KR102589777B1 - 수소 투과량 측정시스템 및 이를 이용한 측정 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수소 투과시험기는 폐쇄된 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 측정하는 시스템으로, 수소투과 시험기는 기밀이 유지되는 시험용 챔버 내부에서 고압수소용기 내부에 가압된 수소가 라이너와 에폭시로 마감된 층을 투과하여 챔버 내부로 유입되는 수소의 유동율을 측정하기 위한 수소 투과량 측정시스템에 관한 것으로서, 폐쇄된 시험용 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 측정하는 수소 투과량 측정시스템에 있어서, 상기 수소 투과시험기 시스템의 수소 투과량을 측정하는 장비로는 질소와 수소의 열적 특성을 분석하여 농도를 산출하고. 결과값을 운반가스의 유동률과의 관계를 계산하여 수소의 투과 유동율을 산출하는 가스 분석기 또는 가스 농도를 측정하는 가스 크로마토그래피 또는 투과챔버에서 발생하는 가스 누설을 검침하는 누수 검침기를 포함한다.
Description
본 발명은 수소 투과량 측정시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수소 투과시험기는 폐쇄된 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 측정하는 시스템으로, 수소투과 시험기는 기밀이 유지되는 시험용 챔버 내부에서 고압수소용기 내부에 가압된 수소가 라이너와 에폭시로 마감된 층을 투과하여 챔버 내부로 유입되는 수소의 유동율을 측정하기 위한 수소 투과량 측정시스템에 관한 것이다.
산업화가 급속히 진행되면서 화석연료의 소비가 기하급수적으로 증가함에 따라 환경오염이 심각한 사회적 문제로 대두되고 있는바, 세계 각국에서는 환경오염의 주범으로 꼽히는 자동차 배기가스를 줄이기 위하여 많은 노력을 기울이고 있다.
그리하여 기존의 자동차 연료인 휘발유나 경유를 대체하기 위한 청정 연료로서 수소 연료가 개발되었다.
수소 연료는 지구상에서 탄소와 질소 다음으로 가장 풍부한 원소일 뿐만 아니라, 연소시에 극히 미량의 질소산화물만을 생성시키고 다른 공해물질은 전혀 배출하지 않는 깨끗한 에너지원이며, 지구상에 존재하는 거의 무한한 양의 물을 원료로 하여 만들어 낼 수 있고, 사용 후에는 다시 물로 재순환되기 때문에 고갈의 우려 또한 거의 없는 최적의 에너지원이다.
따라서 수소 연료는 현재 직면하고 있는 자원 고갈, 환경오염 등 여러 문제를 해결할 수 있는 차세대 연료로서 주목받고 있으며, 자동차 연료 및 산업체나 일반 가정에서 수소를 활용하기 위한 각종 연구가 활발히 진행되고 있다.
한편, 수소를 에너지 자원으로 상용화하기 위해서는 수소충전소의 구축이 우선되어야 하는데, 이를 위해서는 수소를 고압으로 압축하는 압축기와 더불어, 고압의 수소를 효율적으로 저장할 수 있는 수소 저장용 압력용기의 개발이 요구된다.
수소 저장을 위한 용기는 수소기체를 고압으로 압축해 저장하는 용기로 내부 가스는 충·방전 시 -40℃와 85℃ 를 오가는 환경에 노출되며 30년의 목표수명에 따라 최소 10,000회의 반복 내구성을 확보해야 하는 부품이다.
고압가스를 저장하기 위한 압력용기는 사용 재료와 복합재료 강화 방법에 따라 Type-1, Type-2, Type-3, Type-4 등 총 4가지 방식으로 구분되며 수송용 튜브 트레일러와 수소충전소용, 수소전기차 탑재용 등으로 이용되고 있다.
Type-3, 4 방식은 탄소 소재를 사용함으로써 좀 더 가볍다는 특성이 있어 연비와 직결되는 무게로 인해 차량용에 적합하다.
상기와 같이 고압가스 저장용 압력용기는 내부에 고압가스를 충진하거나, 압력 측정, 잔여 가스 용량의 측정을 위한 게이지와 같은 각종 부속장치의 설치 등을 위해서 압력용기의 라이너 내주면에 암나사부를 형성하고, 수나사부가 형성된 캡을 상기 암나사부에 나사 결합하게 하되, 나사결합부의 가스누출을 방지하기 위해 기밀패킹을 개재하게 된다.
그러나 가스누출을 방지하기 위해 기밀패킹을 하더라도 안전을 위해 시간이 지남에 따라 수소 충전 용기에서 투과되어 나오는 수소량을 정밀하게 측정하는 장치와 방법이 필요하게 되었다.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 안출된 것으로, 본 발명은 투과된 수소를 가스 분석기로 운반을 위한 기체인 질소와 수소의 열적 특성을 분석하여 농도를 산출하고. 결과값을 운반 가스의 유동률과의 관계를 계산하여 수소의 투과 유동율을 산출하는 수소 투과량 측정시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기밀이 유지되는 시험용 챔버 내부에서 고압수소용기 내부에 가압된 수소가 라이너와 에폭시로 마감된 층을 투과하여 챔버 내부로 유입되는 수소의 유동율을 측정하고, 투과된 수소를 가스 분석기로 운반을 위한 기체로 질소를 사용하여, 질소와 수소의 열적 특성을 분석하여 농도를 산출하고. 결과값을 운반 가스의 유동률과의 관계를 계산하여 수소의 투과 유동율을 산출하는 데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 폐쇄된 시험용 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 측정하는 수소 투과시험기 시스템으로서, 상폐쇄된 시험용 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 측정하는 수소 투과량 측정시스템에 있어서,
수소 투과시험기 시스템의 수소 투과량을 측정하는 장비로는 질소와 수소의 열적 특성을 분석하여 농도를 산출하고. 산출된 결과값을 운반가스의 유동률과의 관계를 계산하여 수소의 투과 유동율을 산출하는 가스 분석기(Gas Analysis, GA)와 가스 농도를 측정하는 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC)와 투과챔버에서 발생하는 가스 누설을 검침하는 누수 검침기(Leak Detector, LD)를 포함한다.
상기 수소 투과량 측정시스템의 기체 유동 관계식은 아래 수학식 1이다.
수소 투과 질량 유동율을 산출하기 위해 기체 성분 관계식인 아래 수학식 3으로 계산한다.
상기 수소 투과시험기 시스템에서 측정된 신뢰할 수 있는 측정값인 운반 가스와 투과된 수소가 혼합된 분석용 기체의 질량 유량(qp)과, 수소 농도(Cp; ppm)와 투과된 수소와 혼합이 될 운반 가스의 질량 유량(qn)을 통해 수소용기의 외부로 투과된 수소의 질량 유량(qh)을 산출하기 위해 수소 투과 부피 유동율 관계식을 단순화하면 아래 수학식 7과 같다.
상기 수소 투과시험기 시스템은 기밀이 유지되는 시험용 챔버 내부에서 고압 수소용 압력용기 내부에 가압된 수소가 라이너와 에폭시로 마감된 층을 투과하여 챔버 내부로 유입되는 수소의 유동율을 측정한다.
시간이 지남에 따라 고압 수소용 압력용기에서 투과되어 나오는 수소량을 측정하기 위해 시험용 알루미늄 챔버 내에 수소 충전 용기를 위치시키고, 수소의 운반 가스 역할을 하는 질소를 주입하여 수소 투과량을 측정한다.
위의 질량 유동율 관계식에서 수소 투과 부피 유동율을 운반기체의 부피 유동율과 밀도의 함수로 정리하면 아래 수학식 8과 같다.
상기 가스 분석기의 농도는 혼합가스에서 수소의 부피비(Vol%)를 분석하고 운반기체의 유동율을 측정하는 질량 유량계는 측정된 질량 유동율을 표준온도 0℃ 와 표준대기압 1atm 으로 보정된 표준 상태의 부피 유동율로 환산한 결과값이므로 수소의 표준 상태의 부피 유동율을 관계식을 정리하면 아래 수학식 9와 같다.
본 발명은 폐쇄된 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 가스 분석기로 측정하는 수소 투과시험기를 이용한 방법에 있어서, 수소 투과 시험기는 기밀이 유지되는 시험용 챔버 내부를 라이너와 에폭시로 마감하는 단계; 상기 라이너와 에폭시로 마감된 층을 투과하여 챔버 내부로 유입되는 수소의 유동율을 측정하기 위해 수소의 운반 가스 역할을 하는 질소를 주입하는 단계; 투과된 수소를 가스 분석기로 운반을 위한 투과 수소 운반기체인 질소와 가압 기체인 수소의 열적 특성을 분석하여 농도를 산출하고. 결과값을 운반 가스의 유동률과의 관계를 계산하여 수소의 투과 유동율을 산출하는 단계;를 포함한다.
상기 시험용 챔버 내부의 시험 환경은 온도가 15 ℃이고, 습도는 40~80 %RH이며, 가압 기체(수소)는 온도가 15 ~ 60 ℃이고, 습도가 0 %RH이며, 투과 수소 운반기체(질소)는 온도가 15 ℃이고, 습도가 0 %RH이다.
본 발명의 일 실시예에 따라 시간이 지남에 따라 수소 충전 용기에서 투과되어 나오는 수소량을 정밀하게 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면 기밀이 유지되는 시험용 챔버 내부에서 고압수소용기 내부에 가압된 수소가 라이너와 에폭시로 마감된 층을 투과하여 챔버 내부로 유입되는 수소의 유동율을 정밀하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 투과량 측정시스템을 구현하는 구성요소 간의 관계를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 투과량 측정시스템의 챔버의 절단면도와 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 세부 절단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 투과시험기 시스템의 수소 투과 유동율 관계식 등과의 관계를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 투과량 측정시스템의 챔버의 절단면도와 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 세부 절단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 투과시험기 시스템의 수소 투과 유동율 관계식 등과의 관계를 보여주는 도면이다.
상기한 바와 같은 본 발명을 첨부된 도면들과 실시예들을 통해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 발명에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 발명에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계를 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 투과량 측정시스템을 구현하는 구성요소 간의 관계를 개략적으로 나타내는 블럭도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 수소량 측정 장비로는 질소와 수소의 열적 특성을 분석하여 농도를 산출하고. 산출된 결과값을 운반가스의 유동률과의 관계를 계산하여 수소의 투과 유동율을 산출하는 가스 분석기(Gas Analysis, GA; 21)와 가스 농도를 측정하는 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC; 22)와 투과챔버에서 발생하는 가스 누설을 검침하는 누수 검침기(Leak Detector, LD; 23)가 사용된다.
또는 ppm 단위로 출력되는 값을 역산하여 수소 투과량을 측정할 수 있으며, 본 발명에 따른 불확도 산출은 특정 수소 투과시험기에 적용한다.
상기 수소 투과시험기는 폐쇄된 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 측정한다.
고압 수소용 압력용기의 내부를 875 barG 의 압력으로 가압하고, 용기 내의 수소가 용기의 라이너와 에폭시로 마감된 탄소 섬유층을 통과하여 외부로 투과되는 수소의 양을 측정한다.
구체적으로, 본 발명에 따른 수소 투과시험기 시스템에는 다음과 같은 시험환경 조건이 적용된다.
본 발명에 사용되는 기체의 종류
1) 고압수소용기 가압 기체
- 기체 성분 : 수소 100%
- 공급 압력 : 875 barG
2) 투과 수소 운반기체
- 기체 성분 : 질소 100%
- 공급 압력 : 0 ~ 3 barG
- 공급 유동율 : 10 ~ 3000 NmL/h
3) 치환 기체
- 기체 성분 : 질소 100%
- 공급 압력 : 0 ~ 3 barG
본 발명에 따른 시험 환경 온도
1) 환경
- 온도 : 15 ℃
- 습도 : 40~80 %RH
2) 가압 기체 (수소)
- 온도 : 15 ~ 60 ℃
- 습도 : 0 %RH
3) 투과 수소 운반기체 (질소)
- 온도 : 15 ℃
- 습도 : 0 %RH
본 발명에서 사용하는 측정 장비는 아래 표 1과 같다.
[표 1]
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 투과량 측정시스템의 챔버의 절단면도와 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 세부 절단면도이다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명은 투과실(1), TC 커넥션 포트(TC CONNECTION PORT; 2, 3), 질소 가스 출구(N2 GAS OUT; 4), N2가스 입구(5), H2 가스 입구(6) 등으로 이루어져 있다.
각 구성은 시간이 지남에 따라 수소 충전 용기에서 투과되어 나오는 수소량을 측정하고, 알루미늄 챔버 내에 수소 충전 용기를 위치시키고, 수소의 운반 가스 역할을 하는 질소를 주입하여 수소 투과량을 측정하기 위해 사용된다.
시험방식의 수학적 모델은 다음과 같은 식으로 성립된다.
기체 유동 관계식
도 4에 도시된 바와 같이 수소 투과량 측정시스템의 기체 유동 관계식을 정리하면 아래 수학식 1과 같다.
각 유량계를 통과한 기체의 질량 유량은 두 유량계 사이에 누설과 누적이 없다면 기체는 동일한 유동률로 투과 챔버 내부를 흐르게 된다.
유동률 변화에 따른 누적은 Flying start and finish 방법으로 일정 유동률로 시스템을 안정화 시킨 후 시험을 한다면 누적이 발생하지 않으므로 영향을 고려하지 않는다.
투과챔버에서 발생하는 누설량을 시험의 정확도가 영향을 주지 않는 수준의 이하임을 시험을 통해 확인한다면 시스템의 성능의 정확도에 포함하여 시스템 편차로 계산되게 된다.
기체 성분 관계식
가스 분석기의 결과값인 농도의 함수를 정리하면 아래 수학식 2와 같다.
투과 챔버내에서 투과된 수소와 운반기체가 완전하게 혼합된다면 투과된 혼합된 기체가 누설될 경우에도 가스 분석기의 농도값에는 영향을 주지 않는다. 이는 인위적인 누설을 만들어 실험하여 검증하고 챔버의 누설량이 가스 분석기에서 측정된 결과값에 영향을 주지 않거나 고려되지 않을 정도로 작은 양임을 검증한다.
투과 챔버 내의 누적량은 수소와 운반기체가 완전하게 혼합된 혼합기체의 누적은 유동 관계식에 적립되어 있고 챔버 내의 압력변화를 확인함으로써 누적의 유무를 확인하고 검증할 수 있다.
위와 같이 누설량과 누적량은 유동 관계식과 더욱 밀접한 관련이 있고 기체 성분 관계식에는 영향이 극히 적음을 알 수 있다.
수소 투과 질량 유동율을 산출하기 위해 기체 성분 관계식을 정리하면 아래 수학식 3과 같다.
유동 관계식과 기체 성분 관계식의 합성
위의 두 관계식에서 유동 관계식을 누설량과 누적량을 검증 시험을 통해 확인하고 제거하여 수소 투과 유동율 관계식에 대입하면 다음과 같다.
누설량과 누적량을 제거한 수소 투과 유동율 관계식은 아래 수학식 4와 같다.
수소 투과 유동율 관계식은 아래 수학식 5와 같다.
수학식 4의 수소 투과 유동율 관계식을 수학식 5의 수소 투과 유동율 관계식에 대입하여 정리하면 아래 수학식 6과 같다.
상기 수소 투과시험기 시스템에서 측정된 신뢰할 수 있는 측정값인 운반 가스와 투과된 수소가 혼합된 분석용 기체의 질량 유량(qp)과, 수소 농도(Cp; ppm)와 투과된 수소와 혼합이 될 운반 가스의 질량 유량(qn)을 통해 수소용기의 외부로 투과된 수소의 질량 유량(qh)을 산출하기 위해 수소 투과 부피 유동율 관계식을 단순화하면 아래 수학식 7과 같다.
수학식 7의 수소 투과 유동율 관계식에서 수소 투과 부피 유동율을 운반기체의 부피 유동율과 밀도의 함수로 정리하면 아래 수학식 8과 같다.
가스 분석기의 농도는 혼합가스에서 수소의 부피비(Vol%)를 분석하고 운반기체의 유동율을 측정하는 질량 유량계는 측정된 질량 유동율을 표준온도 0℃ 와 표준대기압 1atm 으로 보정된 표준 상태의 부피 유동율로 환산한 결과값이므로 수소의 표준 상태의 부피 유동율을 관계식을 정리하면 아래 수학식 9와 같다.
1 : 투과실
2, 3 : TC 커넥션 포트(TC CONNECTION PORT)
4 : 질소 가스 출구(N2 GAS OUT)
5 : N2가스 입구
6 : H2 가스 입구
10 : 수소 투과량 측정시스템
2, 3 : TC 커넥션 포트(TC CONNECTION PORT)
4 : 질소 가스 출구(N2 GAS OUT)
5 : N2가스 입구
6 : H2 가스 입구
10 : 수소 투과량 측정시스템
Claims (7)
- 폐쇄된 시험용 챔버내에 고압 수소용 압력용기(TYPE-4)에서 투과된 수소의 양을 측정하는 수소 투과량 측정시스템에 있어서,
수소 투과시험기 시스템의 수소 투과량을 측정하는 장비로는 질소와 수소의 열적 특성을 분석하여 농도를 산출하고. 산출된 결과값을 운반가스의 유동률과의 관계를 계산하여 수소의 투과 유동율을 산출하는 가스 분석기(Gas Analysis, GA; 21)와 가스 농도를 측정하는 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC; 22)와 투과챔버에서 발생하는 가스 누설을 검침하는 누수 검침기(Leak Detector, LD; 23)를 포함하며,
상기 수소 투과량 측정시스템에서 측정된 신뢰할 수 있는 측정값인 운반 가스와 투과된 수소가 혼합된 분석용 기체의 질량 유량(qp)과, 수소 농도(Cp; %)와 운반 가스와 투과된 수소가 혼합된 분석용 기체의 질량 유량(qn)을 통해 수소용기의 외부로 투과된 수소의 질량 유량(qh)을 산출하기 위해 수소 투과 부피 유동율 관계식을 단순화하면 아래 수학식 7과 같은 것을 특징으로 하는 수소 투과량 측정시스템.
[수학식 7]
- 청구항 1에 있어서,
상기 수소 투과량 측정시스템의 기체 유동 관계식은 아래 수학식 1인 것을 특징으로 하는 수소 투과량 측정시스템.
[수학식 1]
- 청구항 1에 있어서,
상기 수소 투과량 측정시스템의 수소 투과 질량 유동율을 산출하기 위해 기체 성분 관계식인 아래 수학식 3으로 계산하는 것을 특징으로 하는 수소 투과량 측정시스템.
[수학식 3]
- 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 수소 투과시험기 시스템은 기밀이 유지되는 시험용 챔버 내부에서 고압 수소용 압력용기 내부에 가압된 수소가 라이너와 에폭시로 마감된 층을 투과하여 챔버 내부로 유입되는 수소의 유동율을 측정하며,
상기 고압 수소용 압력용기에서 시간이 지남에 따라 투과되어 나오는 수소량을 측정하기 위해 시험용 알루미늄 챔버 내에 수소 충전 용기를 위치시키고, 수소의 운반 가스 역할을 하는 질소를 주입하여 수소 투과량을 측정하며,
상기 수소 투과시험기 시스템에서 수소 투과 부피 유동율을 운반기체의 부피 유동율과 밀도의 함수로 정리하면 아래 수학식 8과 같은 것을 특징으로 하는 수소 투과량 측정시스템.
[수학식 8]
- 청구항 1에 있어서,
가스 분석기의 농도는 혼합가스에서 수소의 부피비(Vol%)를 분석하고 운반기체의 유동율을 측정하는 질량 유량계는 측정된 질량 유동율을 표준온도 0℃ 와 표준대기압 1atm 으로 보정된 표준 상태의 부피 유동율로 환산한 결과값이므로 수소의 표준 상태의 부피 유동율을 관계식을 정리하면 아래 수학식 9와 같은 것을 특징으로 하는 수소 투과량 측정시스템.
[수학식 9]
- 삭제
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| KR1020230107487A KR102589777B1 (ko) | 2023-08-17 | 2023-08-17 | 수소 투과량 측정시스템 및 이를 이용한 측정 방법 |
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