수소전기차용 공기압축기 열유동 해석

신현장(Hyun Jang Shin) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.12

수소 전기차는 수소와 공기 중의 산소를 반응시켜 전기를 발생하여 모터를 구동하는 연료전지 자동차를 말한다. 공기 압축기는 공기를 압축시켜 연료전지 스택으로 공급하는 장치를 말하며 임펠라가 10만 rpm이상으로 작동을 한다. 공기 압축기는 영구자석 모터가 내장되어 있으며 두 종류의 공기 포일베어링을 사용하여 지지하고 있다. 공기 압축기 열유동 해석을 두 가지 방법으로 수행하였다. 첫 번째 방법은 발열량을 입력하는 방법이고 두 번째 방법은 공기 포일 베어링을 직접 모사하고 발열량을 직접 계산하는 방법이다. 첫 번째 방법은 해석시간을 줄일 수 있기 때문에 보편적으로 사용하는 방법이지만 공기 압축기에서는 오차가 많이 발생하는 것을 확인 하였다. 두 번째 방법은 에어 포일 베어링을 직접 모델링하여 해석을 수행하는 방법으로 메쉬 수가 많아지고 시간이 오래 걸리는 단점이 있지만 실험 결과와 비교 했을 때 10% 이내의 오차를 가지고 잘 맞는다는 것을 확인 하였다. 이번 연구를 통해서 공기 압축기 개발에 개발 시간을 단축시키고 신뢰도를 높이는 해석 방법을 개발하였다. A hydrogen electric car is a fuel-cell vehicle that reacts hydrogen fuel with oxygen in the air to generate electricity to drive the traction motor. An air compressor is a device that compresses air and supplies it to the fuel cell stack. The impeller in the air compressor operates at 100,000 rpm or more. The air compressor has a built-in permanent-magnet motor and is supported by two kinds of air foil bearings. CFD analysis of the air compressor was performed by two methods. The first method was simulation with an input calorific value, and the second method was direct simulation of the air foil bearing and calculating the calorific value directly. The first method is a universal method because it can reduce the analysis time, but it shows that there are many errors in the air compressor analysis. The second method directly models the airfoil bearing to perform the analysis, and has a disadvantage in that the number of meshes increases, resulting in a longer simulation time. However, compared with experimental results, the method shows errors within 10. Through this research, I have developed an analysis method that shortens the development time and increases the reliability of air-compressor development.

수소압축기 볼트 피로파괴에 의한 화재 및 폭발사고의 법공학적 접근

임용순,윤장근 한국과학수사학회 2018 과학수사학회지 Vol.12 No.3

산업현장에서 발생하는 화재 및 폭발사고의 조사는 기계공학 및 화학공학을 기본으로 하는 법공학적 관점에서 실시하여야 한다. 본 연구에서는 저압의 수소를 고압으로 압축하는 수소압축기의 흡입밸브 덮개가 파손되어 수소가 고압 분출되며 발생한 화재·폭발 사고의 원인을 규명하였다. 왕복동식 압축기의 경우 피스톤이 왕복운동하며 맥동압(pulsating pressure)이 생기고 이로 인하여 진동이 발생하게 된다. 이 진동은 높은 소음을 발생시키는 동시에 기계의 마모 또는 파손 등의 문제를 일으킨다. 본 사고사례에서도 항복강도 이하의 진동이 볼트에 장기간 동안 지속적으로 작용하여 피로파괴 현상이 발생한 것으로 확인되었다. 고온·고압으로 운전되는 반응기·열교환기·압축기·펌프·터빈 등의 시설물을 고정시키는 볼트의 건전성에 대한 평가와 주기적 교체는 대형화재·폭발 사고의 예방에 있어 매우 중요하다.

수소 가압에 따른 전기화학식 수소 압축기 및 기계식 압축기의 수소 생산 질량당 에너지 소비량 비교

남현수(Hyeonsu Nam),공명근(Myungkeun Gong),이광훈(Gwang Hoon Rhee),나영승(Youngseung Na) 한국유체기계학회 2021 한국유체기계학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.7

멀티로터 무인기 최적설계를 위한 연료전지 가동시간과 수소 저장용기 중량 예측 모델링

김진희,시하영,정진석,구태완,강범수 한국항공우주학회 2023 韓國航空宇宙學會誌 Vol.51 No.5

In this research, fuel cell operating time prediction and compressed gas hydrogen storage weight prediction model were constructed. Fuel cell operating experiment was performed to verify constructed model and as a result, model was able to predict operating time with an average relative error of 3.46% and a maximum relative error of 6.9%. Storage weight prediction model was derived using thin pressure vessel stress model and then curve fitting was performed to estimate coefficient of constructed model. From this result, material properties of structure were predicted in proper range and we verified model compatibility using coefficient of determination, mean of absolute relative residual and actual-predict diagram. Finally, we verified that model are able to predict endurance of commercial multi-rotor UAV with an average relative error of 10.36% and a maximum error of 17% using power loading data. As a result, we consider it is suitable to apply our model to hydrogen fuel cell multi-rotor UAV design optimization. 본 연구를 통해 수소 연료전지 멀티로터 UAV 최적설계를 위한 연료전지 가동시간 예측 및 압축기체 수소 저장용기의 중량 예측 모델을 구축하였다. 구축된 모델을 검증하기 위해 수소 연료전지 가동실험이 수행되었으며, 평균 3.46%, 최대 6.9%의 상대오차로 가동시간이 예측됨을 확인하였다. 저장용기의 중량 예측을 위해 박판 압력용기의 응력 모델이 이용되었으며, 구축된 모델의 계수를 추정하기 위해 회귀분석을 수행하였다. 그 결과로 얻은 계수로부터 구조재의 물성을 적절한 범위 내에서 추정할 수 있었으며, 결정계수 및 절대상대잔차의 평균값과 실제값-예측값 비교 선도를 통해 모델 적합성을 확인하였다. 마지막으로 구축된 모델과 파워로딩 데이터를 이용해 상용 수소 연료전지 멀티로터형 무인항공기의 제자리 비행시간을 예측하여 이를 제조사 제원과 비교한 결과, 평균 10.36%, 최대 17% 이내의 상대오차로 비행시간을 예측하는 것을 확인하였다. 결과적으로, 본 연구에서 구축된 모델은 수소 연료전지 멀티로터 무인항공기 최적설계에 적용되기에 적합한 것으로 판단된다.

레이디얼 피스톤 펌프의 피스톤 접촉 메커니즘 개발

함영복,차재곤,김대명,공태우,윤소남,안국영,권병수 사단법인 유공압건설기계학회 2010 드라이브·컨트롤 Vol.7 No.1

This paper presents the experimental results of the radial piston type oil pump with new mechanism for a metal diaphragm hydrogen compressor. Generally, metal diaphragm type hydrogen compressor systems are operated by oil hydraulic power. In this system an oil compensating pump has been demanded to compensate for a leakage oil head chamber. The metal diaphragm type hydrogen compressor consists of an oil compensating pump, commonly used hydraulic piston pump and driven by main crank shaft. The radial piston type oil compensating pump with new rolling contacted piston mechanism is developed and experimented. The developed piston element of the radial piston pump consists of piston, steel ball, return spring, two check valves, eccentric cam and ball racer. In this study, designed 4 type pistons as and orifice hole. Operating characteristics and pressure ripple characteristics are tested under no load to 60bar loaded with every 20bar increasing step and pressure ripple and flow rate are experimentally investigated. 수소압축기는 무급유 방식의 왕복동식과 무윤활 방식의 메탈 다이아프램 방식으로 양분되며, 각 방식에 따라 수소의 순도와 충진압에서 일장일단의 특성을 나타낸다. 메탈 다이아프램 수소압축기는 유압구동부의 누설유량과 흡입 시 발생하는 캐비테이션 방지를 위한 과급유 상태를 유지할 수 있도록, 피스톤 챔버와 오일 헤드 챔버에 오일을 보충하게 된다. 이러한 목적으로 오일보충용 펌프는 압축기의 크랭크케이스 내부의 메인 크랭크샤프트에 연결하여 구동하게 된다. 본 연구에서는 메탈 다이아프램 수소압축기의 오일 보충용 펌프로 개발된 레이디얼 피스톤 펌프의 피스톤을 스틸 볼이 볼 레이스 위를 구름 접촉하도록 구성하고 볼이 설치된 피스톤 끝면 윤활용 오리피스를 설치하고 서로 다른 오리피스 직경에 대해 실험적으로 비교 평가하고 개발된 펌핑 메카니즘의 구조적 타당성을 검토해 본다.

수소 압축기용 릴리프 밸브 모델링 및 성능해석에 관한 연구

박상법,김규보,윤소남,권병수 한국수소및신에너지학회 2009 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.20 No.3

This paper presents a static and dynamic characteristics of the relief valve which is a kind of direct operated pressure control valve for hydrogen compressor. The valve is consisted of a main poppet, a spring, an adjuster and a valve body. The purpose of this study is development of the simulation model for relief valve by using commercial AMESIMⓇ tool. Poppet with sharp edge seat type and ball poppet with sharp edge seat type compare for P-Q characteristic. The dynamic simulation results are presented the operating pressure characteristics of relief valve. High pressure power unit of which maximum pressure control range is 100MPa was manufactured, and the pressure control valve was experimented using the above-mentioned power unit. The new model of pressure control valve from this results was suggested. It was confirmed that the suggested valve has a good control performance from experimental setup.

수소 충전소 압축기-탱크 구성에 따른 수소차 충전 시나리오 분석

박준수(Jun Su Park) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2021 No.11

수소 충전용 왕복동식 압축기의 진동 해석

김효중(Hyo Jung Kim),정한얼(Han Eol Jeong),구동식(Dong Sik Gu),김학은(Hak Eun Kim),최병근(Byeong Keun Choi) 대한기계학회 2006 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2006 No.6

The noise and vibration of reciprocating hydrogen compressor is occurred by the pulsation caused by the mechanism. And the noise and vibration have a bed effect on machine and working condition. The compressor is analyzed to use the MSC/NASTRAN for studying characteristic of vibration. So, find and parallel each mode of crank case and crank & cylinder case through free vibration analysis. And find response of vibration about Crank case's pulsation through forced vibration analysis.

수소충전소 운영 현황 및 국산화 기술 확보 전략

구영모(Youngmo Goo),최경진(Kyungjin Choi) 한국신재생에너지학회 2019 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.5

수소압축기용 스너버 내부 압력특성에 관한 수치해석

심규진(K. J. Shim),이중섭(C. S. Yi),악바르 완다 달리(W. A. Akbar),정한식(H. S. Chung),정효민(H. M. Jeong),이철재(C. J. Lee) 한국동력기계공학회 2007 동력시스템공학회지 Vol.11 No.1