열 유동 해석을 이용한 수소연료전지 차량 충전 프로토콜 안전성 분석 :Safety analysis of hydrogen fuel cell vehicle fueling protocols using heat flow simulation

서효민

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자료유형: 학위논문

저자정보: 서효민 (한국교통대학교, 한국교통대학교 일반대학원)

지도교수: 박병흥

발행연도: 2023

저작권: 한국교통대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수28

이 논문의 연구 히스토리 (6)

2023

대류 열전달계수 비교를 통한 수소연료전지차량 충전 과정의 온도 상승 기여도 분석

서효민 , 박병흥 한국가스학회 학술대회논문집 2023.11 학술대회자료

압축 수소 충전 공정 해석을 위한 대류 열전달 계수 비교 분석

서효민 , 박병흥 한국가스학회지 2023.09 학술저널

수소연료전지차량 충전에서의 대류 열전달계수 비교 분석

서효민 , 박병흥 한국가스학회 학술대회논문집 2023.05 학술대회자료

수소연료전지 차량 충전에서의 압력강하 분석

서효민 , 박병흥 한국가스학회지 2023.03 학술저널

열 유동 해석을 이용한 수소연료전지 차량 충전 프로토콜 안전성 분석

서효민 화공생물공학과 2023.01 학위논문

2022

수소 연료전지 차량 충전라인에서의 압력 강하 분석

서효민 , 박병흥 한국가스학회 학술대회논문집 2022.11 학술대회자료

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제 목: 열 유동 해석을 이용한 수소연료전지 차량 충전 프로토콜 안전성 분석 본 연구는 수소연료전지 차량 충전 시 충전 프로토콜의 안전성을 확인하기 위한 연구이다. 현재 상용화된 수소연료전지 차량은 기체 수소를 고압으로 압축 하여 차량 내 저장탱크로 주입하는 방식으로 충전이 진행된다. 충전 과정에서, 탱크 내로 유입되는 수소로 인하여 탱크의 온도 상승이 일어나며 과도한 온도 상승 시 안전성을 보장할 수 없으므로 온도 한계 범위 내에서 충전이 진행되어야 한다. 온도 한계 범위 등 수소 충전 시 지켜야 하는 규정 및 절차를 수소 충전 프로토콜 이라 하며 수소 충전의 안전성을 위해서는 충전 프로토콜을 적용 하여 충전했을 때 탱크의 온도 상승을 확인하여 수소 저장탱크의 안전성 확보를 확인해야 한다. 본 연구에서는 수소 충전 프로토콜인 SAE(Society of Automotive Engineers) J2601을 적용하여 충전 과정에서의 유동 현상 및 온도 분포 등을 CFD 방법을 활용하여 시뮬레이션 하였다. 연구범위는 압축 수소 저장 시스템(Compressed Hydrogen Storage System, CHSS) 용량 A, B, C, D 및 대기 온도 -10 - 35 ℃, 탱크의 초기 압력 0.5 - 30 MPa으로 하였으며 충전 시간, 질량 유량, SOC(State of charge), 유체의 거동 현상 및 안전성에 대하여 확인하였다. 그 결과, 모든 경우에서 충전은 80 – 500초 사이에 종료되었으 며 대기 온도가 높고 탱크의 초기 압력이 낮을수록 충전 시간은 길어졌다. 질량 유량의 경우 저장탱크의 용량이 크고, 대기 온도와 탱크의 초기 압력이 낮을수록 증가하였다. SOC는 모든 조건에서 80 – 95 % 사이의 값으로 나왔으며 용량이 큰 CHSS D의 충전률이 가장 낮았다. 수소연료전지 차량 충전동안 차량 내 저장탱크에서의 유동을 분석한 결과 유체는 아래로 흐르다가 탱크 후반부에서 위로 향하였다. 마지막으로 수소연료전지 차량의 안전성 분석을 위해 탱크의 최대 온도 및 최대 질량 유량을 분석한 결과, 모든 경우에서 온도 한계 범위를 넘지 않았으나, CHSS D, 탱크의 초기 압력이 0.5 MPa이고, 대기 온도가 -10 ℃, 10 ℃, 25 ℃ 인 경우 질량 유량이 한계 범위를 초과하는 경우가 발생하였다. 이는 수소 충전 제한 조건에서 벗어나는 결과이지만 온도 한계 범위를 벗어 나지 않았으므로 안전성에 위배되지 않는다고 판단하였다. 이를 토대로 추후 차량 내 저장탱크의 최대 온도 한계 범위 내에서의 최대 질량 유량을 확인하는 연구를 진행하는 것을 제안하였다. 주요 단어: 수소 충전, 수소 충전 프로토콜, 열 유동 해석, CFD

I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목적 4
II. 선행 연구 5
1. 수소 충전소 5
2. 수소 충전 프로토콜 8
3. 수소 저장탱크 15
4. 수소 충전 전산 모사 선행 연구 18
III. 수소 충전 전산 열 유체 모델링 20
1. 수소 물성 상관관계식 도출 20
2. 난류 모델 선정 27
IV. 결과 및 해석 30
1. 수소 충전 조건 30
2. 전산 모델 플랫폼 31
3. 전산 모사 결과 38
3.1 충전 시간 39
3.2 질량 유량 41
3.3 SOC 47
3.4 유체의 거동 해석 50
4. 수소 저장탱크 안전성 분석 61
V. 결 론 65
참고문헌 67
Abstract 74
부 록 76

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