| 연구개발개요 |
- 수소연료전지 자동차의 핵심부품은 연료전지시스템, 수소저장장치, 전장장치로 구성되며, 연료전지 스택과 수소저장장치가 핵심부품임. 수소저장장치 부문에서 현재 우리나라 부품 제조기술은 국외기술력과 비교해도 손색이 없으나, 소재기술은 미흡한 실정임. 수소연료전지 자동차 산업을 이끌어 가기위하여 수소 대면 금속/ 고분자 소재에 대한 사용 적합성 평가기술에 대한 연구가 절실히 필요함.- 수소연료전지 자동차 관련 글로벌 표준 및 규격은 미국, 일본, 유럽을 중심으로 제정이 진행 중이며, 표준 주도권 경쟁이 심화되고 있어 국내에서도 주도적인 대응이 필요함. - 수소연료전지 자동차 산업 진출은 국내 대응뿐만 아니라 글로벌한 진출이 핵심적이기 때문에 개발된 수소 안전사용 적합성 평가와 관련된 코드화, 규격화, 표준화 등은 국내 제안뿐만 아니라, 역학물성측정 국제비교를 통해 동등성을 확보하여, 사용 적합성 시험평가 적용을 위한 소재 국제코드를 제안하고, 국제표준(ISO, UN-GTR-13) 과 규격(ANSI/CSA CHMC 1&2)과의 조화를 위한 활동을 추진이 필요함.- 고압 수소 환경에서 사용하기 위한 금속/고분자 소재의 사용 적합성 시험평가 방법(ANSI/CSA CHMC 1&2)에 따르면, 금속 소재(CHMC 1)는 저변형률 인장시험, 수소유기균열 한계응력 인자(Hydrogen assisted cracking threshold stress intensity factor), 피로균열 진전속도, 피로수명의 특성들을 파악해야 하며, 고분자 소재 (CHMC 2)는 투과도, 반복 수소잠입 특성, 물리적 안전성, 동적 마찰마모 특성, 환경 변화에 따른 물성 변화 및 오염의 특성을 파악해야 한다. 본 연구에서는 고압수소 저장용 금속/고분자 소재의 국내 기준/코드 및 프로토콜 개발을 통해 현재 수소연료전지 자동차의 내압용기 및 부품 모듈부에 실제로 사용되고 있는 금속/고분자 소재에 대해 물성 평가를 진행하고, 수소 안전사용 적합성을 평가함.
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| 연구내용 및 범위 |
수소연료전기자동차의 경우 수소가스를 대면하는 금속소재와 비금속소재로 나뉘고 있으므로 연구 내용을 금속소재와 비금속소재로 나누어서 재료건전성 평가를 하여야 함.[금속소재]- 수소연료전기자동차에 사용되는 금속소재 중 수소대면 소재이고 직접적으로 압력을 받아서 응력이 발생되는 부분은 스테인레스강과 알루미늄강으로 구성되어 있으므로 이들 강종으로 평가 범위를 한정함.- 고압수소가스로 인해 응력이 발생하는 부위에 작용하는 최대 압력은 70 MPa로서 평가압력은 안전율 1.25배를 고려해서 87.5 MPa 이상 압력에서 평가하도록 압력범위를 한정함.- 금속소재가 ？40 ℃ 전후에서 수소취성이 가장 극심하게 발생하므로 실험온도는 ？40 ℃에서 실시함. - 고압수소가스환경(in-situ)에서 고압수소가스의 영향을 판단하기 위한 저속인장시험(SSRT)을 실시함.- 고압수소가스환경(in-situ)에서 재료의 사용적합성 평가를 위한 피로시험을 실시함.- 피로시험에는 Notch가 있는 시험편을 사용하여 응력비 0.1 조건(인장-인장)에서 실시함.- 피로시험에는 Notch가 없는 평활한 시험편을 사용하여 응력비 ？1 조건(인장-압축)에서 실시함.- 측정 물성(SSRT, 피로시험)의 신뢰성 확보를 위해 4개국이 참여하는 국제비교시험을 실시 하여 국제동등성을 확보.- 미국(SNL), 독일(MPA), 일본(KU)과 수소사용 재료의 적합성 평가를 위한 RRT를 수행.- RRT를 위한 프로토콜을 교환하고 상호 시험편에 대한 도면을 교환함. 각 기관에 보유한 시험 장비의 성능, 사양에 따라 시험편 가공한 후 상호 교환.- RRT결과는 2020년 ASME PVP에서 발표하고 그 결과를 공유.- ISO TC197 Hydrogen technology에 참여하고 유관 기관과 협력관계 구축하여 차단계 수소기술 분야 국제표준화 활동 기반 마련- 국제 동등성이 확보된 시험시스템과 시험절차를 이용하여 수소전기자동차에 사용되는 국내산 금속소재에 대해 사용적합성 평가를 위한 물성을 측정.- 수소사용재료의 사용적합성 평가를 위한 스크리닝 간편시험법 기준 제안 - 수치 해석적 방법을 통한 사용적합성 평가의 이론적 근거 개발- UN-GTR-13의 2단계 금속소재분야 개정 활동에의 주도적 참여를 통해 글로벌 기술기준 개발에 참가- 수소전기자동차에 적용되는 금속소재의 사용 적합성 평가용 국내 코드 제안 [비금속소재]- 수소연료전기자동차에 사용되는 비금속 소재 중 수소대면 소재이고 직접적으로 직접 고압 수소 가스에 노출되는 부분인 용기내부 라이너 소재와 실링 소재인 고무, 플라스틱 재질을 평가 범위로 한정함. - 고압수소가스가 접촉하는 라이너 소재는 용기의 최대사용압력 70 MPa로서 평가압력은 안전율 1.25배를 고려해서 87.5 MPa 이상 압력에서 평가하도록 압력범위를 한정함.- 고압수소가스의 충전과 방전시 온도는 ？40 ℃ ∼ 85 ℃에서 이루어지므로 시험온도는 ？40 ℃ ∼ 85 ℃ 범위 이내에서 결정함.- 수소전기자동차용 용기 라이너 소재의 수소 침투/투과/분포 측정 절차서 개발 및 분석- 사용압 70 MPa에서의 용기 적용 투과 성능 평가- 수소전기자동차용 수소가스저장용기 부품의 고무/수지 소재에 대한 기계적물성 변화 측정 절차 및 분석- 공동연구기관간 동등성 유지를 위한 플라스틱 소재의 기계적 물성 비교 숙련도 시험- 수소전기자동차용 수소가스저장용기 부품의 고무 소재에 대한 물리적 안정성 측정 절차 및 분석- 수소전기자동차용 수소가스저장용기 부품의 고무 소재의 동적 마모 시스템 개발 및 측정절차서 개발 및 분석- 수소연료전기자동차에 사용되는 비금속 소재의 가스 오염도 측정 시스템 구축 및 절차서 개발. - 수소연료전기자동차용 고무 및 수지의 반복시험 시스템 개발, 시험법 개발 및 특성분석.- UN-GTR-13의 2단계 비금속소재 분야 개정활동에의 주도적 참여를 통해 글로벌 기술기준 개발에 참가- 수소전기자동차에 적용되는 비금속소재의 사용 적합성 평가용 국내 코드 제안
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