Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회논문지)

The Korea Academia-Industrial cooperation Society (한국산학기술학회)
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Hydrogen Compressor Cycle Analysis for the Operating Pressure of 50 MPa and High Charging Capacity

50 MPa급 대용량 수소압축기 사이클 해석

  • Song, Byung-Hee (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Hoseo University) ;
  • Myoung, No-Seuk (Department of Mechanical Engineering, Graduate School, Hoseo University) ;
  • Jang, Seon-Jun (Division of Mechanical Engineering, Hoseo University) ;
  • Kwon, Jeong-Tae (Division of Mechanical Engineering, Hoseo University)
  • 송병희 (호서대학교 일반대학원 기계공학과) ;
  • 명노석 (호서대학교 일반대학원 기계공학과) ;
  • 장선준 (호서대학교 기계공학부) ;
  • 권정태 (호서대학교 기계공학부)
  • Received : 2019.12.04
  • Accepted : 2020.02.07
  • Published : 2020.02.29
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Abstract

In the hydrogen compression cycle, which is currently being developed, hydrogen is compressed to a very high pressure using a compressor, and then stored and used in a high-pressure vessel. This shows that an increase in the temperature of hydrogen in the vessel due to a pressure rise during the filling process and the pressure fatigue due to the repeated cycle may cause problems in the reliability of the vessel. In this paper, for the entire processes in a 50 MPa hydrogen compression system, theoretical and numerical methods were conducted to analyze the following: the temperature increase of hydrogen in the vessel and the time required to reach thermal equilibrium with the surroundings, the change in temperature of hydrogen passing through the pressure reducing valve, and the required capacity of the heat exchanger for cooling the vessel. The results will be useful for the design and construction of hydrogen compression systems, such as hydrogen charging stations.

현재 개발되고 있는 수소 압축 사이클에서는 압축기를 통해 초고압으로 압축된 수소를 고압용기 내에 저장하여 사용한다. 이러한 충전과정 중 용기내의 수소의 압력 및 온도 상승으로 인하여 고압용기에서 열응력이 발생할 수 있다. 고압용기의 신뢰성을 확보하기 위해서는 용기내의 수소의 온도를 예측하고 제어하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 이러한 고압용기의 신뢰성 해석을 위하여 50 MPa급 수소압축시스템에서 고압용기를 충전하는 과정에서의 압력상승에 따른 용기 내의 수소온도 변화 및 외부와의 열평형까지 걸리는 시간, 감압밸브를 지날 때의 수소온도 변화, 고압용기 냉각을 위한 열교환기의 요구능력 등에 대하여 이론적인 방법과 수치적인 방법으로 해석을 수행하였다. 이론해석 결과, 고압용기의 내부 온도는 충전하기 전에 40 ℃에서 충전 후 1st cycle, 2nd cycle에서 평균적으로 126.675 ℃, 62.1 ℃가 증가하였다. 또한, 고압용기의 충전량은 1st cycle, 2nd cycle에서 각각 7.9 kg, 8.9 kg으로 계산되었다. 본 연구의 결과는 수소충전소와 같이 수소압축시스템이 필요한 현장의 인프라 설계 및 구축 등에 유용하게 활용 될 것이다.

Keywords

References

  1. J. Wellnitz, "Hydrogen Storage Systems for Automotive Applications", International Journal of Sustainable Design, Vol.1, No.1, pp.93-109, 2008. DOI: https://doi.org/10.1504/ijsdes.2008.017059
  2. K. M. Jang, S. H. Eom, I. C. Kim, S. C. Choi, C. K. Kim, "A Study on the Temperature Increasing of NGV cylinders during fast filling", The Korean Society of Mechanical Engineers, pp.482-485, Nov. 2012.
  3. T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, D. P. Dewitt, "Fundamental of Heat and mass Transfer 7th ed", p.1048, Wiley, pp.8-10.
  4. H. R. Lee, J. H. Ahn, H. Y. Kim, Y. G. Kim, "A Study on Temperature Characteristics of Automatic Valve for High Pressure Cylinder of FCV", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol.22, No.1, pp.1-8, Feb. 2018. DOI: https://doi.org/10.7842/KIGAS.2017.22.1.1
  5. S. Y. Kim, B. H. Kang, "Thermal Analysis of a Liquid Hydrogen Vessel", Journal of the Korean Hydrogen Energy Society, Vol.8, No.2, pp.57-65, Jun. 1997.
  6. C. K. Kim, D. H. Kim, "A Safety Study on the Stress Characteristics of a Composite Pressure Cylinder for a Use of 70MPa Hydrogen Gas Vehicle", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.21, No.1, pp.1-6, Feb. 2012. DOI: https://doi.org/10.7735/ksmte.2012.21.1.001