CNG자동차용 복합재료용기 개발 및 검사연구

김기동, 최동수, 신동현, 한정옥, 박용국*, 노오선*

한국가스공사 연구개발원

*한국가스안전공사 가스안전기술연구센타

Development and Investigation of CNG Composite Cylinder for Natural Gas Vehicle

K. D. Kim , D. Choi, D. H. Shin, J. O. Han, Y. K. Park*, and O. S. No*

R & D Center, KOGAS

*Korea Gas Safety Corporation

1. 서 론

대기환경보존에 대한 중요성 인식의 확대에 따라 저공해 자동차에 대한 요구가 증대되고 있다. 저공해자동차라 함은 기존의 가솔린 자동차와 달리 배출가스와 오염물질을 적게 배출하는 자동차로 천연가스자동차(NGV), 연료전지자동차, 수소자동차, 알코올자동차, 액화석유가스자동차(LPG)등을 말한다. 이중에서 천연가스자동차는 천연가스의 풍부한 매장량과 기존엔진의 변경용이성, 단위 칼로리당 낮은 CO2발생율, 액화시에 불순물이 제거등의 장점으로 보급을 추진중이다.

표1 차종별 오염물질 배출량 비교

LPG택시,휘발유자동차,경유소형화물차 : g/□

경유버스, CNG버스 : g/□h

구 분	미세먼지 (PM)	탄화수소 (HC)	일산화탄소 (CO)	질소산화물 (NOx)
LPG 택시	-	0.10	0.71	0.24
휘발유 승용차	-	0.12	0.64	0.18
경유 소형화물차	0.13	0.09	0.64	1.12
경유버스	0.40	0.96	3.92	7.20
CNG버스 1 (촉매 미부착시)	-	0.15	1.59	2.64
CNG버스 2 (촉매 부착시)	-	0.02	0.16	0.26

천연가스 자동차(NGV: Natural Gas Vehicle)는 연료의 형태에 따라 액화천연가스(LNG: Liquefied Natural Gas), 흡착천연가스(ANG: Adsorbed Natural Gas), 압축천연가스(CNG: Compressed Natural Gas) 자동차로 분류된다. 이중 가장 보급이 활발한 것은 CNG자동차이고, 선진외국에서의 미니밴과 천연가스 보급과 마찬가지로 우리나라에서도 천연가스 자동차는 도심지 대기오염 저감을 목표로 시내버스분야에서 먼저 도입이 예정되어 있다.

정부에서는 도심지 경유차량으로 인한 대기오염 증가 억제를 목표로 시내버스를 시작으로 경유차량 대신 대·폐차 버스에 대하여 점진적으로 천연가스 버스를 도입하기로 하였다. 특히 정부는 시내버스중에서 내용년수가 지나 교체되는 버스는 가급적 천연가스 버스로 대체하여 현재 교체비율이 전체의 15%가량인점을 감안하면 앞으로 7년 이내에 대부분의 버스를 천연가스 차량으로 교체하는 방안을 고려중이다. 이러한 목표를 위해 정부에서는 다음과 같은 적잖은 문제를 해결하고 있다.

① 법적인 문제[세제지원, 예산보조등 포함]

- 환경부에서 제도를 마련하였다.

② 충전소 설치

- 충전소관련 제도 정비가 되었고,

③ 천연가스 버스가격이 고가

- 천연가스 버스가격이 결정되었으나, 가격이 고가이다.

④ 천연가스 요금중 수송용 가격설정

- 현천연가스 요금체계를 정비하고 있는 중이다.

위의 사항중에서 일반 버스운송업자들이 천연가스 버스 도입에 가장 큰 장애가 되는 것은 버스가격이 일반 디젤버스에 비해 2배정도 비싸다는 점이다. 천연가스 버스 가격이 높은 원인은 차량내에 가스를 저장하는 압축용기와 그에 따르는 부품때문으로, 국내 천연가스 버스 보급 활성화와 기술개발을 위해서는 빠른 시일내에 국산 압축가스저장용기 개발이 필요하다.

본 연구에서는 가격이 저렴하면서 무게와 천연가스 저장이 최적화된 강재라이너 기반의 압축천연가스 버스용 복합용기 개발과 국내 검사기준 마련에 초점을 두었다.

2. 본 론

2-1. 용기의 종류

천연가스 자동차용 연료용기의 분류는 국제적으로 4가지로 나눌 수 있는데, 좀 더 세부적으로 나누면 다음의 5가지항으로 분류할 수가 있다.

① steel용기[steel] - seamless/ NGV-1

② 원통부분만 강화된 steel용기[hoop-wrapped steel]/ NGV-2,3

③ 원통부분만 강화된 aluminum용기[hoop-wrapped aluminum]/ NGV-2,3

④ 전부분이 강화된 aluminum용기[full-wrapped aluminum]/ NGV-2,3

⑤ 전부분이 복합용기[all composite]/ NGV-4

강화제는 유리섬유나 탄소섬유 및 아라미드 섬유[FRP; fiber reinforced plastic]등의 높은 비강도 및 비탄성도를 이용한 filament winding으로 순수 금속압력용기에 비해 무게면에서 40~60%를 이득을 보게된다.

각각의 저장용기에 사용되는 재질등으로 천연가스 저장용량과 연료용기사이의 중량부분에서는 steel용기가 제일 불리하고, all composite용기가 가장 유리하나, 반대로 가격면에서는 steel용기가 유리하다. 이렇게 가격과 중량등을 고려하여 천연가스 자동차의 용도에 따라 알맞은 연료용기를 설치해야 한다.

외국에서는 일반적으로 천연가스 버스에 hoop-wrapped steel용기를 많이 사용한다. 따라서 국내에서 생산되는 천연가스 버스에도 FRP steel용기를 적용하였다.

2-2. 복합용기의 특징

FRP로 강화한 연료용기는 기존의 금속용기에 비해 다음과 같은 장점을 가진다.

① 무게가 가볍다.

복합용기는 steel용기보다 최대 50%까지 무게를 줄일 수 있어서, 천연가스 저장용량을 늘려 주행거리를 길게한다.

② 내식성

steel용기에 비해 환경의 영향이 적으며, 내식성 및 내구성, 내화학성이 좋고, 열전도율이 작아 단열효과도 볼 수 있다.

③ 안정성

steel용기보다 고압에서 충전이 가능하여, 가스저장용량을 늘릴 수 있다.

④ 장기적인 수명

2-3. 용기의 규격

알루미늄 라이너를 이용한 복합용기에 대한 심사기준은 있으나 본 연구에서 개발할 강재라이너 복합용기는 국내에서는 관련기준이 제정되어 있지 않아 본 과제를 통해 얻은 자료와 외국의 표준서를 바탕으로 기술기준을 연구할 예정이다.

표2 세계각국의 제작 표준서

미국	이탈리아	호주	영구	일본
DOT-10256 AGA-NGV2등	DM12/9125	ASB114 (1777:알루미늄합금의 경우)	BS50469t1	JIS-B8241

연료용기의 충진압력은 3000psi와 3600psi 2가지로 구분된다. 연료용기의 충전압력이 증가하면 용기에 충전되는 연료의 양이 증가되어 차량 주행거리가 길어진다. 그러나 압력이 증가되면 용기의 안정성 때문에 용기 두께가 증가하게 되어 전체 연료용기의 무게가 늘어나게 된다. 따라서 충전압력에 따라 연료용기의 최적화가 이루워져야 한다.

2-4. 강재라이너와 복합용기 제작

가. 강재라이너

앞절에서의 기준(NGV-2: steel liner + hoop wrapping)을 바탕으로 본 연구진은 국내업체와 공동으로 강재라이너를 제작한 다음 winding업체에 fiber filament winding을 수행중이다.

먼저 국내에 보급할 천연가스 버스를 목표로 복합용기의 외경을 결정하였고, 각 winding업체를 통해서 강화제인 fiber의 두께를 추론하여 생산할 강재라이너의 외경을 결정하였다.

- 라이너용 재료 : Cr-Mn강

- 라이너 제조 방법 : deep-drawing method

- 라이너 두께 및 중량에 대한 모사 : 유한요소법(FEM)을 통한 분석

- 파열압력(BP; Burst Pressure) : 사용압력의 최소 125%

표3 국내제작 천연가스 버스용 복합용기의 규격

자동차 회사	복합용기
	외경	길이	제조사
A사	12.7□	72□	외국
B사	12.7□	72□, 58□	외국

나. filament winding

국내 강재라이너 업체에서 제조된 강재라이너에 hoop와 전부분을 fiber를 사용하여 filament winding작업을 수행중이다.

- filament winding방법 : 4축 winding

- fiber두께에 대한 강도시험 : 업체자체

2-5. 용기의 시험·평가 방법

제조된 강재라이너 복합용기는 각 공정후 아래의 검사항목에 따른 시험과 평가를 거친다. 또한 국내에서 시험가능하고, 용기사용시 고시에 적용할 검사방법등에 대한 연구를 병행하고 있다.

표4 강재라이너 복합용기 시험항목

강재라이너	복합재료용기
화학적분석 충격시험 인장시험 몸통두께 측정 황화물 응력 크랙시험 기밀시험 라이너 파열시험 비파괴시험	내압시험 기밀시험 압력 반복시험 환경시험 결함시험 사격시험 낙하시험 화염시험 복합재료 시험 -자외선 안정성시험 -층간전단시험 가속 응력 파열시험 용기 파괴특성 시험

3. 결 론

천연가스 버스용 강재복합용기개발을 진행중이다.

국내 천연가스 버스사에 적용중인 연료용기의 규격을 바탕으로 개발할 용기 외경를 설정하였고, FEM을 통해 용기 안정성, 두께에 대한 모사를 통해 최적의 설계를 구성중이며, 관련 시험 및 평가항목을 정리중이다.