[논문]연료전지 자동차용 R-134a 전동식 히트펌프 시스템 개발에 관한 연구

이준경; 이동혁; 원종필

문제 정의

따라서 본 연구는 연료전지 시스템에 유기적으로 통합된 히트펌프 시스템을 개발하는 것을 목적으로, 전기적인 방법보다는 연료전지 시스템의 폐열을 난방의 열원으로 사용하여 효율적인 난방을 발휘 함과 동시에 전동 압축기 의 구동에 기인하는 연비의 악화를 억제할 수 있는 전자제어식 난방 시스템 개발을 목적으로 하였다. 이와 관련하여 CO₂ 및 R134a를 사용하는 히트펌프시스템의 개발 모두가 의미가 있을 것으로 예상이 된다.
된다. 따라서 본 연구에서는 히트 펌프 시스템에 대해 연료전지 스택 냉각수의 온도 및 유량의 변화에 대한 난방 성 능평가결과를 정 리 하였다.

가설 설정

5는 실내 공기 온도 -20℃, 실내 공기 풍량 7 m3/min, 스택 냉각수 유량은 5 L/min로 고정하고, 냉각수 온도를 20~60。(:로 변화시켜가며 실험을 한 결과이다. 여기서 실내 공기 온도를 낮게 설정한 이유는 극한 조건인 자동차 외기의 온도가-20℃가 되었을 경우 그대로 자동차 실내부로 유입이 된 경우를 가정하여 설정한 것이다.
차량의 열적 안정성과 관련하여, 기존 내연기관자동차와 구별이 되는 큰 두 개의 특징 이 존재한다첫째, 연료전지 자동차에 대해 기존 내연기관 자동차에서 사용되던 기계식 벨트 구동 압축기가 사용될 수 없다는 것이다. 그로인해, 구동 시스템과 별도로 제어되는 전동식 압축기의 사용에 기인하여 차량정지 시의 겨울철 예열 및 여름철 예냉, 저속에서의 신속한 Cool-down에 따른 향상된 열적 안정수준을 제공할 수 있다.

제안 방법

,e와 1 개의 3-way Val.,e에 의해 이루어지도록 구성하였으며 냉방 모드와 난방 모드 공통으로 냉매 질량 유량을 계측할 수 있도록 전동식 압축기 출구 측에 질량 유량계를 설치하였다. 전동식 압축기로의 액상 냉매의 유입을 방지하기 위하여 판형 열교환기 출구에 l, 000cc의 내부 체적을 가지는 Accumulator를 설치하여 전동식 압축기를 보호하였으며, E.
스택의 냉각수 온도뿐만 아니라 연료전지 스택의 원활한 작동을 위해서는 유량을 변화시켜야만 하고, 여기서는 그러한 영향을 살펴보기 위해, 스택의 유량을 바꾸어가며 실험을 수행하였다. 냉각수 온도는 40℃를 기준으로 하였고, 냉각수 유량을 5 및 15 L/min으로 변화시켰고, 그 결과를 Fig.
시작품 성능 평가 시에 실험 데이터는 모두 Labview 프로그램으로 GUI 실현이 되는 데이터 획득 장치(DAQ)를 통하여 수집 하였으며 경 향 모니터링을 통해 충분히 정상 상태에 도달한 이후에 엑셀형식으로 저장하도록 하였다. 저장된 데이터를 다시 냉 매 R-134a의 열물성 치 를 자동적 으로 계산하도록 구성된 엑셀 데이터시트로 변환하여 최종적으로 시스템 성능계수와 응축기의 방열량, 판형 열교환기의 전열용량, 실내 열교환기의 냉방용량 및 난방용량, 평균 냉매 질량 유량, 열교환기 입구 및 출구에서의 과열도 및 과냉도, 평행다류관 응축기, 온수식 판형 열교환기, 실내 열교환기에서의 압력 강하등 을 계산하도록 하였으며, 동시에 냉난방 시스템사이클에 대한 P-h 및 T-s 선도를 구현해 보임으로서 각 시스템의 작동 상태를 직접 확인하고 시스템추가 컨트롤 여부를 결정하는데 도움을 주도록 하였다.
앞에서는 정상 상태에서의 히트 펌프 시스템의 성능 특성을 파악하였다. 여기서는 실제 히트 펌프 시스템을 운전하였을 때, 얼마나 빨리 그러한 정상상태에서의 성능을 나타낼 수 있느냐는 문제도 정상 상태에서의 성능 특성만큼이나 중요하기 때문에, 그에 관한실험을수행하였다.
특성을 파악하였다. 여기서는 실제 히트 펌프 시스템을 운전하였을 때, 얼마나 빨리 그러한 정상상태에서의 성능을 나타낼 수 있느냐는 문제도 정상 상태에서의 성능 특성만큼이나 중요하기 때문에, 그에 관한실험을수행하였다.
통해 충분히 정상 상태에 도달한 이후에 엑셀형식으로 저장하도록 하였다. 저장된 데이터를 다시 냉 매 R-134a의 열물성 치 를 자동적 으로 계산하도록 구성된 엑셀 데이터시트로 변환하여 최종적으로 시스템 성능계수와 응축기의 방열량, 판형 열교환기의 전열용량, 실내 열교환기의 냉방용량 및 난방용량, 평균 냉매 질량 유량, 열교환기 입구 및 출구에서의 과열도 및 과냉도, 평행다류관 응축기, 온수식 판형 열교환기, 실내 열교환기에서의 압력 강하등 을 계산하도록 하였으며, 동시에 냉난방 시스템사이클에 대한 P-h 및 T-s 선도를 구현해 보임으로서 각 시스템의 작동 상태를 직접 확인하고 시스템추가 컨트롤 여부를 결정하는데 도움을 주도록 하였다.
,e에 의해 이루어지도록 구성하였으며 냉방 모드와 난방 모드 공통으로 냉매 질량 유량을 계측할 수 있도록 전동식 압축기 출구 측에 질량 유량계를 설치하였다. 전동식 압축기로의 액상 냉매의 유입을 방지하기 위하여 판형 열교환기 출구에 l, 000cc의 내부 체적을 가지는 Accumulator를 설치하여 전동식 압축기를 보호하였으며, E.E.V. 입구와 전동식 압축기 입구 측에 냉매 필터를 설치하여 각각의 시작품을 보호하도록 하였다.
이와 관련하여 CO₂ 및 R134a를 사용하는 히트펌프시스템의 개발 모두가 의미가 있을 것으로 예상이 된다. 하지만 본 연구에서는 우선 비교적 시스템 구성 이 용이 한 R134a를 사용하는 히트펌 프 시스템을 구성하였다. 그로부터 스택 냉각수의 조건 변화에 따른 시스템 특성을 파악하여, 향후 신냉매를 사용할 경우에 대비하고, 차후에 자연냉매 C₆ 히트펌프 시스템 개발에 기초 및 비교 데이터로 본 연구의 결과가 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

성능/효과

1) 본 연구에서 제안한 연료전지 스택의 폐열을 난방 보조 열원으로 사용하는 난방 시스템에 대한 성능 평가를 통해, 외기 온도 -20℃에서 난방성능 4~10 kW를 달성 할 수 있었고, 실내 열교환기출구 공기 온도가 최대 70℃까지 도달할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 시스템 성능계수도 3~13 의 높은 값을 가질 수 있었다.
2) 스택 냉각수의 온도가 증가할수록, 실외 열교환기 내 열교환량이 커지고, 그로 인해 실내 열교환기의 방열량이 증가하여, 실내 열교환기 출구 공기 온도가 증가하였다. 그러나 열교환량이 커지는 만큼 냉매의 질량유량도 증가하여, 압축기의 소요 동력도 증가하며, 그에 의해 시스템 성능계수가 낮아졌다.
3) 스택 냉각수의 유량이 증가할수록, 스택 냉각수의 온도가 상숭할 때의 경 향과 유사한 경향이 나타났다.
4) 외기 온도 -2(TC 에서 시스템 가동30 초 이후 난방성능 6.8 kW를 달성할 수 있었으며, 시스템 가동 90 초 이후 정상상태에 도달할 수 있었으며, 실내 열교환기 출구 공기 온도도 35℃에 도달함을 확인할 수 있었다.
속도가 쉽게 변하지 않기에 용량 제어를 통해 외부 제어가 이루어지는 기계식 압축기에 비해 전동식 압축기는 스크롤 타입을 채택함으로서 저/중속에서 매우 적은 동력 소모를 하는 특성이 있다.4)본 연구에 사용된 전동식 압축기는 인버터 내장형 스크롤 타입 전동식 압축기로서 최대 허용 회전수는 7, 800 rpm, 최대냉방용량은 6.5 kW이다.
온도가 증가하였다. 그러나 열교환량이 커지는 만큼 냉매의 질량유량도 증가하여, 압축기의 소요 동력도 증가하며, 그에 의해 시스템 성능계수가 낮아졌다.
둘째로, 연료전지 자동차의 경우, 동절기 난방 시, 냉각수 온도가 실내를 충분히 난방하기에 부족하다는 것이다. 즉, 기존 내연기관의 냉각수는 100℃ 이상인데 반하여, 연료전지 스택의 경우, 작동온도가 80℃이하라는 제한조건이 존재하기 때문에, 기존의 난방모드에 비해 낮은 냉각수 온도는 실내의 신속한 난방을 방해하게 된다.
이러한 설계 자유도 확보는 냉난방 시스템모듈이 계기판의 안쪽이나 차체 바닥 아래에 놓일수 있어 내부 공간 활용도를 향상시키며 냉난방 시스템의 고 기밀성은 시스템의 통합 모듈화에 기여하는 이점이 있다. 스크롤 타입 전동 압축기의 고효율과 높은 제어성은 차량 속도에 무관하게 안정된시스템 성능 확보 및 시스템 효율 향상이 가능하다.2-4)
통상 전기적 방법에 비해 폐열을 이용하는 히트펌프 시스템은 에어컨 시스템을 그대로 이용할 수 있고, 조금 더 높은 효율을 달성할 수 있다는 것을 기존의 연구를 통해 알 수 있고, 그러 한 방법들 중 냉매 특성상 높은 열용량을 가지는 자연냉매, CO₂ 를 사용한 히트펌프 시스템 이 좋은 성능을 나타냄을 알 수 있었다.2-6) 그러나CO₂ 시스템의 경우, 안전성, 대량 생산 및 인프라 구축 등의 문제가 남아있다.

후속연구

하지만 본 연구에서는 우선 비교적 시스템 구성 이 용이 한 R134a를 사용하는 히트펌 프 시스템을 구성하였다. 그로부터 스택 냉각수의 조건 변화에 따른 시스템 특성을 파악하여, 향후 신냉매를 사용할 경우에 대비하고, 차후에 자연냉매 C₆ 히트펌프 시스템 개발에 기초 및 비교 데이터로 본 연구의 결과가 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

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