Estimation of Boil-Off Gas in Small-Scale Liquid Hydrogen Storage Vessels Using a Phase Change Model based on Intermolecular Interaction

액체수소는 끓는점이 20 K 수준으로 낮아 외부로부터 유입되는 열에너지에 의해 쉽게 기화되어 BOG(boil-off gas)를 발생시킨다. BOG는 압력 상승으로 액체수소 저장용기의 파열을 야기하며, 이를 방지하기 위해 압력 상승률 예측이 요구된다. 압력 상승은 열에너지로 인한 온도 상승뿐만 아니라 액체 및 기체수소의 기화 및 액화로 인한 밀도 변화에 영향을 주므로, 압력 상승률 예측 시 상변화 모델이 필수적으로 사용되어야 한다. 상변화 모델로서 통상적으로 사용되는 Lee 모델이 있으나, 실험 데이터를 통해 경험적 계수를 별도로 도출해야 하는 단점을 가지고 있다. 본 연구에서는 경험적 계수가 요구되지 않는 분자 간 상호작용 기반 상변화 모델을 제안하였다. 모델의 검증을 위해 NASA에서 직경이 230 mm인 소형 액체수소 저장용기를 대상으로 수행한 자기가압실험을 다상유동해석으로 모사하였고, 1,549.9 Pa/s의 압력상승률과 113%/day의 BOR(boil-off rate)이 도출되었다. 자기가압실험으로 얻어진 압력상승률인 1,578.3 Pa/s와 1.8%의 오차를 보였으며, 제안한 상변화 모델을 통해 액체수소 저장용기의 압력 거동 모사가 가능함을 확인하였다.