근래의 기후 변화 위기에 대응하기 위한 청정에너지(Clean Energy)에 대한 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 그 중에 자동차 등 운송수단의 화석연료를 대체하기 위한 수소에 대한 관심이 높은 상황이다. 수소를 연료로 사용할 경우 전기를 발생시켜 모터를 구동하므로 배기가스가 없고 물이 발생하여 대기오염을 줄일 수 있는 장점이 있다.

수소를 저장하고 운송할 때 가스 상태의 수소(Gaseous Hydrogen, GH₂), 액체 상태의 수소(Liquid Hydrogen, LH₂), 극저온 압축 기체 수소(Cryo-compressed Hydrogen) 등을 이용한다^1,2). 특히 수소를 이용하는 연료전지(Fuel-Cell) 자동차는 보다 먼 거리를 주행할 수 있는 연료를 빠른 시간에 충전하는 것이 중요하다³⁾. 그러므로 밀도가 좀 더 높은 극저온 압축 기체 수소 방식이 유리하다. 또한 가스 상태보다 액체 상태일 때 부피가 작으므로 저장 장소 및 이송 탱크 용량을 덜 차지하는 장점이 있다.

가스 상태 수소의 이송 방법으로는 파이프라인(Pipeline)이나 탱크 트레일러(Tank Trailer)를 이용한다. 미국과 같이 땅이 넓은 경우는 파이프라인을 사용하기도 한다. 일반적으로는 튜브 탱크(Tube Tank) 트레일러가 사용된다⁴⁾.

액체 수소의 이송 및 저장에 필수적인 부품이 고압 펌프이다⁵⁾. 이러한 고압 펌프는 크게 원심 펌프 (Centrifugal Pump)와 왕복동 펌프(Reciprocating Pump)로 나눌 수 있다. 왕복동 펌프 방식이 90 MPa에 이르는 고압에 더 적합하다⁶⁾.

기존에 개발된 액체 수소 펌프로는 Linde 사에서 출시한 제품이 있으며, 최대 압력은 87.5 MPa이며 평균 유량은 93 kg/h이다⁶⁾. 이 회사의 펌프를 이용하여 Petitpas 등은 70 MPa에서 액화수소를 극저온 압력 용기에 456회 저장하는 실험을 수행한 연구를 발표하였다⁷⁾.

한편 액체 수소 펌프는 고압에서 작동하므로, 실린더 내의 피스톤과 벽면 사이의 누설을 줄여 주는 것이 중요하다. 이에 본 연구팀에서는 유한요소법(Finite Element Methods, FEM)을 이용하여 누설량을 예측한 바 있다⁸⁾. 누설을 막기 위해 Baart 등은 펌프에 Radial Lip Seal을 사용한 연구를 진행하였다⁹⁾. Shi 등은 회전(Rotary) Lip Seal을 사용하여 펌프의 성능을 예측하는 이론적인 해석을 수행하였다¹⁰⁾.

그리고 Ko 등은 액체 수소용 이중 진공 단열 저장용기 내부의 유동 해석을 하여 구조 변화에 대한 예측을 하였다¹¹⁾. 그러나 FEM을 이용하여 왕복동 펌프의 구조 및 유로해석을 한 경우는 많지 않은 상황이다. 또한 누설을 막는 Seal에 대한 해석도 미진한 편이다.

본 연구에서는 기존의 왕복동 펌프와는 다른 구조이며 90 MPa까지 압축할 수 있는 펌프를 개발하고자 하였다. 이를 위해 상용 소프트웨어인 Ansys (Ansys, Canonsburg, PA, USA)를 이용하여 액화수소 펌프 챔버의 구조 및 Lip Seal의 구조 해석을 수행하였다. 또한 내부 유로의 유한요소해석을 통해 설계를 진행하였다.

액화 수소 펌프는 고압으로 압축을 해주어야 하므로, 1차와 2차의 가압 과정을 거친다. 1차 가압이 이루어진 후 2차 챔버로 이동하는 유로의 설계가 중요하다. 이에 본 장에서는 T자형 유로의 경우 지름 t₁ = 6 mm일 때와 t₂ = 10 mm인 경우, Y자형의 경우는 기울기가 θ₁ = 37°인 경우와 θ₂ = 48°인 경우 각각 두가지에 대해 해석하고 결과를 비교하였다. Fig. 7(a)에 해석 변수의 정의가 나와 있다.

Fig. 7. 
(a) Parameter definitions of a flow analysis and (b) the analysis model

해석에 사용한 요소는 Fluid141이고 물성치는 Table 2에 나와 있다. 이 물성치는 압력이 90 MPa 온도는 –73℃ (200 K) 일 때의 값이다¹⁴⁾. 해석 조건은 피스톤의 위치가 바닥면으로부터 50 mm일 때, 그리고 이동 속도는 0.432 m/s일 때로 가정하였다. T자형이며 유로가 Φ 6 mm인 경우의 해석 모델이 Fig. 7(b)에 나와 있다. 이 경우 격자 (Mesh)의 크기는 1 × 1 mm (가로 × 세로)이고, 전체 격자 수는 6810개였다.

해석 결과가 Figs. 8-11에 보여지고 있다. 우선 유속을 살펴보면 유로가 Φ 6 mm에서 Φ 10 mm로 늘어나게 되면 최대값이 1.8 m/s에 1.5 m/s로 16.7% 감소함을 알 수 있다(Figs. 8(a), 9(a)). 또한 최대 압력은 731.5 Pa에서 244.1 Pa로 66.6%로 확연히 감소하였다(Figs. 8(b), 9(b)). 이 결과는 유로의 폭이 넓어지면 좀 더 낮은 손실 저항을 보여줌을 알 수 있다.

Fig. 8. 
Analysis results of a 6 mm path: (a) velocity and (b) pressure

Fig. 9. 
Analysis results of a 10 mm path: (a) velocity and (b) pressure

Fig. 10. 
Analysis results of an angled path (37°): (a) velocity and (b) pressure

Fig. 11. 
Analysis results of an angled path (48°): (a) velocity and (b) pressure

다음으로 T자형과 기울기가 주어진 Y자형의 경우를 살펴보면, 최대 유속은 T형에서 37°로 바뀌게 되면 1.1 m/s로 38.9% 줄어든다(Fig. 10(a)). 그리고 최대 압력은 48°인 경우 297.0 Pa로 59.4%로 감소하였다(Fig. 11(b)). 그러므로 가능한 경우 Y자형으로 설계한다면 유로저항을 줄여 줄 수 있을 것으로 보인다.

본 논문에서는 액화수소용 펌프의 챔버 구조와 Lip Seal의 구조 해석을 수행하였다. 또한 내부 유로를 변경해 가면서 유한요소해석을 통해 설계를 진행하였다. 그 결과는 다음과 같다.

• (1) 압력이 주어졌을 경우 챔버의 변형량을 계산하였으며, 누설에 영향을 주는 z방향 변형량은 1차 챔버의 경우 최대 변형량은 Δl_z1 = 1.0 μm, 2차 챔버의 경우 최대 변형량은 Δl_z2 = 14.0 μm로 구했다. 그러므로 2차 챔버의 누설에 대비한 설계가 필요하게 되었다.
• (2) 누설을 막기 위한 Lip Seal을 선정하였고, 이를 FEM으로 설계하였다. 해석 결과 끝단이 90 μm 휘어짐을 알 수 있었고, 펌프 내벽과 실린더 사이에 위치하여, 실링 효과를 기대할 수 있다.
• (3) 마지막으로, 1차 가압이 이루어진 후 2차 챔버로 이동하는 유로의 설계를 진행한 결과, 유로의 폭이 넓어질 때, T자형보다는 Y자형에서 좀 더 낮은 손실 저항을 보여줌을 알 수 있었다.

위의 결과를 활용하여, 향후 수소펌프의 상세설계를 진행한다면, 효율적인 제작이 가능할 것으로 판단된다.