This paper presents a stress safety of a composite pressure cylinder for a hydrogen gas vehicle. The composite pressure cylinder in which is composed of an aluminum liner and carbon fiber wound layers contains 104 liter hydrogen gas, and is compressed by a filling pressure of 70 MPa. The FEM computed results are analyzed based on the US DOT-CFFC basic requirement for a hydrogen gas cylinder and KS B ISO specification. The FEM results indicate that the stress, 255.2 MPa of an aluminum liner is sufficiently low compared with that of 272 MPa, which is 95% level of a yield stress for aluminum. Also, the composite layers in which are wound on the surface of an aluminum cylinder are safe because the stress ratios from 3.46 to 3.57 in hoop and helical directions are above 2.4 for a minimum safety level. The proposed composite pressure cylinder wound by carbon fibers is useful for 70 MPa hydrogen gas vehicles.
The solenoid actuated hydrogen injector and the capacitive peak-hold type driving circuit were designed and made, and the hydrogen supply system for in-cylinder injection was constructed with these. The performance of the injector was investigated through measuring the pintle lift profiles and the injection quantities, and the performance of the hydrogen supply system was confirmed through the experiments at the single cylinder engine. The injection quantity increased linearly as the duration of driving signal increased. At the single cylinder engine, the hydrogen injector was operated stably. The hydrogen flow rate of the injector with the peak-hold type driving circuit could be controlled precisely at high engine speed or low load condition only with the variation of signal duration.
Cylinder shaped air-breathing PEMFC has been developed to have small volume, low contact resistance and better air accessibility to the open cathode. This cylinder shaped design consists of an anode cylinder with helical flow channel and a cathode current collector with slits. The pressure distribution measurement according to the shapes was performed. The test result indicated that cylinder shaped fuel cell has better pressure distribution compared with the planar shaped fuel cell. The better pressure distribution was connected to the higher performance. The maximum power density of cylinder shaped fuel cell was about 20% higher than the planar shaped fuel cell. The maximum power density of the developed cylinder shaped air-breathing PEMFC with dry hydrogen was $220\;mW/cm^2$ and with humidified hydrogen was $293\;mW/cm^2$.
본 연구에서는 수압반복시험 장비를 이용하여 70 MPa용 Type 3의 수소복합용기에 대한 거동과 용기내부에 압력이 가해졌을 때 용기 거동을 유한요소법으로 해석하였다. 그 결과, 안전성과 경량성으로 주목받고 있는 Type3 수소용기는 실린더부에서 파열이 먼저 시작되었으며, 유한요소해석 결과에서도 동일한 양상을 확인하였다. 시험결과로 용기내부에 압력이 가해짐에 따라 실린더 몸통부가 부풀어 올라 돔너클과 실린더 몸통부가 가장 취약함을 알 수 있었다.
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.
This paper quantitatively analyzes the causes of ammonia-filled- cylinder rupture based on Tait equation and the safety guidelines, focusing on liquid expansion, internal temperature, and overfilling. When there exists a safety volume, i.e., gas-occupied volume within the ammonia cylinder, the internal pressure due to temperature rise corresponds to the vapor pressure at that temperature, with an approximate circumferential stress increase of 1.43 MPa/℃. In the absence of the safety volume, the internal pressure due to temperature rise matches the pressure of the compressed liquid ammonia at that temperature, and the resulting circumferential stress gradient in the cylinder shell is approximately 55.94 MPa/℃.
Owing to the serious problem of hydrocarbon fuel such as environmental pollution, the development of alternative fuel is very urgent. To adopt hydrogen to the internal combustion engine, a solenoid-drive type in-cylinder injection system was constructed. The injection system was installed to the single cylinder research engine, and the engine performance and the emission of citric oxide were tested upon the fuel-air equivalence ratio and the spark timing. In the case of in-cylinder injection system, hydrogen is injected after the intake valve is close, so it is possible to operate the engine without the back fire and the fall of its volumetric efficiency. In the region of the fuel-air equivalence ratio below 0.5, hydrogen and air aren't well mixed and the thermal efficiency is lowered, so the nozzle should be designed to inject hydrogen uniformly into the combustion chamber. In the region of the fuel-air equivalence ratio above 0.7,the fuel-air mixture burns very fast and the amount of citric oxide emission increases rapidly, so the spark timing should be retarded as compared with MBT.
We developed and tested the high pressure hydrogen gas cylinder(type4) for fuel cell vehicle. The working pressure is 350bar. We conducted material tests, production tests and design qualification tests on the developed cylinders according to modified NGV2-2000(hydrogen). The high pressure hydrogen gas cylinder met all the design qualification requirements of ANSI/CSA NGV2-2000 and acquired NGV2 certification from independent inspection agency.
Hu, J.;Sundararaman, S.;Menta, V.G.K.;Chandrashekhara, K.;Chernicoff, William
Advanced Composite Materials
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제18권3호
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pp.233-249
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2009
Safe installation and operation of high-pressure composite cylinders for hydrogen storage are of primary concern. It is unavoidable for the cylinders to experience temperature variation and significant thermal input during service. The maximum failure pressure that the cylinder can sustain is affected due to the dependence of composite material properties on temperature and complexity of cylinder design. Most of the analysis reported for high-pressure composite cylinders is based on simplifying assumptions and does not account for complexities like thermo-mechanical behavior and temperature dependent material properties. In the present work, a comprehensive finite element simulation tool for the design of hydrogen storage cylinder system is developed. The structural response of the cylinder is analyzed using laminated shell theory accounting for transverse shear deformation and geometric nonlinearity. A composite failure model is used to evaluate the failure pressure under various thermo-mechanical loadings. A back-propagation neural network (NNk) model is developed to predict the maximum failure pressure using the analysis results. The failure pressures predicted from NNk model are compared with those from test cases. The developed NNk model is capable of predicting the failure pressure for any given loading condition.
To clear the differences of heat transfer coefficient of in-cylinder gas with fuel properties, the transient heat transfer coefficient of hydrogen gas is investigated by using the hydrogen fueled engine. The measured results were also compared with those of gasoline engine and several empirical equations. Transient heat transfer coefficients were determined by measurements of unsteady heat flux and instantaneous wall temperature in the cylinder head. As the main results, it is shown that transient heat transfer coefficients have remarkable differences according to fuel properties, and it's value for hydrogen engine is twice higher than that of gasoline engine. It means that equation of heat transfer coefficient that the effect of fuel properties is considered sufficiently, is needed to analyze or simulate the gas engine performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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