연료전지자동차의 고압수소저장시스템 신뢰성 평가
장규진*
†, 최영민*, 안병기*, 임태원*
*현대기아자동차 연구개발본부
The Evaluation of Reliability for the High Pressure Hydrogen Storage System of Fuel Cell Vehicle
GYUJIN JANG*
†, YOUNGMIN CHOI*, BYUNGKI AHN*, TAEWON LIM*
*Research & Development Division, Hyundai Motor Compan, Mabuk-dong Giheung-gu, Youngin-Si, Gyeonggi-do, 440-746, Korea
ABSTRACT
The performance improvement of each part for durability, safety and cost of high pressure storage system for fuel cell vehicle has been focused so far. However, for the mass production of fuel cell vehicle, it is necessary to evaluate durability and safety in system module and vehicle level. The test procedure to evaluate vibration and collision safety of high pressure hydrogen storage system for the fuel cell vehicle is established and its reliability is verified.
KEY WORDS : hydrogen storage system(
수소저장시스템), vibration durability test(
진동내구시험), sled impact test(
대차충격시험), vehicle rear collision test(
실차후방충돌시험), vehicle side collision test(
실차측면충돌시험)
†
Corresponding author : [email protected] Nomenclature
g : acceleration of gravity , 9.8 m/s 2
Subscripts
MAST : multi-axial simulation table
1. 서 론
지구 온난화, 대기 오염 등의 환경 문제로의 관 심이 높아짐에 따라, 온난화의 원인이 되는 이산화 탄소를 대폭 삭감하고, 유해한 배기가스를 배출하 지 않는 연료전지자동차가 주목 받고 있다.
Fig. 1 Test sample & jig on MAST
샘플준비 및 기밀시험 (@30, 350bar)
공진시험 (40Hz@_xz축,20Hz@y축)
YesÅ공진여부 확인ÆNo
풀림(@공진주파수_3축) 피로(@공진주파수_z축)
풀림(40Hz@_xz축,20Hz@y축) 피로(40Hz@_z축)
손상정도 확인 및 기밀 평가 (@ 30, 350bar)
최종 판정 He 30bar충전
최대주파수에서 시험평가
Fig. 2 Flow chart of vibration durability testing procedure
하지만, 연료전지 자동차는 차량이나 부품의 시 험 방법에 통일된 기준/표준/시험법이 아직 완전 하게 정비되어 있지 않고, 시장에서의 도입 제도, 기준 등이 정비되어 있지 않다. 특히, 궁극적으로 청정 연료로 인식되는 수소를 사용하는 연료전지 자동차에 관해서는, 지금까지 자동차 관련 분야에 서 연료로 수소를 사용한 경험이 많지 않기 때문 에, 실용상의 안전성에 관한 문제점이 불분명한 점 도 적지 않다. 또한, 지금까지는 연료전지자동차용 고압수소저장시스템에 대한 내구성, 안전성, 가격 경쟁력 확보를 위하여 각각 구성되고 있는 부품 별 성능 개선에 집중되어 왔다. 그러나 궁극적으로 연료전지 차량이 양산화 시점에서 경쟁력과 상품 성을 갖기 위해서는 각 부품들이 모듈화 되어 있 는 차량 상태에서의 내구성 및 안전성의 평가가 필요하다.
이와 같은 상황을 바탕으로, 연료전지자동차용 고압수소저장시스템에 대하여 차량의 운행 기간 동안에 수소 누출 및 파손 없이 제 성능을 만족해 야 함을 검증하기 위해 본 연구에서는 연료전지차 량의 고압수소저장시스템 모듈에 대한 진동 및 충 돌 안전성에 대한 평가 방안을 도출하고, 현재 현 대/기아자동차가 개발하여 운행중인 연료전지차량 의 고압수소저장시스템을 평가함으로써 이 시스템 에 대한 안전성과 신뢰성을 검증하였다.
2. 본론
2.1 진동 내구 시험
진동에 의해 대상 부품이 큰 영향을 받는 경우 진동 내구시험을 통해 신뢰성을 확보하게 된다.
1)
진동에 의해 큰 영향을 받는 경우란, 힘에 의해 응 력이나 모멘트가 걸리는 경우, 열에 의한 변형 보 다는 진동에 의해 파손 혹은 피로 손상도가 발생 하여 작동에 이상이 생기는 확률이 현저하게 높은 경우를 뜻한다. 특히나 35MPa의 고압 배관으로 연결된 고압수소저장시스템은 이러한 진동 내구에 의해 연결부의 볼트나 피팅 등의 풀림으로 인한 체결력 저하로 성능저하가 생기거나, 진동에 의하 여 관성력이 발생하여 응력의 형태로 대상 부품에 지속적인 영향을 주어 결국 피로 파괴를 일으키는 경우가 예상된다. 따라서 본 연구에서는 기존 LPG나 CNG 차량의 진동내구 시험기준인 “Test procedure for fuel gas container(TRIAS 7-1996)"을 적용하여 고압수소저장시스템을 평가함
Fig. 4 Inspection of test sample after vibration test (a) Vertical
(b) Transverse
(c) Longitudinal
Fig. 3 The result of resonance test
으로써 시스템의 내구성 및 신뢰성을 검증하였다.
2.1.1 진동내구시험기 개요 및 시험절차
Fig. 1과 Fig. 2는 본 시험에 사용한 MTS multi-axial simulation table(MAST, MST사의 6-축 자유진동시험기)에 시험 샘플을 설치한 것과 이와 관련한 시험 절차를 보여준다. 시험 전⋅후 에 수소 35MPa로 기밀성을 평가하고, 시험중에는 헬륨을 3MPa로 채워서 기밀성을 확인한다. 기타 시험방법은 “Test procedure for fuel gas Container(TRIAS 7-1996)"에 준하여 시험하였다.2.1.2 진동내구시험
Fig. 3는 차량의 주파수에 따라 공진하는 고압 수소저장시스템의 특정 주파수 확인한 시험 결과 이다. 상하진동의 공진주파수는 상하 : 27.5Hz, 좌 우 : 20Hz, 전후 : 21.6Hz로 40Hz미만의 영역 대에 서 형성되었음을 보여준다.
Fig. 4는 고압수소저장시스템을 확인된 공진주 파수에서 상하/전후/좌우 각 세 방향으로 40만회, 그리고 가속도는 4.9 m/s
2
(0.5g)로 마운팅디바이 스(볼트 및 피팅 등)의 풀림 정도를 확인하는 풀림 시험을 진행한 후, 다시 Table 1의 피로시험 가진 프로파일로 상하방향 진동을 진행시켜 차체에 고 정되는 부위의 강도를 확인한다. Fig. 4는 시험 후No 구분 모사방법(충돌속도, kph) 시험규격
1 정면
충돌 Sled Impact Test(75) 사내규격
2 후방
충돌 Vehicle Rear Collision Test(48) FMVSS 301
3 측면
충돌 Vehicle Side Collision Test(54) FMVSS 305 Table 3 Type of the collision simulation
No 점 검 항 목 결 과
1 공진주파수 확인 Fig.3에 표시
2 풀림 시험후 풀림, 손상 여부 없음
3 피로 시험후 풀림, 손상 여부 없음
Table 2 The result of vibration durability test
가진순서 가속도, m/s2 (g) 반복 회수
1 ±19.6 (±2g) 1,000
2 ±14.7 (±1.5g) 9,000
3 ±9.8 (±1g) 90,000
4 ±5.9 (±0.6g) 2,900,000
Table 1 The fatigue test program
샘플에 대한 점검 결과를 보여주는 사진인데 시험 전 체결부의 볼트 및 피팅의 위치를 유성 펜으로 표시하여, 시험 후 풀림에 따른 표시선의 어긋난 정도를 확인하였다. Fig. 4에서 보여주는 바와 같 이, 시험 전후 표시선의 위치가 변함이 없어, 볼트 및 피팅이 전혀 풀리지 않았음을 확인할 수 있었 다. Table 2는 고압수소저장시스템의 진동내구시 험 판정 결과를 나타낸 것이다.
2.2 충돌 시험
자동차제작사에서는 차량 운행 중에 벌어지는 각종 충돌로부터 승객을 보호하기 위하여 북미의 FMVSS(federal motor vehicle safety standard)와 같은 법적 규정에 따른 시험을 수행하고, 생산되는 모든 승용 차량에 대해 만족하도록 설계 및 제작 을 하고 있다. 이중 연료장치의 충돌 안전성과 관 련된 북미 후방충돌법규(FMVSS 301)는 후방 충 돌에 의한 연료계의 파손에 따른 연료누출로 인한 화재사고 방지를 목적으로 제정되었다. 또한 수소 저장시스템의 안전밸브류들이 밀집되어 있는 자동 차 측면쪽의 충격량에 대한 신뢰성이 중요해짐에 따라 측면충돌법규(FMVSS 305)가 제정되었다.
한편, 최근 자동차제조사에서는 충격량이 후방 충 돌시 보다도 큰 전방충돌에서 충돌시 발생하는 관성력 또는 에너지가 연료장치에 작용함으로써 연료장치의 연료가 누출이 되는 지를 자체적으로 평가하는 경향이 있다. 따라서, 본 연구에서는 차 량용 고압 수소 저장 시스템이 차량의 후방에 장 착되기 때문에 전방충돌의 경우에는, 시스템 변형
이 크지 않고 관성에 의한 충격량 만이 시스템에 영향을 줄 것으로 판단되어 sled impact test로 신 뢰성을 확인하고, 후방 및 측면 충돌의 경우에는 연료전지차량으로 개조한 샘플카에 대하여 실차 후방 및 측면 충돌시험을 수행하여 고압 수소 저 장 시스템의 전후방 및 측면 충돌 안전성을 확인 하였다.
2-4)
2.2.1 시험방법
Table 3은 본 연구에서 수행한 충돌 시험 조건 을 나타낸다. Fig. 5(a)에서는 sled impact test 설 비 및 시험 샘플 장착 형태를 보여준다. Sled 정반 위에 고압수소저장시스템을 장착하여 시험을 수행 하였다. Fig. 5(b)는 실차충돌시험에 사용한 시험 샘플카를 보여준다. 실차 충돌중에 고압수소저장 시스템의 압력센서, 온도센서, 내장형 고압 솔레노 이드 밸브의 측정 및 제어를 위한 engineering terminal(이하‘ET'라고 함)과 만일 ET가 충돌시에 손상을 입어 고장이 났을 경우를 대비하여 별도의
(b) Vehicle rear and side collision test set-up
Fig. 5 Collision simulation test set-up (a) Sled impact test set-up
샘 플 카 준 비 및 기 밀 시 험
( @ 3 0 , 3 5 0 b a r )
S l e d 충 격 / 실 차 충 돌
시 험 전 / 후
- 압 력 변 화 량 모 니 터 링
손 상 정 도 확 인 및 기 밀 평 가
( @ 3 0 , 3 5 0 b a r )
최 종 판 정
H e 3 0 b a r 충 전
Fig. 6 Flow chart of collision simulation testing procedure
데이더 수집 장치를 장착하였다. 이와는 별도로 충 돌시 샘플카에 장착된 주요 부품의 가속도 변화량 을 측정하기 위한 충돌차량용 데이터 수집장치가 장착되어 있음을 보여준다.
Fig. 6은 대차 충격 시험과 실차 충돌시험을 수 행하는 시험절차를 보여준다. 시험 전⋅후에 수소 를 용기에 35MPa로 기밀성을 평가하고, 시험중에 는 헬륨을 3MPa로 채워서 기밀성을 확인한다.
2.2.2 Sled impact test 결과
Fig. 7은 Sled impact test시 가속도계 부착위치 를 나타내고 있다. Jig전후방을 기준으로 최전방 쪽에 위치한 74ℓ탱크(이하 ‘탱크 #1’ 라고 함), 39 ℓ탱크(이하 ‘탱크 #2’ 라고함)에 각각 1개, 후방에 위치한 39ℓ탱크(이하 ‘탱크 #3’ 라고 함)에 2개 그 리고 고압수소저장시스템이 장착되어 있는 jig의 중심부에 1개의 가속도계를 부착 하였다. Fig. 8
은 sled impact test시 시간대 가속도량의 변화 선 도를 보여준다. Sled impact test시 장착된 탱크 와 jig가 시간에 대한 가속도 변화량이 유사하게 나타나고 있음을 보여준다. 다만 탱크 #2가 가장 큰 충격량을 보이고 있는 것은 sled impact test시 에 탱크 #2의 장착 부위가 충격으로 변형이 되어 가속도값이 다소 높아진 것으로 판단된다. Fig. 9 는 sled impact test시 촬영한 고속비디오 사진이 며, Fig. 10은 영상 분석을 통하여 얻어진 탱크 #2의
Tank#1 Tank#2 Tank#3
Fig. 7 Marking tank number for sled impact test
-20mm
-10mm
< 0 ms > < 20 ms > < 40 ms >
< 60 ms > < 80 ms > <100 ms >
Fig. 9 Side view during sled impact test
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
-10 0 10 20 30 40 50 60
Acceleration(G)
Time(sec) SLED JIG 74L_TANK #1_Front 39L_TANK #2_Rear 39L_TANK #3_Front 39L_TANK #3_Rear
Fig. 8 Variation of acceleration by time
위치 이동량을 나타낸다. 장착지그 기준으로 상하 방향으로 10mm, 전후방향으로 20mm 이동하였으 나, 부품의 파손이나 이탈은 관찰 할 수 없었다.
Fig. 11은 sled impact test전후의 시간에 따른 압력 변화량 값을 나타낸다. Fig. 11에서 보여진 바와 같이 압력 변화는 나타나지 않았다. 이러한 사실로부터 sled impact test 후에 충격량으로 인 한 연료 누출은 없었음을 확인할 수 있었다.
2.2.3 후방 실차 충돌 시험 결과
Fig. 12은 실차 후방 충돌 시험 상황을 고속 비 디오 촬영기로 분석한 결과를 보여주고 있다.
실차 후방 충돌시험에 의해 얻어진 차체중심 탱크 #1, 탱크 #2, 탱크 #3의 3축 합성가속도-시간 선도를 Fig. 13에 나타내었다. 차체중심, 탱크 #1, 탱크 #2 의 가속도는 유사하게 나타났으나, 탱크
#3의 3축 합성 가속도는 실차 후방 충돌 후 높아지 고 있음을 보인다. 탱크 #3축 합성가속도가 높아지 고 있는 이유는 실차 후방 충돌에 따른 탱크의 장 착부위 변형에 의한 것으로 판단 된다.
Fig. 14는 실차 후방 충돌 전후의 시간-압력 선 도를 나타낸다. 이것으로 부터 본 연구에서는 실차 후방 충돌 후에도 고압수소저장시스템에 가스 누 설이 없었음을 확인할 수 있었다.
Fig. 15에 실차 후방 충돌 시험 전후의 수소저 장시스템(Tank #1, #2, #3 포함)의 위치 변동 상황 을 나타내었다. 수소저장시스템과 차량과의 위치 관계를 파악하기 위하여 3차원 측정기를 이용하여 시험 전후 좌표 변화량을 측정한 결과, 수소 충전 입구로 부터 탱크 #3으로 위치 변화가 집중 되고 있
< 0 ms > < 20 ms > < 40 ms >
< 60 ms > < 80 ms > <100 ms >
Fig. 12 Side view during vehicle rear collision
-0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 -40
-30 -20 -10 0 10 20 30
Tank #2X_Moving Displacement (mm)
Time(sec) Tank #2 X_Moving Displacement (mm)
(a) Vertical
-0.05 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 -40
-30 -20 -10 0 10 20 30
Tank #2 Y_Moving Displacement (mm)
Time(sec) Tank #2 Y_Moving Displacement (mm)
(b) Longitudinal
Fig. 10 Variation of tank position by time
300 600 900 1200 1500
0 10 20 30 40 50
0 5 10 15 20
Low Pressure sensor
High Pressure sensor
Pressure(bar)
Time
Fig. 11 Variation of tank & line pressure by time
-50 0 50 100 150 200 250
0 50 100 150 200 250 (ms)300
(m/s2)
탱크3 탱크2 탱크1 차체중심
Fig. 13 Variation of acceleration by time (rear collision)
- Tank #1 Valve contact max. force (kN): 31.39 - Tank #1 Valve contact max. force (kN): 46.81
2) Case 2: Side Impact Test (표준+600mm) 1) Case 1: Side Impact Test (표준)
- Tank #1 Valve contact max. force (kN): 31.39 - Tank #1 Valve contact max. force (kN): 46.81
2) Case 2: Side Impact Test (표준+600mm) 1) Case 1: Side Impact Test (표준)
600 mm (표준)
Fig. 16 Comparison of side impact test analysis
0 20 40 60 80 100 120
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36
10 11 12 13 14 15 16 17 18
High pressure sensor
START
Pressure (bar)
Time (min)
Low pressure sensorFig. 14 Variation of tank & line pressure by time
고, 차량 전면부로 갈수록 변형이 감소하고 있음을 알 수 있었다. 최대 위치 변화량은 탱크 #3이 윗 방향으로 약20mm, 전방으로 약150mm 이동하였 음을 보여준다.
2.2.4 측면 실차 충돌 시험 결과
Fig. 16은 실차 측면 충돌 시험 해석을 비교한 것이다. 표준 타격 위치와 고압수소저장시스템의
Fig. 15 Displacement before & after rear collision
안전밸브 쪽으로 600mm 치우쳐 충돌하였을 경우 를 비교한 결과 표준 타격 위치가 고압수소저장시 스템에 더 큰 충격을 가한다는 결과를 얻었다.
600mm 치우친 충돌의 경우 타이어와 RR SUSP 부에 충격 하중이 분산되어 타격량이 적은 것으로 판단되며, 실차 측면 충돌 시험시 충격량이 큰 표
< 0 ms >
<200 ms > <250 ms >
<150 ms >
<50 ms > <100 ms >
Fig. 17 Iso view during vehicle side collision
0 20 40 60 80 100 120 140
(ms) (kgm/s2)
탱크3 탱크2 탱크1 차체중심
Fig. 18 Variation of acceleration by time during side collision Fig. 19 Variation of tank & line pressure by time
준 모드로 시험하였다.
Fig. 17은 실차 측면 충돌 시험 상황을 고속 비 디오 촬영기로 분석한 결과를 보여주고 있다. 실차 측면 충돌시험에 의해 얻어진 차체중심, 탱크 #1, 탱크 #2, 탱크 #3의 가속도-시간 선도를 Fig. 18에 나타내었다. 측면 충돌 대차와 가장 가까운 거리에 있는 탱크 #1의 가속도가 가장 크게 나타남을 알 수 있다.
Fig. 19는 실차 측면 충돌 전후의 시간-압력 선 도를 나타낸다. 충돌 후 90분간 압력을 모니터링한
결과 실차 측면 충돌 후에도 고압수소저장시스템 에 가스 누설이 없음을 확인할 수 있었다. 또한 측 면 충돌시 충돌센서가 정상적으로 작동하여 탱크 솔레노이드 밸브를 닫아주었음을 확인하였다.
Fig. 20에 실차 측면 충돌 시험 후 각 위치의 변 위량을 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 충격량 이 가장 큰 탱크 #1의 경우 충돌 방향으로의 최대 변위량은 2mm에 불과하다. 이는 측면 충돌 시 차 량의 side member가 충격량을 흡수하기 때문인 것으로 사료된다.
Fig. 20 Displacement of each position after side collision
3. 결 론
연료전지자동차용 고압수소저장시스템에 대하 여 차량의 운행 및 전후측면 충돌시에 수소 누출 및 파손 없이 제 성능을 만족해야 함을 검증하기 위해 본 진동 및 충돌시험 평가를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) "Test procedure for fuel gas container(TRIAS 7-1996)"에 준하여 고압수소저장시스템에 대한 진동시험을 한 결과, 풀림이나 손상 및 수소 가 스 누출이 없었음을 확인할 수 있었으며, 공진 주파수는 상하 30.4Hz, 좌우 20Hz, 전후 21.6Hz 로 40Hz 미만의 영역 대에서 형성되었다.
2) 현대기아자동차 사내 규격에 의거 고압수소저 장시스템의 전방 충돌을 모사한 sled impact test결과, 부품의 이탈이나 파손이 없었으며 시 험 전후의 압력 변화량이 없어 수소 가스 누출 이 없음을 확인할 수 있었다.
3) FMVSS 301 및 305 규정에 의거 고압수소저장 시스템에 대한 실차 후방 및 측면 충돌을 수행 한 결과, 시험 전후의 압력 변화량이 없어 수소 가스 누출에 대한 안전성을 검증 할 수 있었고, 시험 후에도 모든 부품이 정상 작동함을 확인 할 수 있었다.
후 기
본 연구 내용은 지식경제부 신재생에너지개발
사업 의 프로젝트개발사업중, “연료전지차량용 고 압수소저장시스템 개발 및 실증”과제의 일환으로 수행한 결과로서, 이 같은 성과를 낼 수 있도록 지 원을 하여주신 지식경제부, 에너지관리공단 그리 고 수소연료전지사업단 관계자분들에게 깊이 감사 드립니다.
참 고 문 헌
