연구 :A Study on Two-stage 700bar Hydrogen Regulator for FCEV

송재욱

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자료유형: 학위논문

저자정보: 송재욱 (한국기술교육대학교, 한국기술교육대학교 일반대학원)

지도교수: 김승모

발행연도: 2020

저작권: 한국기술교육대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수12

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2021

2단 감압 수소레귤레이터의 연성해석 및 도금특성에 관한 연구

송재욱 , 김승모 한국산학기술학회 논문지 2021.01 학술저널

2020

FCEV를 위한 2단 감압 수소 레귤레이터 연구

송재욱 기계공학과 2020.01 학위논문

2019

2단 감압 수소 레귤레이터의 유체-구조 연성해석

송재욱 , 전완재 , 김승모 한국생산제조학회 학술발표대회 논문집 2019.11 학술대회자료

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수소연료전지차(FCEV)는 전기를 자체 생산하는 연료전지를 동력원으로 하며 일반적인 탄화수소계열의 액체연료보다 더 높은 단위무게 당 에너지를 가지고 있으며, 탄소를 포함하지 않아 배출되는 온실가스가 없음과 동시에 부산물로 열과 물뿐인 특징을 가지고 있다. 또한 공기 중으로부터 산소를 얻기 위한 공기정화 장치를 가지며 미세 먼지를 줄이는 부수적인 효과도 가지고 있다. 기존 FCEV의 기계식 레귤레이터는 시스템 사양에 의해 출구압이 결정되며, 순간적인 수소 공급량에 의해 출구압 강하가 발생하여 공급량이 부정확함에 따라 누설 최소화를 위한 실링구조와 소재 개발의 필요성이 있다.
수소를 연료로 사용하는 수소연료전지차는 수소 취화를 피하기 위한 소재 등이 필수적이며, 수소 취화를 피하기 위해 사용되는 스테인리스강 합금의 경우 316과 같은 특정 금속 재료를 권장하고 있으며, 강재의 수소 취성은 표면 도금의 종류와 두께 및 균열의 유무에 영향을 받는다. 또한 부식은 시간의 함수이며 차량의 평균수명이 증가하고 있는 현실을 반영한 다면 소비자 사용 환경인 부식 환경에서 수소가 혼입될 수 있고, 자동차 부품에 인가되는 응력, 주행 환경에 따라 더욱 증가할 수 있다. 따라서 수소 취성의 발생 우려가 더욱 증가할 것으로 판단되며, 이에 따라 본 연구 에서는 연료 공급시스템에 사용되는 레귤레이터의 성능을 2단 감암 메커 니즘을 통해 성능을 확보하기 위한 시뮬레이션을 통한 설계 연구와 수소 취성 및 내식성의 필요성으로 도금이 필수적이므로 도금별 유동 혼합기체 부식 시험을 진행 후 수소 취성 및 내식성에 대한 평가를 위하여 인장시험을 진행하였다.
1차 감압부에서 큰 압력 강하가 발생하므로 가장 큰 Stress가 발생할 것으로 예상되는 부위로 구조 해석을 통하여 소재별 극한 응력을 비교와 기밀성에 대한 기준으로 변위량을 비교하여 소재 선정을 적합성을 판별하였 으며, 이 중 수소 취화에 대해 내성이 있는 소재로 분류된 SUS 316L을 선정하였다. 또한 2차 감압부의 기밀성에 대한 기준으로 변위량을 비교하였을 때 Density, Yield Tensile Strength가 가장 낮으며, Poisson’s Ratio가 가장 큰 TPU 소재에서 가장 큰 변위량이 발생할 것으로 예상되기 때문에 TPU 소재에 대한 형상을 비교하고 Young’s Modulus 값의 영향을 살펴 최종 Case를 선정하였다.
2단 감압 수소레귤레이터는 2번째 감압에 전자식 솔레노이드의 적용으로 정밀한 출구압 제어가 가능함에 따라 솔레노이드의 사용으로 자성부 소재의 선정이 필수적임에 따라 타사 레귤레이터의 XRF분석과 ICP-OES 분석을 통하여 자성 재료로 SUS410을 선정하고, 수소 취화에 대한 내성이 있는 소재로 분류되지 않음에 따라 도금처리를 진행하고 유동 혼합기체 부식시험과 인장시험을 통하여 수소취화 및 내식성을 평가하여 최종적으로 Cr도금을 선정하였다.
또한 유체-구조 연성해석을 통한 구조 최적화를 진행하기 위하여 Plunger 내의 유로부 위치의 적절성을 파악하고, 2차 감압부의 Stage Contact Surface의 면적을 각도에 따라 변경한 시뮬레이션을 통하여 최종 적으로 2.6mm 간격 위치와 125°의 면적 각도를 선정하였다.

The mechanical regulator of the existing FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle) is determined by the system specifications, and due to the inaccurate supply due to the drop in the outlet pressure caused by the instantaneous hydrogen supply, there is a need to develop sealing structures and materials to minimize leakage. Hydrogen fuel cell vehicles that use hydrogen as fuel require materials such as to avoid hydrogen embrittlement, and certain metal materials such as 316 are recommended for stainless steel alloys used to avoid hydrogen embrittlement. It is affected by the type of plating and the thickness and presence or absence of cracks. In addition, corrosion is a function of time, and reflecting the reality that the average life of the vehicle is increasing, hydrogen may be mixed in a corrosive environment, which is a consumer use environment, and may be further increased according to a stress applied to an automobile part and a driving environment.
Therefore, the possibility of hydrogen embrittlement is expected to increase further, and since plating is essential due to the need for hydrogen desensitization and corrosion resistance through simulation to secure performance of the regulator used in the fuel supply system through a two-stage mechanism, tensile testing was conducted to evaluate hydrogen embrittlement and corrosion resistance after conducting a flowing mixed gas corrosion test. The structural analysis determined the suitability of the material selection by comparing the extreme stress by material and the displacement quantity based on confidentiality to the area where the greatest stress is expected to occur due to the large pressure drop at the primary pressure reducer, and SUS 316L, which is classified as a resistant material to hydrogen embrittlement, was selected. In addition, the final case was selected by comparing the shape of the TPU material and examining the effect of the Young''s Modulus value because the displacement quantity was the lowest and Poisson''s Ratio was expected to produce the largest displacement of the TPU material when compared with the degree of confidentiality of the secondary decompression zone. The two-stage decompression hydrogen regulator selects SUS410 as a magnetic material through XRF analysis and ICP-OES analysis of third-party regulator, as it is essential to select magnetic materials due to the use of solenoids, as it is possible to precisely control the outlet pressure by applying electronic solenoids to the second decompression, conduct plating and testing the flowmeter as it is not classified as a resistant material to hydrogen embrittlement. In addition, the adequacy of the location of the flow path in the Plunger was identified for structural optimization through fluid-structure ductility analysis, and the final 2.6mm gap position and an area angle of 125° were selected through a simulation in which the area of the stage contact surface of the secondary pressure reducer was changed according to the angle.

제1장 서 론 1
제1절. 서론 1
1. 연구 배경 1
2. 국내 산업 동향 및 수준 2
3. 국외 산업 동향 및 수준 3
4. 연구내용 및 필요성 3
제2절. 이론적 배경 5
1. FCEV의 원리 및 구성 5
2. IPC 6
3. 네트워크 분석방법 7
4. 특허정보 수집과 분류 7
5. 특허통계 8
6. 자동차 기업별 네트워크 분석 11
제2장 수소 레귤레이터 18
제1절. 수소 레귤레이터 18
1. 1단 감압 수소 레귤레이터 18
2. 2단 감압 수소 레귤레이터 19
제3장 소재 선정 20
제1절. 1차 소재 선정 20
1. 1차 소재 선정 20
2. 1차 구조 해석 20
3. 1차 구조 해석 결과 22
제2절. 2차 소재 선정 및 도금처리 26
1. 2차 소재 선정 26
2. XRF 및 ICP-OES 분석 결과 26
3. 도금처리 조사 27
4. 유동 혼합기체 부식 시험 28
5. 인장 시험 30
제4장 수소레귤레이터의 2차 감압부 해석 연구 31
제1절. 2차 감압부에 대한 기밀성 평가 31
1. 2차 감압부 ? TPU 소재 31
2. 해석 결과 ? Contact Surface의 응력 및 변위 32
제2절. 2차 감압부의 유체-구조 연성 해석 34
1. 모델링 34
2. 해석 조건 34
3. 접촉부 면적변경에 따른 해석 결과 35
4. Plunger Angle에 따른 해석 결과 36
5. Plunger 유로부 위치에 따른 해석 결과 38
제4장 연구 결론 40
참 고 문 헌 42
ABSTRACT 45

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