연료전지 자동차는 성능과 수명 측면에서, 전해질막의 가습이 필요하며, 이를 위해 반응기체인 공기, 수소의 높은 가습이 요구된다. 본 연구에서는 내경 75 mm공기공급관 내에 직접 삽입된 인젝터(노즐)과 액적제거를 위한 사이클론을 통한 가습장치를 고안하여 실험을 수행하였다. 충돌형 노즐 3 종류를 이용하여 분사압력, 공기 유량, 분사방향각도를 달리하여 실험을 수행하였다. 가습 성능을 분석하기 위해, 가습효율이라는 개념을 정의하였다. 별도의 외부 열공급원 없이 분사되는 물과 공기의 엔탈피가 자체 기화열 공급원으로, 분사되는 물의 양이 가습에 가장 중요한 변수임을 볼 수 있었다. 사이클론은 높은 공기유량에서 재비산이 발생되는 것을 볼 수 있었다. 노즐타입 PJ24, 분사방향 각도 90도, 분사압력 1200 kPa, 공기 유량 6000 nlpm에서 절대습도$21.29\;kJ/kg_{da}$, 가습 효율 86.57%를 얻을 수 있었다.
연료전지 자동차는 성능과 수명 측면에서, 전해질막의 가습이 필요하며, 이를 위해 반응기체인 공기, 수소의 높은 가습이 요구된다. 본 연구에서는 내경 75 mm공기공급관 내에 직접 삽입된 인젝터(노즐)과 액적제거를 위한 사이클론을 통한 가습장치를 고안하여 실험을 수행하였다. 충돌형 노즐 3 종류를 이용하여 분사압력, 공기 유량, 분사방향각도를 달리하여 실험을 수행하였다. 가습 성능을 분석하기 위해, 가습효율이라는 개념을 정의하였다. 별도의 외부 열공급원 없이 분사되는 물과 공기의 엔탈피가 자체 기화열 공급원으로, 분사되는 물의 양이 가습에 가장 중요한 변수임을 볼 수 있었다. 사이클론은 높은 공기유량에서 재비산이 발생되는 것을 볼 수 있었다. 노즐타입 PJ24, 분사방향 각도 90도, 분사압력 1200 kPa, 공기 유량 6000 nlpm에서 절대습도 $21.29\;kJ/kg_{da}$, 가습 효율 86.57%를 얻을 수 있었다.
Humidification of PEM fuel cells is necessary for enhancing their performance and lifetime. In this study, a humidification system was designed and tested; the system includes an air-supply tube (inner diameter: 75 mm) through which a nozzle can be directly inserted and a cyclonic separator for the ...
Humidification of PEM fuel cells is necessary for enhancing their performance and lifetime. In this study, a humidification system was designed and tested; the system includes an air-supply tube (inner diameter: 75 mm) through which a nozzle can be directly inserted and a cyclonic separator for the removal of water droplets. Three types of nozzles were employed to study the influence of injection pressure, air flow rate, and spray direction on the humidification performance. To evaluate the humidification performance, the concept of humidification efficiency was defined. In the absence of an external heat source, latent heat for evaporation will be supplied by the own enthalpies of water and air. Thus, the amount of water sprayed from the nozzle is the most critical factor affecting the humidification efficiency. Water droplets were efficiently removed by a cyclonic separator, but re-entrainment occurred at high air flow rates. The absolute humidity and humidification efficiency were $21.29\;kJ/kg_{da}$ and 86.57%, respectively, under the following conditions: nozzle type PJ24; spray direction angle $90^{\circ}$; injection pressure 1200 kPa; air flow rate 6000 Nlpm.
Humidification of PEM fuel cells is necessary for enhancing their performance and lifetime. In this study, a humidification system was designed and tested; the system includes an air-supply tube (inner diameter: 75 mm) through which a nozzle can be directly inserted and a cyclonic separator for the removal of water droplets. Three types of nozzles were employed to study the influence of injection pressure, air flow rate, and spray direction on the humidification performance. To evaluate the humidification performance, the concept of humidification efficiency was defined. In the absence of an external heat source, latent heat for evaporation will be supplied by the own enthalpies of water and air. Thus, the amount of water sprayed from the nozzle is the most critical factor affecting the humidification efficiency. Water droplets were efficiently removed by a cyclonic separator, but re-entrainment occurred at high air flow rates. The absolute humidity and humidification efficiency were $21.29\;kJ/kg_{da}$ and 86.57%, respectively, under the following conditions: nozzle type PJ24; spray direction angle $90^{\circ}$; injection pressure 1200 kPa; air flow rate 6000 Nlpm.
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문제 정의
본 연구는 지식경제부 및 현대기아자동차의 지원으로 이루어졌으며 이에 감사드린다. 또한 마이크로열시스템연구센터 및 정밀기계설계공동연구소의 지원에도 감사드린다.
본 연구에서는 인젝터 가습장치의 부피를 줄이고자 직경이 75 mm인 원관 내에 직접 삽입된 인젝터로 분사 가습하는 실험을 수행하였다. 3종류의 인젝터 노즐을 가지고 분사압력, 분사방향각도, 공기유량을 변화시켜 가며 실험을 수행하였다.
본 연구의 목적은 공간이 제약된 시스템에서 공기공급기 관 내에 직접 삽입된 인젝터를 통해 가습효율을 높이고, 사이클론을 통해 기화되지 못한 액적을 효율적으로 제거하는 것이다.
연료전지 차량의 공간은 제약되어 있기 때문에 본 연구에서는 공기 공급관에 인젝터를 직접 삽입하여 분사하는 방식을 적용하였고 분사 방향 및 압력에 따라 최대 분사 효율, 가습효율을 얻기 위한 실험을 수행하였다.
제안 방법
본 연구에서는 인젝터 가습장치의 부피를 줄이고자 직경이 75 mm인 원관 내에 직접 삽입된 인젝터로 분사 가습하는 실험을 수행하였다. 3종류의 인젝터 노즐을 가지고 분사압력, 분사방향각도, 공기유량을 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 분사되어 기화되지 못한 큰 액적들을 제거하기 위하여 입자제거에 범용적으로 많이 쓰이는 접선 유입식 역류형 싸이클론을 적용하였다.
분사압력은 최대 1200 kPa의 세 가지 경우에 대해서 수행하였다. 공기 유량은 80 kW급 연료전지 차량의 최대 공기 유량인 6000 nlpm과 2000 nlpm, 4000 nlpm에 대해서 실험을 수행하였다. 분사되는 물온도는 연료전지 스택 작동온도가 75℃ 것을 감안하여 65℃로 선정하였다.
Table 1은 분사노즐의 치수를 나타낸다. 분사되는 물의 유량은 Coriolis 질량유량계로 측정하였다. 공급공기는 공기히터를 통해 65℃로 공급된다.
1은 실험장치의 구성도이다. 인젝터 물 분사 시 차가운 수돗물이 물 실린더에 바로 유입되어 분사되는 물의 정밀한 온도제어를 어렵게 하는 것을 방지 하기 위해 예열을 목적으로 물탱크를 설치하였다. 50리터 크기의 예열 물탱크는 공급되는 낮은 온도의 일반 수돗물을 65℃ 온도로 예열한다.
공급공기는 공기히터를 통해 65℃로 공급된다. 출구의 가습된 공기의 노점은 Azbil 사의 노점측정계로 측정하였고 출구 공기 온도는 T 타입 열전대를 이용해 측정하였다.
대상 데이터
Table 2는 본 연구의 실험조건을 나타낸다. 노즐은 Bete사의 충돌형 노즐을 사용하였다. 여기서 분사 방향각도는, 분사각도(spray angle)와는 다른 말로, 노즐과 공기관 위 벽면과의 각도를 나타낸다.
고압 물펌프를 이용하여 가압하고 레귤레이터로 압력을 조절해 노즐에 물을 공급한다. 분사노즐은 BETE 사의 충돌형 노즐 PJ15, PJ20, PJ24를 사용하였다. Table 1은 분사노즐의 치수를 나타낸다.
이론/모형
인젝터를 이용한 가습 시 전량의 물이 기화되지는 않고 액적으로 남는 물이 있기 때문에 이를 회수할 장치가 필요하다. 본 연구에서는 이러한 액적을 제거할 목적으로 사이클론을 적용하였다. 사이클론은 입자 제거에 많이 쓰이는데 본 연구에서는 일반적으로 가장 많이 쓰이는 접선 유입식 역류형 사이클론을 적용하였다.
3종류의 인젝터 노즐을 가지고 분사압력, 분사방향각도, 공기유량을 변화시켜 가며 실험을 수행하였다. 분사되어 기화되지 못한 큰 액적들을 제거하기 위하여 입자제거에 범용적으로 많이 쓰이는 접선 유입식 역류형 싸이클론을 적용하였다.
본 연구에서는 이러한 액적을 제거할 목적으로 사이클론을 적용하였다. 사이클론은 입자 제거에 많이 쓰이는데 본 연구에서는 일반적으로 가장 많이 쓰이는 접선 유입식 역류형 사이클론을 적용하였다.
성능/효과
관에 인젝터를 삽입하여 물을 분사시키기 때문에 관 직경에 의한 공간상의 제약으로 액적의 진행거리가 짧아 분사 방향각도의 영향은 작았다. 물의 분사압력이 높아 분사유량이 많고 공기 유량이 작을수록 공기의 습도는 높아짐을 볼 수 있었다.
본 실험에서 PJ24 노즐분사가습 시, 분사방향각 90도, 분사압력 1200 kPa, 공기 유량 6000 nlpm에서 공기온도 32.42℃, 상대습도 68.83%, 절대 습도 21.29 kJ/kgda의 가습 성능을 얻을 수 있었다. 이것은 이상적인 가습량과 비교할 때 가습효율 86.
186 kJ/kgw 이다. 본 실험에서는 열원이 오직 고온의 공기와 분사되는 물이며, 분사된 물이 증발하면서 기화열을 흡수하기 때문에 습공기의 온도가 30℃ 대로 낮아지고, 상대습도는 80%정도를 얻을 수 있었다.
후속연구
연료전지 자동차의 기존 막가습기는 가습량 조절이 어렵고, 부피가 크기 때문에 막가습기의 용량을 줄이고 나머지를 분사가습으로 보조함으로써 가습량을 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 가습시스템의 부피를 줄일 여지도 있다. 따라서 본 연구의 분사가습 방법을 연료전지 자동차에 적용하는 경우 보조 가습 방식으로 적합하리라 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인젝터는 어떤 장치인가?
인젝터는 분사되는 액체를 미크론 단위의 액적으로 미립화시키는 장치로서 액체의 표면적을 크게 하여 열 및 물질 전달을 촉진시킬 수 있다. 인젝터를 이용한 액체 분사는 건물의 공기 냉각이나 가습, 산화 가스등의 기체흡착, 미세분진 제거 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
인젝터를 이용한 액체 분사는 어떤 분야에서 이용되고 있는가?
인젝터는 분사되는 액체를 미크론 단위의 액적으로 미립화시키는 장치로서 액체의 표면적을 크게 하여 열 및 물질 전달을 촉진시킬 수 있다. 인젝터를 이용한 액체 분사는 건물의 공기 냉각이나 가습, 산화 가스등의 기체흡착, 미세분진 제거 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 분사되는 액적이 얼마나 미세한 지가 인젝터 효율의 지표이고, 인젝터 노즐의 크기, 분사 압력, 혼합부의 설계 등을 통해 효율을 높이고 있다.
인젝터 효율에 있어서 공간이 제약된 시스템의 가습 및 냉각에서는 어떤 것이 중요한가?
분사되는 액적이 얼마나 미세한 지가 인젝터 효율의 지표이고, 인젝터 노즐의 크기, 분사 압력, 혼합부의 설계 등을 통해 효율을 높이고 있다. 특히 공간이 제약된 시스템의 가습 및 냉각에서는 분사되는 입자의 크기가 매우 중요하다.
참고문헌 (9)
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