수소충전용 직접 및 간접 냉각시스템 비교 평가 연구 이현찬 1,† ⋅이종열 1 ⋅배찬효 2 ⋅허정호 2 ⋅전재영 2 1 한국가스공사 가스연구원, 2 동화엔텍 The Study of Comparison of Cooling System for H2 Discharge Station HYENCHAN LEE 1,† , JONGYEOL YI 1 , CHANHYO BAE 2 , JEONGHO HEO 2 , JAEYOUNG JEON 2 1 Hydrogen Research Team, KOGAS Research Institute, 960 Incheonsinhang-daero, Yeonsu-gu, Incheon 21993, Korea 2 New Business Promotion Team, DongHwa Entec, 7 Noksansandan 261-ro, Gangseo-gu, Busan 46753, Korea † Corresponding author : [email protected]Received 8 March , 2019 Revised 28 March , 2019 Accepted 30 April , 2019 Abstract >> This study is a research to compare efficiency of new cooling system (chiller, pre-cooler) to that of the conventional system at the hydrogen refueling station (HRS). This study includes contents for thermodynamic comparison of cooling system for HRS and comparison of pros and cons of its components. So It is to establish design concept of cooling system of HRS supplying with fuel cell electric vehicle (FCEV). HRS is charging high pressure H2 (700 bar) to FCEV. However cooling system is need to prevent temperature rise in tank. This cooling system consists of pre-cooler and chiller system. Key words : Hydrogen refueling station(수소충전소), Cooling system(냉각장치), Pre-cooler(열교환기), Chiller system(냉동기), PCEH(판형열교환기), Fuel cell electric vehicle(수소연료 전지차량), Direct cooling system (직접냉각방식), Indirect cooling system(간접냉각방식) 163 2019 The Korean Hydrogen and New Energy Society. All rights reserved. 1. 서 론 본 연구는 수소충전소에 사용되는 신형 수소충전 소의 수소냉각 패키지의 시스템 비교를 위하여 수행 되었으며, 수소 냉각에 필요한 냉동기(chiller system) 를 열역학적 비교와 구성품을 비교하여 장단점을 구 분하고, 앞으로 수소차량 보급와 함께 구축해야할 수 소충전소의 수소냉각 패키지의 설계 개념을 정립하 고자 한다. 수소충전소는 고압의 tank에 저장되어 있 는 수소를 차량에 주입하기 위한 설비로서, 수소를 차량에 주입 전 수소의 온도를 냉각시킴으로서 체적 이 줄어들고, 고속 충전이 가능하게 한다. 그래서 필 요한 설비가 수소냉각시스템이며 수소냉각시스템은 줄-톰슨효과에 의하여 고속충전시 저장 tank의 온도 가 높아지는 것을 방지한다 . 수소를 냉각하기 위해서 는 열교환기(pre-cooler)와 냉열을 공급하는 냉동기 (chiller system)로 구성된다. H2 tank에서 유입되는 수소의 온도는 40-50℃, 압력은 최대 850 bar 이상이 며, 냉동기에서 생성된 냉열을 이용하여 -40℃의 수 소로 열교환되어 수소연료 전지차(FCEV)에 공급해 Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 30, No. 2, 2019, pp. 163~169 DOI: https://doi.org/10.7316/KHNES.2019.30.2.163 KHNE S pISSN 1738-7264 • eISSN 2288-7407
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수소충전용 직접 및 간접 냉각시스템 비교 평가 연구tjournal.hydrogen.or.kr/upload/papers/09-KHNES-19-03-08... · 2019-05-02 · 수소충전용 직접 및 간접
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수소충전용 직접 및 간접 냉각시스템 비교 평가 연구
이현찬1,†⋅이종열
1⋅배찬효2⋅허정호
2⋅전재영2
1한국가스공사 가스연구원, 2동화엔텍
The Study of Comparison of Cooling System for H2 Discharge StationHYENCHAN LEE1,†, JONGYEOL YI1, CHANHYO BAE2, JEONGHO HEO2, JAEYOUNG JEON2
1Hydrogen Research Team, KOGAS Research Institute, 960 Incheonsinhang-daero, Yeonsu-gu, Incheon 21993, Korea2New Business Promotion Team, DongHwa Entec, 7 Noksansandan 261-ro, Gangseo-gu, Busan 46753, Korea
Received 8 March , 2019Revised 28 March , 2019Accepted 30 April , 2019
Abstract >> This study is a research to compare efficiency of new cooling system(chiller, pre-cooler) to that of the conventional system at the hydrogen refueling station (HRS). This study includes contents for thermodynamic comparison of cooling system for HRS and comparison of pros and cons of its components. So It is to establish design concept of cooling system of HRS supplying with fuel cellelectric vehicle (FCEV). HRS is charging high pressure H2 (700 bar) to FCEV. However cooling system is need to prevent temperature rise in tank. This coolingsystem consists of pre-cooler and chiller system.
Key words : Hydrogen refueling station(수소충전소), Cooling system(냉각장치), Pre-cooler(열교환기), Chiller system(냉동기), PCEH(판형열교환기), Fuel cell electric vehicle(수소연료 전지차량), Direct cooling system(직접냉각방식), Indirect cooling system(간접냉각방식)
1632019 The Korean Hydrogen and New Energy Society. All rights reserved.
1. 서 론
본 연구는 수소충전소에 사용되는 신형 수소충전
소의 수소냉각 패키지의 시스템 비교를 위하여 수행
되었으며, 수소 냉각에 필요한 냉동기(chiller system)
를 열역학적 비교와 구성품을 비교하여 장단점을 구
분하고, 앞으로 수소차량 보급와 함께 구축해야할 수
소충전소의 수소냉각 패키지의 설계 개념을 정립하
고자 한다. 수소충전소는 고압의 tank에 저장되어 있
는 수소를 차량에 주입하기 위한 설비로서, 수소를
차량에 주입 전 수소의 온도를 냉각시킴으로서 체적
이 줄어들고, 고속 충전이 가능하게 한다. 그래서 필
요한 설비가 수소냉각시스템이며 수소냉각시스템은
줄-톰슨효과에 의하여 고속충전시 저장 tank의 온도
가 높아지는 것을 방지한다. 수소를 냉각하기 위해서
는 열교환기(pre-cooler)와 냉열을 공급하는 냉동기
(chiller system)로 구성된다. H2 tank에서 유입되는
수소의 온도는 40-50℃, 압력은 최대 850 bar 이상이
며, 냉동기에서 생성된 냉열을 이용하여 -40℃의 수
소로 열교환되어 수소연료 전지차(FCEV)에 공급해
Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 30, No. 2, 2019, pp. 163~169DOI: https://doi.org/10.7316/KHNES.2019.30.2.163
KHNESpISSN 1738-7264 • eISSN 2288-7407
164 수소충전용 직접 및 간접 냉각시스템 비교 평가 연구
>> 한국수소및신에너지학회 논문집 제30권 제2호 2019년 4월
Fig. 1. Chiller system
(a) (b)
(c)
Fig. 2. (a) One-stage compression and on-stage expansion refrigeration cycle, (b) two-stage compression and one-stage expansion refrigeration cycle, (c) two-stage compression and two-stage expansion refrigeration cycle
Table 1. R507 physical properties
야 한다. 냉동기에서 압축된 냉매는 공랭식 응축기
(condenser)를 거쳐 팽창 후 온도가 하강하고, 이를
냉열원으로 사용한다. 이때 냉매의 하강된 온도는
-55℃에서 45℃로 공급된다1,2). 냉동기(chiller sys-
tem)는 냉매의 열원을 직접 pre-cooler에 전달하는 직
접방식과 냉매의 열원을 brine을 통하여 pre-cooler에
전달하는 간접방식으로 구분할 수 있다. 현재 구축되
는 수소충전소의 경우, 안전상의 이유로 간접냉각방
식을 채택하고 있다3).
2. 냉동기(chiller system)
2.1 냉동시스템
냉동을 하는 데는 여러 방법이 있으나, 냉동장치
에는 증발하기 쉬운 액체를 증발시켜 그 잠열을 이
용하는 방법이 대표적이다. 이러한 냉동기의 주요 구
성품으로는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 구
성되며, 이 냉동장치에는 증발하기 쉬운 냉매가 밀봉
되어 순환하게 된다(Figs. 1, 2).
2.2 냉매
수소충전소의 냉동기(chiller system)는 수소를 -40℃까지 냉각시키는 것을 목적으로 냉열원을 공급해야