[논문]무인항공기용 고분자전해질형 연료전지 시스템의 열교환기 성능 특성 연구

강상규; 김병준; 김한석

doi:10.7316/khnes.2011.22.6.819

무인항공기용 고분자전해질형 연료전지 시스템의 열교환기 성능 특성 연구
Experimental Study on the Characteristics of Heat Exchanger of 1 kW PEMFC System for UAV 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.22 no.6, 2011년, pp.819 - 826

강상규 (한국기계연구원) , 김병준 (과학기술연합대학원대학교) , 김한석 (한국기계연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is regarded as the most promising alternative power sources for unmanned aerial vehicle (UAV) due to its high energy density and silent operation. Since there are many load changes during UAV flight, thermal management is one of the important factor for the performance of PEMFC. In order to reduce the UAV weight for the stable operation of UAV, thermal management system (TMS) studied in this work does not use the fan but use the air flowing into UAV by UAV flight. In order to develop the passive type heat exchanger (HEX) for 1kW PEMFC, four types of HEXs are fabricated and their cooling performances are compared. The parametric study on the cooling performance of HEXs has performed with the variation of operating parameters such as mass flow rates and inlet temperature of air and coolant. Type 4 has the best performance in every case. This study can be helpful to achieve the optimal design of HEX for PEMFC powered UAV.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 1kW급 무인항공기용 연료전지 시스템의 열교환기를 개발하기 위하여 4가지 타입의 열교환기를 설계 및 제작하여 각 열교환기의 작동 변수에 따른 성능 특성을 파악 및 비교하였다. 타입 1과 2의 열교환기는 구리 재질로 무게당 방열 성능이 목표치보다 현저히 낮으며, 동체 장착의 자유도가 낮아 무인항공기용으로 적합하지 않다.
시스템 효율의 향상을 위하여 펌프의 소모 동력을 최소화할 수 있도록 열교환기의 최적 유로를 설계해야 하며 개발된 열교환기의 최대 압력 손실은 10kPa로 제한된다. 본 연구에서는 무인항공기에 탑재되는 4가지 타입의 열교환기를 개발하여 작동변수에 따른 열교환기의 방열성능 평가를 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 요구된 설계 포인트에서 각 열교환기의 방열 성능을 파악하고 제한인자를 만족시키는 제품 선정이 목적이므로 정상상태에서의 실험만 수행하였다. 제작된 열교환기의 설계 제한인자는 Table 5에 정리된 바와 같이 압력손실 10kPa과 단위무게당 방열량 1.
본 연구의 목적은 1kW급 무인항공기용 연료전지 시스템의 수동형 열관리 장치의 열교환기를 4가지 타입으로 개발하여 각 열교환기의 작동 변수에 따른 성능 특성을 파악하는 것이며, 궁극적으로 무인항공기 탑재용으로서 무게 및 냉각수 압력손실 등 요구 조건을 충족시키는 열교환기를 선정하는 것이다.

제안 방법

개발된 열교환기의 방열성능을 평가하기 위해서 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 열교환기 성능 평가 장치를 구성하였다. 본 연구에서는 연료전지의 열관리 부분을 연구하므로, 연료전지의 발열을 모사하는 1kW급 히터를 제작하여 연료전지를 대체하였다.
무인항공기의 동력원으로 사용될 고분자 전해질형 연료전지는 효율 향상과 고성능을 유지하기 위해서 최적의 열관리가 필요하다. 무인항공기의 특성상 탑재물의 중량과 동력 소모를 최소한으로 할 필요가 있으므로 본 연구에서 개발된 열교환기가 장착된 열관리 시스템은 Fig. 1에 표시된 바와 같이 Fan을 제외하고, 연료전지를 통과하면서 승온된 냉각수를 냉각시키기 위한 열교환기, 냉각수를 순환시키기 위한 냉각수 펌프, 그리고 냉각수를 저장하기 위한 냉각수조 등으로 구성된다.
본 연구에서 개발된 무인항공기용 열관리 시스템은 무인항공기가 순항할 때 열교환기로 유입되는 공기를 이용하여 냉각수를 냉각시킨다. 그러므로 개발된 열교환기의 방열 성능을 평가하기 위해서는 무인항공기가 순항할 때 유입되는 공기 흐름을 모사하는 공기 풍동 장치가 필요하다.
4에 나타낸 바와 같이 열교환기 성능 평가 장치를 구성하였다. 본 연구에서는 연료전지의 열관리 부분을 연구하므로, 연료전지의 발열을 모사하는 1kW급 히터를 제작하여 연료전지를 대체하였다. 연료전지와 동일한 배관 압력 손실을 모사하기 위하여 냉각수 배관 출구에 밸브를 설치하여 압력 손실을 모사하였다.
무인항공기의 순항속도는 Table 1에 나타낸 바와 같이 40km/h의 속도이므로 선정된 송풍기의 사양은 Table 4에 표시된 바와 같이 최대 공기 유량이 정압 1200mmAq에서 150m³/min이다. 비행체가 4계절 비행하는 것을 모사하기 위하여 냉동기를 설치하여 공기의 온도를 0～30℃로 조정할 수 있도록 하였으며, 온도 제어의 빠른 응답성을 위해 공기를 순환시키는 순환형 풍동시스템을 구성하였다.
식 (1)은 열교환기 내에서의 열전달률을 나타내고 있으며 식(2)와 식(3)는 각각 통합열전달계수 및 누셀수를 나타낸다. 상기 기술된 열교환 지배방정식을 바탕으로 개발된 각 열교환기의 작동 변수에 따른 방열 성능 특성을 파악하기 위하여 Table 7과 같이 다양한 공기의 온도 및 속도, 다양한 냉각수 유량 및 온도에서 열교환기의 방열 성능을 측정하였다. Fig.
본 연구에서는 연료전지의 열관리 부분을 연구하므로, 연료전지의 발열을 모사하는 1kW급 히터를 제작하여 연료전지를 대체하였다. 연료전지와 동일한 배관 압력 손실을 모사하기 위하여 냉각수 배관 출구에 밸브를 설치하여 압력 손실을 모사하였다. 냉각수 순환용 펌프는 직류 전동기로 구동되는 용적식 기어펌프를 사용하였다.
냉각수 순환용 펌프는 직류 전동기로 구동되는 용적식 기어펌프를 사용하였다. 열교환기의 방열 성능 및 압력손실을 측정하기 위하여 열교환기 전･후단에 T-타입 열전대 및 압력계를 설치하여 냉각수의 온도 및 압력변화를 측정하였다.

대상 데이터

연료전지와 동일한 배관 압력 손실을 모사하기 위하여 냉각수 배관 출구에 밸브를 설치하여 압력 손실을 모사하였다. 냉각수 순환용 펌프는 직류 전동기로 구동되는 용적식 기어펌프를 사용하였다. 열교환기의 방열 성능 및 압력손실을 측정하기 위하여 열교환기 전･후단에 T-타입 열전대 및 압력계를 설치하여 냉각수의 온도 및 압력변화를 측정하였다.

성능/효과

각 그래프에 점선으로 표시된 부분은 설계점에서의 목표 방열성능이며 그림에서 잘 보여주듯이 4가지 열교환기는 주어진 설계점에서 목표치 방열성능인 700W를 초과하여 목표치를 잘 부합하는 방열성능을 나타낸다. 4가지 열교환기에서 작동조건의 변화에 따른 방열 성능을 살펴보면, 공기속도가 증가할수록 공기의 레이놀즈수가 증가하므로 식 (3)과 같이 공기측에서의 대류열전달계수가 증가하여 방열량이 증가하게 되며, 마찬가지로 냉각수의 유량이 증가할수록 냉각수의 누셀수가 증가하고 냉각수측에서의 대류 열전달계수가 증가하여 방열량이 증가한다. 일정한 냉각수 입구 온도에서 비행체의 주변 공기 온도가 상승하면 식 (1)에 나타난 바와 같이 냉각수와 공기의 온도 차이가 감소하므로 방열량이 감소하며, 일정한 주변 공기 온도에서 냉각수 온도가 상승할수록 공기와 냉각수의 온도차이의 증가로 인하여 식 (1)에 나타난 바와 같이 방열량이 증가하게 된다.
Table 6은 열교환기 방열 성능 실험의 기본 작동 조건을 나타내고 있다. 즉, 개발된 열교환기는 공기 온도 25℃, 무인항공기 순항 속도 11m/s, 냉각수 입구 온도 65℃, 냉각수 유량 2 liter/min(LPM)에서 700W의 방열 성능을 나타내어야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자전해질형 연료전지의 60℃ 이하에서의 작동은 어떤 결과를 가져오는가?	고분자전해질형 연료전지는 나피온(nafion)을 전해질 막으로 사용하며 고온 작동의 경우 전해질막의 수화도가 낮아지면서 이온전도도가 떨어져 연료전지 성능의 저해를 일으키며, 80℃ 이상의 고온 작동은 궁극적으로 전해질 막의 파손을 가져올 수 있다5). 반면, 60℃이하에서의 작동은 플러딩을 야기시켜 공급 기체 수송을 저해하여 연료전지 성능을 가져오며 궁극적으로 촉매의 열화를 가져오기도 한다7) . 따라서 연료전지의 성능 안정화를 위하여 연료전지를 일정 온도로 작동시켜주는 열관리 시스템이 필수적이며, 이에 대한 연구도 활발히 진행되었다.
	무인항공기란?	무인항공기는 주변환경에 대하여 스스로 판단하여 운전을 하는 자가운전비행체를 지칭한다. 무인항공기는 개발 초기 엔진이나 배터리를 동력원으로 사용하는 연구가 활발히 수행되었다1).
	고분자전해질형 연료전지는 어떤 특성이 있는가?	그러나 무인항공기가 군사용 목적으로 사용되면서 엔진은 소음, 열, 그리고 공해물질을 배출하여 적의 탐지 가능성이 높고 배터리는 낮은 에너지 밀도로 순항 거리 제약이 있어 대체 동력원에 대한 요구가 증대되고 있다. 고분자전해질형 연료전지는 낮은 작동온도 및 조용한 운전 등의 특성으로 인하여 군사용 정찰로서의 적의 탐지 가능성을 감소시켜 무인항공기의 동력원으로 각광을 받고 있다2). 연료전지를 동력원으로 사용하는 무인항공기는 AeroVironment에서 세계 최초로 개발하면서 연구가 시작되었으며3), Georgia institute of technology에서는 압축 수소를 사용한 연료전지 무인항공기를 제작 및 성능 평가를 수행하였다4).

참고문헌 (9)

E. Bone, C. Bolkcom, "Unmanned Aerial Vehicles: Background and Issues for Congress", Congressional Research Service, Library of Congress, 2003.
B.A. Moffitt, T.H. Bradley, D.E. Parekh, D. Mavris, "Design and Performance Validation of a Fuel Cell Unmanned Aerial Vehicle", 2006, AIAA 44.
"AeroVironment flies world's first hydrogen powered plane", Fuel Cell Bull 2005, Vol. 9.
T.H. Bradley, B.A. Moffitt, D.N. Mavris, D.E. Parekh, "Development and experimental characterization of a fuel cell powered aircraft", Journal of Power Sources 2007, Vol. 171, No. 2, pp. 793-801.

상세보기
S. Pandiyan, K. Jayakumar, N. Rajalakshmi, K.S. Dhathathreyan, "Thermal and electrical energy management in a PEMFC stack - An anlaytical approach", International Journal of Heat and Mass Transfer, 2008, Vol. 51, pp. 469-473.
유상석, 이영덕, 홍동진, 안국영, "가정용 연료 전지 운전 모드 해석을 위한 동특성 모델 개발", 한국수소 및 신에너지학회 논문집, 2008, Vol. 19, No. 4, pp. 313-321.

원문보기 상세보기
S.G. Kandlikar, Z. Lu, "Thermal management issues in a PEMFC stack - A brief review of current status", Applied Thermal Engineering, 2009, Vol. 29, pp. 1276-1280.

상세보기
L. Magistri, A. Traverso, A. F. Massardo, R.K. Shah, "Heat exchangers for fuel cell and hybrid system applications", Proceeding of the 3rd International Conference on Fuel Cell Science", 2005, pp. 359-366.
S. Yu, Y. Lee, K. Ahn, "A System Simulation Model of Proton Exchange Membrane Fuel Cell for Residential Power Generation for Thermal Management Study", KSME-B, 2010, pp. 19-26.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증