수소 충전소 모델링 및 동적 시뮬레이션 연구 = Modeling and Dynamic Simulation Study for a Hydrogen Refueling Station

국문 초록 (Abstract)

지속적인 에너지 소비 증가로 온실가스 배출이 누적되면서 지구 평균 기온 상승과 환경 오염 위험이 확대되고 있다. 수소는 기존 화석연료를 대체할 가능성이 있으며, 운송 분야에서 수소 연료전 지 차량(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle) 보급 확대를 위해 고압 수소 충전소 인프라가 요구된다. 본 연구는 실제 H70–T40 수소 충전소와 승용 FCEV를 대상으로 동적 모델을 개발하고, 충전소 실험 데이터와의 비교로 모델을 검증하였다. 이후 수소 충전 프로 토콜인 SAE (Society of Automotive Engineers) J2601 Look-up Table 방식을 적용하고 직접, 캐스케이드, 하이브리드 충전 방식 을 각각 구현하여 충전 시간, 압력 강하, 충전율(SOC, State of Charge), 탱크 온도, 저장 탱크 회복, 전력 소모 등을 정량적으로 비교하였다. 모든 구성요소에서 모델은 실험과 유사한 경향을 재 현하였다. 평균 상대 오차는 10% 미만이었다. 모델 검증 후 직접, 캐스케이드, 하이브리드 세 충전 방식과 J2601 프로토콜 적용 시 동일 초기 조건에서 디스펜서, 충전 라인, 차량 탱크의 결과는 같 았다. 이때, 충전소 내 저장 탱크의 압력이 부족한 경우는 관찰되 지 않았다. 프로토콜 적용으로 충전 속도가 증가하면 충전 라인 압력 강하가 확대되고 디스펜서와 차량 압력 차이가 증가했으며, 압력 차이는 동일 초기 압력에서 충전 속도와 선형 관계를 보였다. SOC는 목표 압력 증가에 따라 상승했으나, 충전 속도 증가로 압 력 강하가 커질수록 감소하였다. 저장 탱크 전환 시점에서 질량유 량의 일시적 급상승이 발생했으나, 급상승 구간을 제외한 최대 질 량유량은 49.37 g/s로 제한값 60 g/s 이내였다. 모든 조건에서 탱 크 온도는 85 ℃ 이하를 유지했으며, 최종 온도 및 초기 압력 관 계는 선형으로 나타나 예측식을 도출하였다. 전력은 충전 전략에 따라 상이하였으며, 탱크 회복 시간을 포함할 때 하이브리드 전략 이 운전 측면에서 유리할 수 있음을 확인하였다. 본 연구에서 개 발된 모델은 실제 충전소에서 프로토콜 적용에 따른 충전 성능을 정량적으로 점검하고, 충전소 설계, 운전 개선안을 도출하는 데 활 용된다. 주요 단어: 수소 연료전지 차량(FCEV, Fuel Cell Electric Vehicle), 수소 충전소, 동적 모델 개발, 수소 충전 프로토콜

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 선행 연구 3
• 2. 연구 목적 5
• II. 수소 충전소 6
• 1. 수소 충전소 개요 6
• 2. 수소 충전 프로토콜 9
• III. 이론 및 모델링 14
• 1. 수소 물성 14
• 2. 수소 충전소 구성별 지배방정식 19
• 2.1 튜브 트레일러, 충전소 내 고압 저장 탱크, 차량 탱크 19
• 2.2 충전소 및 차량 충전 라인 32
• 2.3 밸브 34
• 2.4 압축기 37
• 2.4 예냉 시스템 39
• 3. 개발된 모델 41
• IV. 결과 및 토의 49
• 1. 모델 검증 49
• 1.1 모델 검증 조건 49
• 1.2 실험 데이터 비교 및 분석 53
• 2. SAE J2601 프로토콜 및 직접, 캐스케이드, 하이브리드 충전 방식 적용 66
• 2.1 SAE J2601 프로토콜 및 직접, 캐스케이드, 하이브리드 충전 방식 적용 조건 66
• 2.2 차량 충전 및 충전소 내 고압 저장 탱크 회복 시간 71
• 2.3 디스펜서 및 차량 탱크 77
• 2.4 충전소 내 고압 저장 탱크, 압축기, 예냉 시스템 89
• V. 결 론 94