KR102236150B1 - 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법 - Google Patents

수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102236150B1
KR102236150B1 KR1020190018597A KR20190018597A KR102236150B1 KR 102236150 B1 KR102236150 B1 KR 102236150B1 KR 1020190018597 A KR1020190018597 A KR 1020190018597A KR 20190018597 A KR20190018597 A KR 20190018597A KR 102236150 B1 KR102236150 B1 KR 102236150B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen storage
estimating
temperature
calorific value
thermal analysis
Prior art date
Application number
KR1020190018597A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20200100381A (ko
Inventor
조성백
노희숙
이봉재
김중배
한광우
권용근
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020190018597A priority Critical patent/KR102236150B1/ko
Publication of KR20200100381A publication Critical patent/KR20200100381A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102236150B1 publication Critical patent/KR102236150B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F17C11/005—Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C13/00—Details of vessels or of the filling or discharging of vessels
    • F17C13/02—Special adaptations of indicating, measuring, or monitoring equipment
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C6/00—Methods and apparatus for filling vessels not under pressure with liquefied or solidified gases
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
    • G06F17/10—Complex mathematical operations
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2221/00—Handled fluid, in particular type of fluid
    • F17C2221/01—Pure fluids
    • F17C2221/012—Hydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2250/00—Accessories; Control means; Indicating, measuring or monitoring of parameters
    • F17C2250/04—Indicating or measuring of parameters as input values
    • F17C2250/0404—Parameters indicated or measured
    • F17C2250/0439—Temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17C—VESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C2250/00—Accessories; Control means; Indicating, measuring or monitoring of parameters
    • F17C2250/06—Controlling or regulating of parameters as output values
    • F17C2250/0689—Methods for controlling or regulating
    • F17C2250/0694—Methods for controlling or regulating with calculations
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mathematical Physics (AREA)
  • Data Mining & Analysis (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Databases & Information Systems (AREA)
  • Software Systems (AREA)
  • Algebra (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)

Abstract

본 발명은, 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 수소저장 실험을 통해서 시간에 따른 수소저장장치의 온도 및 수소 충전량을 측정하는 측정 단계; 상기 수소 충전량과 이론적 엔탈피를 이용하여 발열량을 계산하고, 이를 상기 실험과 동일한 해석 모델에 대입하고 열해석하는 제1 열해석 단계; 상기 제1 열해석 단계를 통해 얻은 특정 지점의 온도와 상기 측정 단계에서 측정된 온도를 이용해 발열량을 추산(fitting)하는 제1 추산 단계; 및 상기 제1 추산 단계에서 획득한 최종 발열량을 이용해 열해석하고, 충전 가용부피를 추산하는 제2 추산 단계;를 포함하는, 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법에 관한 것이다.

Description

수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법{METHOD FOR ESTIMATING HEAT GENERATION AND CHARGEABLE VOLUME OF HYDROGEN ENERGY SYSTEM WITH METAL HYDRIDE}
본 발명은, 수소저장합금을 이용한 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법에 관한 것이다.
수소는 자원이 풍부하며 다른 형태로의 에너지 전환이 쉽고 에너지 저장 매체로도 뛰어난 장점을 가지고 있어 화석 연료를 대체할 유력한 미래의 에너지원으로 기대되고 있다. 그러나 수소는 상온, 상압에서 기체로 존재하기 때문에 체적당 에너지 밀도가 낮고, 저장, 운반이 불편하다는 문제점을 가지고 있다. 이 문제점을 해결하기 위해, 부피저장밀도가 가장 우수하고 상온 상압 부근에서 가역적으로 수소의 흡수 및 방출이 가능한 특징을 가지고 있는 수소저장합금을 이용한 수소저장에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
수소가 합금에 (또는, 수소저장합금로부터) 흡수 (또는 방출)되는 속도는 반응에 수반되는 발열(또는 흡열)에 의해 점차 느려지게 되어 저장 (또는 방출) 효율성을 저하시킨다. 따라서, 내부의 열을 외부로 원활하게 방출시킬 수 있는 구조를 가진 수소저장합금 저장장치 설계가 중요한 기술이 된다.
한편, 도 1을 살펴보면, 수소저장합금은 특정 온도 조건에서 특정 수소 압력 이하로 수소 충전이 불가능하다. 따라서 수소저장합금 내 고온영역부분이 존재하여 시간에 따라 수소 충전(저장)이 가능한 수소저장합금의 가용 부피가 변화할 수 있으므로, 수소저장장치의 효율적인 운전 및 제어를 위해서는 충전 가용부피를 추산하여 이를 최소화하는 방향으로 수소저장합금 저장장치를 설계해야 한다.
수소저장합금에서는 부피에서 발열이 일어나고, 수소저장합금의 열전도도가 단열재에 가까울 만큼 굉장히 낮기 때문에 수소저장합금의 수소 충전 과정에서 국부 고온부는 광범위하게 발생한다. 따라서, 수소저장합금 저장장치의 설계는 이러한 국부 고온부를 피하도록 이루어져야 하고, 수소저장합금 내 열설계가 필요한 부분을 확인하고 열관리의 적용 방향을 결정하기 위해 수소저장장치의 충전 가용 부피 추산이 필수적이다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 정확한 발열량 추산과 실제 실험에 근접한 열해석 모델을 구축할 수 있는, 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 수소저장 실험을 통해서 시간에 따른 수소저장장치의 온도 및 수소 충전량을 측정하는 측정 단계; 상기 수소 충전량과 이론적 엔탈피를 이용하여 발열량을 계산하고, 이를 상기 실험과 동일한 해석 모델에 대입하고 열해석하는 제1 열해석 단계; 상기 제1 열해석 단계를 통해 얻은 특정 지점의 온도와 상기 측정 단계에서 측정된 온도를 이용해 발열량을 추산(fitting)하는 제1 추산 단계; 및 상기 제1 추산 단계에서 획득한 최종 발열량을 이용해 열해석하고, 충전 가용부피를 추산하는 제2 추산 단계;를 포함하는, 수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 측정 단계는, 상기 수소저장장치의 복수 개의 지점의 온도를 측정하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 측정 단계는, 수소저장 실험을 통해서 상기 수소저장창지의 기준 온도를 측정하고, 상기 기준 온도는, 상기 측정 단계에서 측정된 수소저장장치의 복수 개의 지점의 온도 중 가장 높은 값의 온도인 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 측정 단계는, 상기 수소저장장치 내의 수소저장합금에 소정의 압력 조건으로 수소를 공급하여 충전하면서 상기 수소저장장치의 온도를 측정하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 측정 단계는, 유량계를 통하여 수소 충전량을 측정하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 열해석 단계는, 하기의 식 1에 따라 상기 측정 단계에서 측정된 수소 충전량에 이론적 형성 엔탈피를 곱하여 발열량을 계산하는 것일 수 있다.
[식 1]
Figure 112019016823194-pat00001
(
Figure 112019016823194-pat00002
은 수소 질량 변화량 (H2 mass flow rate)이고,
Figure 112019016823194-pat00003
는 충전되는 수소 1 g 당 형성 엔탈피이다.)
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 열해석 단계는, 계산된 발열량을 이용하여 실제 외부 조건과 동일한 조건으로 열해석하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 열해석 단계는, 계산된 발열량을 이용하여 실제 외부 조건과 동일한 조건으로 열해석하여 시간에 따른 수소저장합금 내 온도 분포를 출력하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 열해석단계는, ANASYS를 통해 열해석하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 추산 단계는, 동일한 지점의 시간 및 온도를 기준으로 반복하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법은, 상기 제1 추산 단계에서 추산된 발열량을 열해석하여 시간에 따른 온도 분포 결과에서 실험 온도와 해석 온도를 비교하고 발열량을 결정하는 제2 열해석 단계를 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 추산 단계는, 복수 회 반복하여 제1 열해석 단계에서 대입한 발열량을 추산하여 최종 발열량을 결정하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제1 추산 단계는, 식 2 또는 식 3에 따른 온도 비율을 보정 인자(factor)로 적용하여 열해석을 위한 발열량
Figure 112019016823194-pat00004
을 추산하는 것일 수 있다.
[식 2]
Figure 112019016823194-pat00005
[식 3]
Figure 112019016823194-pat00006
(식 2 및 식 3에서
Figure 112019016823194-pat00007
는 해석 상의 발열량,
Figure 112019016823194-pat00008
,
Figure 112019016823194-pat00009
, n은 무게(weight)이다.)
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 제2 추산 단계는, 열해석을 통하여 수소저장 합금 내 온도 분포 결과를 산출하고, 상기 결과에서 수소충전합에 해당하는 수소저장합금의 평형 온도보다 높은 부분의 부피는 비가용 부피로 판단하고, 상기 평형 온도보다 낮은 부분의 부피를 가용 부피로 판단하여 시간에 따른 충전 가용부피를 추산하는 것일 수 있다.
본 발명은, 열해석에 조건을 부여하기 위한 새로운 화학적 물정치의 측정하기 위한 추가적인 화학반응 실험 없이 발열량 및 충전 가용 부피 추산이 가능하다.
본 발명은, 수소저장장치의 열해석이 가능하고, 에너지저장효율과 충방전 특성을 용이하게 예측할 수 있고, 더욱이, 본 발명에 의한 추산 방법과 최적화 기법을 동시에 활용하여 유량제어에 적용할 수 있고, 이를 이용하여 수소저장장치의 고속 충전을 실현할 수 있다.
도 1은, 종래의 수소저장장치 내에서 수소압력 및 조성 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 제1 열해석 단계에서 수행되는 계산 결과를 예시적으로 나타낸 것이다.
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 제1 추산 단계에서 추산된 발열량을 시간에 따라 나열한 결과를 나타낸 것이다.
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 측정 단계에서 측정된 실제 온도 및 제1 열해석 단계 및 제2 열해석 단계에서 열해석된 온도의 시간에 따른 분포를 나타낸 것이다.
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 제2 열해석 단계에 의한 수소저장합금 내 온도 분포 결과를 나타낸 것이다.
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 제2 열해석 단계에 의해 시간에 따른 기준 온도 이하의 가용부피 비율의 계산 결과를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명은, 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따라, 도 2를 참조하여 설명하며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법의 흐름도이다.
도 2에서 상기 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법은, 수소저장장치의 온도 및 수소 충전량을 측정하는 측정 단계(100); 발열량을 계산하고 열해석하는 제1 열해석 단계(200); 온도를 이용하여 발열량을 추산하는 제1 추산 단계(300); 및 추산된 발열량을 이용해 열해석하고 충전 가용부피를 추산하는 제2 추산 단계(400);를 포함하고, 제2 열해석 단계(500);을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 수소저장장치의 온도 및 수소 충전량을 측정하는 측정 단계(100)는, 수소저장 실험을 통해서 시간에 따른 수소저장장치의 온도 및 수소 충전량을 측정하는 단계이다.
상기 수소 충전량은 유량계를 통해 측정되고, 상기 수소소장 실험은, 상기 수소저장장치 내의 수소저장합금에 소정의 압력 조건으로 수소를 공급하여 충전하면서 상기 수소저장장치의 온도를 측정할 수 있다.
상기 수소저장장치의 온도는, 단일 또는 복수 개의 지점의 온도를 측정할 수 있고, 바람직하게는 제1 추산 단계(300) 및 제2 추산 단계(400)에서 발열량 추산에 적용하기 위해, 상기 수소저장장치의 복수 개의 지점의 온도를 측정할 수 있다. 상기 측정된 수소저장장치의 복수 개의 지점의 온도 중 가장 높은 값을 기준 온도를 설정할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 수소저장장치를 열해석하는 제1 열해석 단계 (200)는, 측정 단계(100)에서 획득한 상기 수소 충전량과 이론적 엔탈피를 이용하여 발열량을 계산하여 이를 상기 실험과 동일한 해석 모델에 대입하고 열해석하는 단계이다.
즉, 제1 열해석 단계(200)는, 하기의 식 1에 따라 측정 단계(100)에서 유량계로 측정된 수소 충전량에 이론적 형성 엔탈피를 곱하여 발열량을 계산할 수 있다.
[식 1]
Figure 112019016823194-pat00010
(
Figure 112019016823194-pat00011
은 수소 질량 변화량 (H2 mass flow rate)이고,
Figure 112019016823194-pat00012
는 충전되는 수소 1 g 당 형성 엔탈피이다.)
보다 구체적으로, 도 3을 참조하면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 제1 열해석 단계(200)에서 수행되는 계산 결과를 예시적으로 나타낸 것으로, 상기 이론적 형성 엔탈피(
Figure 112019016823194-pat00013
)는 수소 1 g 당 형성 엔탈피를 의미하고,
Figure 112019016823194-pat00014
가 -10 kj/g인 경우에 유량계(mass flow rate)로 측정된 시간에 따른 수소 질량 변화량 (
Figure 112019016823194-pat00015
을 식 1에 대입하여 1차 발열량을 계산하고 이를 시간에 따른 발열량 분포로 나타낼 수 있다.
제1 열해석 단계(200)는, 상기 계산된 발열량을 이용하여 실제 외부 조건과 동일한 조건으로 열해석하고, 시간에 따른 수소저장합금 내 온도 분포를 출력할 수 있다. 예를 들어, ANASYS를 통해 열해석하여 시간에 따른 수소저장합금 내 온도 분포를 출력할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 온도를 이용하여 발열량을 추산하는 제1 추산 단계(300)는, 제1 열해석 단계(200)를 통해 얻은 특정 지점의 온도와 측정 단계(100)에서 측정된 온도를 통하여 발열량을 추산(fitting)하는 단계이다.
이는, 제1 열해석 단계(200)에서 열해석으로 계산된 온도를 기반으로 제1 열해석 단계(200)에서 계산된 발열량 (이하, 해석 상의 발열량)을 측정 단계(100)에서 측정된 발열량 (이하, 실험 상의 발열량)에 비교하고 맞추어 추산할 수 있다. 이러한 추산 과정은 동일한 지점의 온도를 기준으로 수행되고, 단순한 알고리즘을 통해서 이루어질 수 있다.
즉, 실험 상의 발열량과 해석 상의 발열량을 시간에 따라 나열하고, 기준으로 삼은 지점의 해석 상의 온도가 실험 상의 온도 보다 더 높을 경우에는 해석 상의 발열량을 두 온도 차의 비(실험 상의 온도/해석 상의 온도)만큼 증가시키고, 해석 상의 발열량이 더 높을 경우에는 해석 상의 발열량을 두 온도 차의 비(해석온도/실험온도)만큼 감소시키는 알고리즘을 통해 정확한 발열량을 추산할 수 있다.
예를 들어, 제1 추산 단계(300)는, 식 2 또는 식 3에 따른 온도 비율을 보정 인자(factor)로 적용하여 열해석을 위한 발열량
Figure 112019016823194-pat00016
을 추산할 수 있다.
[식 2]
Figure 112019016823194-pat00017
[식 3]
Figure 112019016823194-pat00018
(식 2 및 식 3에서
Figure 112019016823194-pat00019
는 해석 상의 발열량,
Figure 112019016823194-pat00020
,
Figure 112019016823194-pat00021
, n은 무게(weight)이다.)
즉, 식 2에서 동일한 시간, 동일한 위치에 해당하는 해석 상의 발열량을
Figure 112019016823194-pat00022
, 온도를
Figure 112019016823194-pat00023
이며, 실험 상의 발열량을
Figure 112019016823194-pat00024
, 온도를
Figure 112019016823194-pat00025
라고 하면
Figure 112019016823194-pat00026
와 같이 온도 비율을 보정 인자로 적용하여 다음의 열해석(예를 들어, 제2 열해석 단계 및 제2 추산 단계)을 위한 발열량
Figure 112019016823194-pat00027
을 추산할 수 있다. 더욱이, 식 3과 같이, n의 “무게”를 더 추가하여 추산을 진행할 수 있다.
이러한 추산 결과는, 도 4에서 확인할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 추산 단계(300)에서 추산된 발열량을 시간에 따라 나열한 결과를 나타낸 것으로, 도 4를 살펴보면, 제1 열해석 단계(200)에서 수소 충전량을 기반으로 해석된 발열량(질량 기준 발열량)은, 식 2 또는 식 3의 추산 과정에 의해 “온도 기준 발열량”으으로 추산된다. 도 4에서 추산을 통하여 최종적으로 얻은 발열량(온도 기준 발열량) 및 제1 열해석 단계(200)에서 수소 충전량을 기반으로 해석된 발열량(질량 기준 발열량)의 차이점을 확인할 수 있다.
제1 추산 단계(300)는 MATLAB 또는 본 발명의 기술 분야에서 적용 가능한 소프트웨어를 이용하여 상기 식 2 및 식 3에 의해 발열량을 추산할 수 있다.
제1 추산 단계(300)는, 동일한 지점의 시간 및 온도를 기준으로 반복하고, 제1 추산 단계(300)는, 복수 회 반복하여 제1 열해석 단계(200)에서 대입한 발열량을 추산하여 최종 발열량을 결정할 수 있다.
또한, 제2 열해석 단계(500)은, 제1 추산 단계(300)에서 추산된 발열량을 열해석하여 시간에 따른 온도 분포 결과를 출력하는 단계이며, 이러한 출력 결과에서 실험 온도와 해석 온도를 비교하여 이들이 일치하는 열해석 모델을 구축할 수 있다.
즉, 제2 열해석 단계(500)는, 제1 추산 단계(300)에서 추산된 발열량 값을 이용하여 열해석하고, 이러한 열해석의 결과에서 해석 온도와 실제 실험 온도가 같아질 때까지 제1 추산 단계(300) 및 제2 열해석 단계(500)는 반복하여 최종 발열량을 추산할 수 있다. 또한, 제2 열해석 단계(500)은 최종 발열량을 열해석하여 실제 실험과 일치하는 열해석 모델을 구축할 수 있다.
이러한 반복은, 제1 추산 단계에서 언급한 바와 같이, 동일한 지점의 시간 및 온도를 기준으로 반복할 수 있다.
도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, 측정 단계(100)에서 측정된 실제 온도 및 제1 열해석 단계(200) 및 제2 열해석 단계(500)에서 열해석된 온도의 시간에 따른 분포를 나타낸 것으로, 제1 추산 단계(300)에서 추산된 최종 발열량을 제2 열해석 단계(500)에서 열해석한 결과, 실제 온도과 거의 일치하는 것을 확인할 수 있다.
추산된 발열량을 이용해 열해석하고 충전 가용부피를 추산하는 제2 추산 단계(400)는, 제1 추산 단계(200)에서 추산된 최종 발열량을 이용하여 열해석하여 수소저장 합금 내 온도 분포 결과를 산출하고, 시간에 따른 충전 가용부피를 추산할 수 있다.
즉, 제1 추산 단계(300) 및 제2 열해석 단계(500)에 의해 실험 온도와 해석 온도가 같은 열해석 결과에 의해 추산된 최종 발열량을 이용하여 열해석하여 수소저장합금 내 온도 분포를 결과로 산출할 수 있다. 이는 도 6에서 제시한 수소저장합금 내 온도 분포로 표현될 수 있다. 또한, 상기 열해석에 의해서 수소충전합에 해당하는 수소저장합금의 평형 온도보다 높은 부분의 부피는 비가용 부피로 판단하고, 상기 평형 온도보다 낮은 부분의 부피를 가용 부피로 판단하여 충전 가용 부피를 추산할 수 있다. 예를 들어, 도 7에서 제시한 바와 같이, 열해석 결과에서 수소충전압(예를 들어, 30 bar)에 해당하는 수소저장합금의 평형 온도보다 높은 부분의 부피를 비가용, 이보다 낮은 부분의 부피를 가용을 판단하여 시간에 따른 충전 가용 부피를 추산할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 수소저장 실험을 통해서 시간에 따른 수소저장장치의 온도 및 수소 충전량을 측정하는 측정 단계;
    상기 수소 충전량과 이론적 엔탈피를 이용하여 발열량을 계산하고, 이를 상기 실험과 동일한 해석 모델에 대입하고 열해석하는 제1 열해석 단계;
    상기 제1 열해석 단계를 통해 얻은 특정 지점의 온도와 상기 측정 단계에서 측정된 온도를 이용해 발열량을 추산(fitting)하는 제1 추산 단계; 및
    상기 제1 추산 단계에서 획득한 최종 발열량을 이용해 열해석하고, 충전 가용부피를 추산하는 제2 추산 단계;
    를 포함하고,
    상기 측정 단계는, 상기 수소저장장치 내의 수소저장합금에 소정의 압력 조건으로 수소를 공급하여 충전하면서 상기 수소저장장치의 온도를 측정하고,
    상기 제1 열해석 단계는, 계산된 발열량을 이용하여 실제 외부 조건과 동일한 조건으로 열해석하여 시간에 따른 수소저장합금 내 온도 분포를 출력하고,
    상기 제2 추산 단계는, 열해석을 통하여 수소저장 합금 내 온도 분포 결과를 산출하고, 상기 결과에서 수소충전합에 해당하는 수소저장합금의 평형 온도보다 높은 부분의 부피는 비가용 부피로 판단하고, 상기 평형 온도보다 낮은 부분의 부피를 가용 부피로 판단하여 시간에 따른 충전 가용부피를 추산하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는, 상기 수소저장장치의 복수 개의 지점의 온도를 측정하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는, 수소저장 실험을 통해서 상기 수소저장장치의 기준 온도를 측정하고,
    상기 기준 온도는, 상기 측정 단계에서 측정된 수소저장장치의 복수 개의 지점의 온도 중 가장 높은 값의 온도인 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측정 단계는, 유량계를 통하여 수소 충전량을 측정하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열해석 단계는, 하기의 식 1에 따라 상기 측정 단계에서 측정된 수소 충전량에 이론적 형성 엔탈피를 곱하여 발열량을 계산하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법:
    [식 1]
    Figure 112019016823194-pat00028

    (
    Figure 112019016823194-pat00029
    은 수소 질량 변화량 (H2 mass flow rate)이고,
    Figure 112019016823194-pat00030
    는 충전되는 수소 1 g 당 형성 엔탈피이다.)
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열해석 단계는, ANASYS를 통해 열해석하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 추산 단계는, 동일한 지점의 시간 및 온도를 기준으로 반복하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 추산 단계는, 복수회 반복하여 제1 열해석 단계에서 대입한 발열량을 추산하여 최종 발열량을 결정하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 추산 단계는, 식 2 또는 식 3에 따른 온도 비율을 보정 인자(factor)로 적용하여 열해석을 위한 발열량
    Figure 112019016823194-pat00031
    을 추산하는 것인,
    수소저장장치 발열량 및 충전 가용부피의 추산 방법:
    [식 2]
    Figure 112019016823194-pat00032

    [식 3]
    Figure 112019016823194-pat00033

    (식 2 및 식 3에서
    Figure 112019016823194-pat00034
    는 해석 상의 발열량,
    Figure 112019016823194-pat00035
    는 해석 상의 온도,
    Figure 112019016823194-pat00036
    는 실험 상의 발열량,
    Figure 112019016823194-pat00037
    는 실험 상의 온도 및 n은 무게(weight)이다.)
  14. 삭제
KR1020190018597A 2019-02-18 2019-02-18 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법 KR102236150B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018597A KR102236150B1 (ko) 2019-02-18 2019-02-18 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190018597A KR102236150B1 (ko) 2019-02-18 2019-02-18 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200100381A KR20200100381A (ko) 2020-08-26
KR102236150B1 true KR102236150B1 (ko) 2021-04-05

Family

ID=72242336

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190018597A KR102236150B1 (ko) 2019-02-18 2019-02-18 수소저장장치의 발열량 및 충전 가용부피 추산방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102236150B1 (ko)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000507673A (ja) 1996-04-01 2000-06-20 ウェスティングハウス サバンナ リバー カンパニー 水素の貯蔵及び放出のための装置並びに方法
KR100931877B1 (ko) * 2008-01-22 2009-12-15 한국에너지기술연구원 부피법을 이용한 수소 저장 성능 평가 장치 및 그 제어방법
JP2010286015A (ja) 2009-06-09 2010-12-24 Honda Motor Co Ltd 水素充填装置及び水素充填方法
JP2013508641A (ja) * 2009-10-21 2013-03-07 エンエーエル・ハイドロジェン・アーエス ガス充填の運転および制御の方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2000507673A (ja) 1996-04-01 2000-06-20 ウェスティングハウス サバンナ リバー カンパニー 水素の貯蔵及び放出のための装置並びに方法
KR100931877B1 (ko) * 2008-01-22 2009-12-15 한국에너지기술연구원 부피법을 이용한 수소 저장 성능 평가 장치 및 그 제어방법
JP2010286015A (ja) 2009-06-09 2010-12-24 Honda Motor Co Ltd 水素充填装置及び水素充填方法
JP2013508641A (ja) * 2009-10-21 2013-03-07 エンエーエル・ハイドロジェン・アーエス ガス充填の運転および制御の方法

Also Published As

Publication number Publication date
KR20200100381A (ko) 2020-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bandhauer et al. Temperature-dependent electrochemical heat generation in a commercial lithium-ion battery
Yi et al. Effects analysis on heat dissipation characteristics of lithium-ion battery thermal management system under the synergism of phase change material and liquid cooling method
Farag et al. Combined electrochemical, heat generation, and thermal model for large prismatic lithium-ion batteries in real-time applications
Zhao et al. Performance of a liquid cooling‐based battery thermal management system with a composite phase change material
Sánchez et al. Thermal and electrochemical model of internal reforming solid oxide fuel cells with tubular geometry
Sabbah et al. Active (air-cooled) vs. passive (phase change material) thermal management of high power lithium-ion packs: Limitation of temperature rise and uniformity of temperature distribution
Askri et al. Study of two-dimensional and dynamic heat and mass transfer in a metal–hydrogen reactor
Chen et al. A simplified mathematical model for heating-induced thermal runaway of lithium-ion batteries
He et al. Heat transfer effects on accelerating rate calorimetry of the thermal runaway of Lithium-ion batteries
Larrañaga-Ezeiza et al. A novel direct liquid cooling strategy for electric vehicles focused on pouch type battery cells
Hardy et al. Hierarchical methodology for modeling hydrogen storage systems. Part I: Scoping models
Esmaeili et al. Developing heat source term including heat generation at rest condition for Lithium-ion battery pack by up scaling information from cell scale
Wang et al. Heat generation measurement and thermal management with phase change material based on heat flux for high specific energy power battery
Cisterna et al. Operation regimes and heat transfer coefficients in sodium two-phase thermosyphons
Xiaoming et al. The forced air cooling heat dissipation performance of different battery pack bottom duct
Zhang et al. The effect of reducing the thermal contact resistance on the performance of battery thermal management system
Mei et al. First-principles study of structural, elastic, electronic, vibrational and thermodynamic properties of UN
Wu et al. Role of natural convection and battery arrangement for phase change material based battery thermal management unit
Zhu et al. Thermal performance revival of composite PCM for hybrid BTMSs by architecture and formula integrated optimization
VanderSteen et al. Modeling radiation heat transfer with participating media in solid oxide fuel cells
Hou et al. Development of electrochemical-thermal modelling for large-format Li-ion battery
Kumar et al. An inverse methodology to estimate the thermal properties and heat generation of a Li-ion battery
Wang et al. Study on the influence of flat heat pipe structural parameters in battery thermal management system
Kermani et al. Analytical solution, optimization and design of a phase change cooling pack for cylindrical lithium-ion batteries
Gungor et al. Thermal and electrical characterization of an electric vehicle battery cell, an experimental investigation

Legal Events

Date Code Title Description
E90F Notification of reason for final refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant