FEA(Finite Element Analysis) Study for Electronic Hydrogen Regulator of Confidentiality Improvement

In the case of a conventional single stage decompression regulator used for large depressurization in the hydrogen fuel cell system of a fuel cell electric vehicle (FCEV), problems can arise, such as pulsation, slow response, hydrogen brittleness, leakage, high weight, and high cost due to high decompression. Most of these problems can be overcome easily using two decompression mechanisms (two-stage structures). In addition, a wide outlet-pressure control range can be secured if an electronic solenoid is applied to the second decompression. Accordingly, it is necessary to improve the precision of the outlet pressure of a two-stage pressure-reducing regulator and develop techniques, such as leakage prevention, durability, light weight, and price reduction. Therefore, to improve the outlet pressure accuracy and prevent leakage, the structural part before and after decompression to improve the air tightness were divided and the analysis was carried out assuming that the valve part was closed (open ratio: 0%) after each initial internal pressure application.

전자식 수소레귤레이터 기밀성 향상을 위한 FEA 연구

수소연료전지차(FCEV)의 수소연료 공급시스템에서 대용량 감압에 사용되는 기존의 1단 감압 구조 레귤레이터(Regulator)의 경우 높은 감압에 따른 맥동과 느린 응답, 수소 취성, 누설, 고중량, 고비용 등의 문제점이 있다. 이러한 문제점은 2번에 걸친 감압 메커니즘(2단 구조)을 가지는 2단 레귤레이터 개발을 통해 극복될 수 있으며, 2번째 감압시점에 전자식 솔레노이드 밸브를 적용한다면 폭넓은 출구압력의 제어가 가능하다. 이에 따라 2단 전자식 솔레노이드 밸브를 가지는 레귤레이터의 출구압력 정밀도 향상과 누설방지, 내구성, 경량화, 가격저감 등의 기술개발이 필요한 실정이다. 이중에서도 레귤레이터의 필수적인 성능인 출구압력 정밀도 향상과 누설 방지를 위해 감압 전과 감압 후의 구조부분을 나누어 각각의 초기 내압 적용 후 Valve part가 닫힌 상태(Open Ratio : 0 %)로 가정하여 해석 연구를 진행하였다. 1차감압부의 기밀성과 관련하여 Aluminum Alloy 소재의 사용은 부적절하다고 판단되었고, 서로 다른 금속으로 구성되었을 때는 응력의 변화와 함께 변위 또한 같이 증가하므로 이종 소재를 사용하는 접촉부 구성은 부적절하다고 판단되었다. 2차 감압부의 기밀성과 관련된 변위 측면에서는 Young's Modulus 값이 큰 TPU(Thermoplastic Polyurethane)를 사용하는 것이 비교적 변위량이 작으므로 적절하다고 판단하였고, 기밀성에 대한 기준으로 Case 분석을 진행한 결과 최적 형상을 설계할 수 있었다.