Demand for research on the use of hydrogen, an eco-friendly fuel, is rapidly increasing in accordance with global environmental problems and IMO environmental regulations in the shipbuilding and marine industry. In the case of hydrogen, similar to liquefied natural gas, it has a characteristic that its volume decreases hundreds of times during phase transformation from gas to liquid, so it must be stored in a tank in the form of liquefied hydrogen for transport efficiency. The material of the liquid hydrogen tank is selected in consideration of mechanical properties and hydrogen embrittlement at cryogenic temperatures. In this study, welding research was conducted on STS316L material, which was most commonly used in the space industry. In this study, flux cored arc welding was performed under 4 welding conditions to derive the optimal welding conditions for STS316L material, and then mechanical properties of the welded part were compared and analyzed.

본 논문은 슬로싱 상태에 놓인 포화 상태 액체수소탱크에서 열 유속 및 BOG(Boil-off gas)의 경향을 다루고 있다. 특히, 액체-기체 간의 침투 및 혼합에 의한 열 교환에 관심을 두었다. 먼저, VOF(Volume of fluid)와 Eulerian 기반의 다상 유동모델로 모형 슬로싱 실험 을 모사하여 압력을 예측하고 계측된 값과 비교하였다. 자유 수면 및 충격 압력 실험 결과와 해석 결과를 비교하였으며, 유체의 속도 예측에서 정확할 수 있음을 간접적으로 증명하였다. 그리고 2차원의 Type-C 원통형 수소탱크를 대상으로 다상열유동해석을 수행하 였다. 이때 포화상태에 놓인 액체 및 기체수소를 가정하고, 해석을 통해 각 상간의 혼합에 의한 열 교환의 수준을 확인하고자 하였다. 단, 상간의 열 교환만을 관심으로 두고 있었으므로 질량전달 및 기화모델은 해석에서 제외하였다. 최종적으로 상의 혼합으로 인해 액 체수소로 유입되는 열 유속의 기여도에 대하여 정리하였다. 또한 액체수소로 유입되는 열 유속과 집중 질량 기반의 간이식을 통해 BOG 발생량 및 경향을 예측하고 분석하였다.

강화되는 환경규제에 대응하기 위해서 세계 각국이 수소 경제로의 전환을 본격화하고 있으며, 이에 중장기적으로 수소의 국가 간 물동량도 증가할 것으로 예상된다. 국가간 수소의 거래는 수출국의 신재생 에너지 자원과 수입국의 수소 사용 형태, 기술 성숙도 등을 고려하여 암모니아, 액화수소, LOHC 등의 형태로 이루어질 것이나, 어느 한 가지 형태로만 거래되지는 않을 것이다. 액화수소 대비 암모 니아와 LOHC의 해상운송은 상대적으로 성숙한 기술임에 본 글에서는 향후 액화수소 운반선 개발을 위하여 필요한 세부 기술들의 식별 및 다양한 기술적 대안들을 통해 가능한 설계안을 확보하면서, 그에 따른 기술적 타당성을 분석하였다.

액화 수소 운반선에서 증발가스의 발생은 불가피하며, 화물탱크 내부의 압력 문제를 피하기 위해 적절한 조치가 필요하다. 이 증발 가스는 선박의 추진연료로 사용 될 수 있으며, 추진에 사용되고 남은 나머지 부분은 재액화 또는 연소시키는 등 효과적으로 관리해야 한다. 본 연구에서는 수소 추진 시스템을 갖춘 160,000m3 액화 수소 운반선에 최적화된 증발 가스 재액화 시스템을 제안한다. 이 시스템은 수소 압 축 및 헬륨 냉매 섹션으로 구성되고, 화물탱크로부터 배출되는 증발가스의 냉열을 효과적으로 활용하여 효율을 증가시켰다. 본 연구에서는 공급 온도 -220℃인 수소 증발가스가 재액화 시스템에 들어가는 상태에서 증발가스의 재액화 비율에 따른 엑서지 효율 및 에너지 소모율 (SEC, Specific Energy Consumption) 분석을 통해 시스템을 평가하였다. 그 결과 재액화 비율 20%에서 4.11kWh/kgLH2의 SEC와 60.1%의 엑서지 효율을 보여 주었다. 아울러, 수소 압축압력, 수소 팽창기의 입구온도, 공급 증발가스 온도변화에 따른 영향을 확인하였다.