방진 시스템이 적용된 연료전지 엔진의 진동 특성 분석 및 절연 방안 연구

Abstract

본 논문에서는 수송 기계 및 건설 기계에 적용되는 연료전지 엔진의 진동 특성을 분석하고 이를 저감하는 방안에 대한 연구를 진행하였다. 먼저 실제 수소 연료전지의 진동 응답 및 모드 측정을 통하여 수소 연료전지에서 발생하는 주요 응답을 분석하고 이를 모사하는 간이 모델을 제작하였다. 이후 실제 연료전지 스택 및 간이모델에서 비틀림 응답이 주요한 모드로 확인되었다. 스택 구조에 따른 비틀림 모드의 응답 변화를 고찰하기 위하여 적층 보를 이용한 실험을 통하여 구조적 특성에 따른 동적 물성 및 응답 변화를 분석하였다. 연료전지 스택이 기계에 체결되어 사용될 경우 지지 강성에 따른 스택의 주요 응답 변화를 확인하기 위하여 지지 강성에 따른 응답 변화를 분석하였다. 각 지지 강성의 절대적 수치를 도출하기 위하여 전달함수법을 이용하여 지지 강성의 수직 및 수평의 동적 물성치를 도출하였고, 이를 통하여 수직 및 수평 강성의 비율에 따라 주요 모드에 어떠한 영향을 주는지 파악하였다. 수소 연료전지 스택이 사용되는 연료전지 엔진의 진동 특성을 분석하기 위하여 실험을 진행하였으며, 엔진의 특성 변화에 따른 응답을 예측하기 위하여 스펙트럴요소법(SEM)을 이용한 이론 해석 모델을 구성하였다. 해석 모델을 실제 연료전지 엔진의 응답과 유사하게 도출하기 위하여 엔진의 구조적 특징 및 형상을 적용하여 구성하였으며, 실험 결과와 진동 응답을 비교하여 해석 모델의 신뢰성을 검증하였다. 수소 연료전지 엔진의 주요 진동 응답은 강체 모드로 분석되었으며, 이를 저감하는 방법으로 충격 응답 스펙트럼(SRS)를 이용하였다. SRS분석을 위해 엔진에서 발생하는 주요 진동 응답을 모사하는 모델을 구성하였으며 이를 통하여 엔진에서 나타나는 주요 강체 응답을 제어할수 있는 지지 강성의 조건을 분석하였다. 엔진 외부에서 입력이 발생하여 엔진 내부의 수소연료전지 스택에 전달되는 경우 스택에서 발생하는 주요 응답을 저감하는 방법을 SRS를 이용하여 분석하였다. 연료전지 스택의 구조적 특성과 적층 보를 통해 도출한 결과를 활용하여 스택의 비틀림 모드를 모사하는 해석 모델을 SEM을 이용하여 구성하였다. 실험을 통하여 도출한 주파수 응답과 구성된 모델의 주파수 응답의 비교를 통하여 비틀림 모드 모사 모델의 타당성을 검증하였다. 또한 스택에 사용되는 지지 강성의 방향 별 강성 크기에 따른 비틀림 응답 발생 영향도를 분석하였다. 결과적으로 수소 연료전지 엔진 및 스택의 진동 특성을 파악하였고 방진 시스템에 따른 응답 변화를 분석하였다. 따라서 본 연구에서 분석한 결과와 제시한 해석 방법을 통하여 방진 시스템의 변화에 따른 엔진의 진동 성능 평가 및 예측이 가능하며 엔진에 따른 최적화된 방진 시스템을 설계하는 것이 가능하다.