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문제 정의
- 본 논문의 연구목적은 연료전지 스택의 내구성 향상 및 저온 시동성 개선을 위해 연료전지 냉각수 승온용 COD 히터를 개발 적용하고자 하는데 있다. 개발의 상세 내용으로 히터 사양, 하우징 내압 설계, 히터 과열 방지 제어기 적용, 강성 및 열유동 해석, 신뢰성 평가, 연료전지 차량 적용 효과 등에 대해 자세히 설명하고자 한다.
- 열관리 시스템에는 냉각수를 순환시키는 물펌프, 냉각수 온도에 따라 유로를 결정해 주는 3방 밸브, 냉각수 전기 전도도 유지를 위한 냉각수 이온 필터, 실내 공조 장치, 냉각모듈, 스택 냉시동성 및 내구성 향상을 위한 TMS 히터(COD 히터) 등으로 구성된다. 본 논문의 연구목적은 연료전지 스택의 내구성 향상 및 저온 시동성 개선을 위해 연료전지 냉각수 승온용 COD 히터를 개발 적용하고자 하는데 있다. 개발의 상세 내용으로 히터 사양, 하우징 내압 설계, 히터 과열 방지 제어기 적용, 강성 및 열유동 해석, 신뢰성 평가, 연료전지 차량 적용 효과 등에 대해 자세히 설명하고자 한다.
- 히터 표면이 냉각되어 기전력 출력이 모두 설정 전압 이하로 되면 다시 히터 제어기 출력은 5V로 높아지게 되는 것을 볼 수 있다. 이러한 과열 감지 로직을 적용한 제어기를 차량에 장착함으로써 히터 과열 감지를 실시간으로 모니터링하여 히터 과열로 인한 화재 위험성을 원천적으로 방지하고자 하였다. 히터 제어기 역시 진동 내구 시험을 포함한 환경 내구 시험을 완료하였다.
제안 방법
- 100kW급 연료전지 차량은 스택 냉시동 기준 전체 스택 전압에서 스택 냉시동 부하 소모 전류를 20~50A 급으로 설계하였다. 그리고 합성 저항은 전체 발열량을 히터 표면적의 발열 밀도를 고려하여 최적화를 진행하였다.
- 80kW급 연료전지차에는 전장냉각수 라인에 히터 용량이 작은 COD 히터를 장착하여 1단 제어만 가능하도록 하여 스택 전압에 따라 소량의 전류를 사용 가능하도록 설계하였다. 100kW급 연료전지차량에는 릴레이 ON되는 개수에 따라 히터 저항이 가변되어 냉시동 및 승온시 스택 전류 제어가 가능하도록 하였다.
- 2) 히터 온도에 따라 전압 출력이 바뀌는 열전온도계를 히터 내부에 삽입하여 과열 감지용 히터 제어기를 별도로 장착하였다.
- 3) COD 히터의 하우징은 플라스틱 사출품으로 냉각수 내압 및 강성설계를 진행하였다. 온도/압력센서 장착방식은 기존의 나사산 체결방식에서 클립 삽입 체결방식으로 변경하였다.
- 6) 연료전지 차량별로 히터의 저항을 다르게 적용하고 용량별로 별도 릴레이 제어가 가능하도록 히터를 그룹별로 와이어링을 하였다.
- 12는 차량별 냉시동시 사용 가능한 히터 전류 범위를 나타낸다. 80kW급 연료전지차에는 전장냉각수 라인에 히터 용량이 작은 COD 히터를 장착하여 1단 제어만 가능하도록 하여 스택 전압에 따라 소량의 전류를 사용 가능하도록 설계하였다. 100kW급 연료전지차량에는 릴레이 ON되는 개수에 따라 히터 저항이 가변되어 냉시동 및 승온시 스택 전류 제어가 가능하도록 하였다.
- COD 히터 설계시 히터 측면에 이온 필터를 장착하였는데 진동시 하우징 크랙으로 인한 냉각수 리크 방지를 위하여 내부 인서트를 하우징과 띄워서 장착하게 설계하였다. 이러한 구조로는 U클립을 비롯해 다른 대안도 많이 있다.
- COD 히터는 저항이 일정한 발열체이고 스택 전압이 변함에 따라 발열량이 변하는 구조로 되어 있기 때문에 전압의 ON/OFF 시험, 과전압 시험, 전압 변동시험 등을 진행하였다.
- COD 히터는 히터 기능별로 start up(이하 S/U), shut down(이하 S/D), warm up(이하 W/U), cold start(이하 C/S) 등으로 분류하였고, 필요시 각 릴레이 ON/OFF 제어를 통해 동작하도록 구현하였다.
- STAR-CD를 이용하여 해석하였으며 해석 조건은 냉각수 입구 온도 20℃, 유량 100LPM 조건을 주고 출구는 대기압 조건으로 설정한 후 히터 발열밀도는 20W/cm2이상값으로 설정하였다.
- 각 내구시험 전후로 저항/절연저항/초기작동/리크검수를 진행하였으며 모두 이상이 없을 경우 내구 시험 합격으로 판단하였다.
- 총 5,000회 이상 반복 내구를 진행하였다. 과전압 시험은 히터 사용 정격 전압의 120% 전압을 5분간 인가하여 히터의 정상 작동 유무를 점검하였다.
- 100kW급 연료전지 차량은 스택 냉시동 기준 전체 스택 전압에서 스택 냉시동 부하 소모 전류를 20~50A 급으로 설계하였다. 그리고 합성 저항은 전체 발열량을 히터 표면적의 발열 밀도를 고려하여 최적화를 진행하였다. 여러 개의 히터를 병렬로 연결한 후, 필요시 다단 제어를 할 수 있도록 C/S, S/D용으로 각각 분류하였다.
- 10은 10사이클 동안의 반복 내구 시험 결과를 나타낸다. 내구 시험 후 히터는 정상 작동하는 것을 확인하여 히터의 내전압 내구성을 확인하였다.
- 5) COD 히터의 내전압 및 내환경 내구 검증 시험을 완료하였다. 내전압 시험은 전압의 ON/OFF시험, 과전압 시험, 전압변동시험 등을 진행하였으며 내환경 시험은 고온방치/저온방치/열충격/내습도/진동 시험을 실시하였다.
- 내환경 내구성 검증을 위하여 고온방치/저온방치/열충격/내습도/진동 시험을 실시하였다.
- 냉각수의 국부적인 고온 영역은 히터 입구 유동가이드 배플 설계를 최적화함으로써 최소화할 수 있었다. 또한 국부적인 히터 표면 과열부의 내구성능은 히터의 전기적 내구 시험을 통하여 이상이 없음을 별도 신뢰성 시험을 통하여 검증하였다.
- 신뢰성 평가를 위한 총 시료는 5개를 제작하였다. 모든 시료는 신뢰성 평가 전 사전기능 시험(저항/절연저항/초기작동/육안 검사)을 진행하여 합격한 시료에 한해 시험을 진행하였다. 신뢰성 시험 완료 후에는 사후기능 시험(사전기능 시험과 동일)을 진행하여 시료의 정상 유무를 판단하였다.
- 히터의 발열밀도 관련해서는 해석과 실험을 병행하여 히터의 내구성 검증을 진행하였다. 발열밀도는 히터의 전체 발열량을 히터의 발열 표면적으로 나눈 값으로 이는 산업용 히터에 비해 발열밀도가 수배 높은 히터로 냉각수 강제 순환에 의한 강제 냉각을 필수 운전 조건으로 설정하였다.
- 모든 시료는 신뢰성 평가 전 사전기능 시험(저항/절연저항/초기작동/육안 검사)을 진행하여 합격한 시료에 한해 시험을 진행하였다. 신뢰성 시험 완료 후에는 사후기능 시험(사전기능 시험과 동일)을 진행하여 시료의 정상 유무를 판단하였다.
- 3은 개발 완료된 히터 과열 방지 제어기의 실험 결과 그래프이다. 실험은 히터 과열 상황을 모사하기 위하여 힛건으로 각 히터를 가열하여 히터 표면 온도를 설정 온도 이상으로 올려 각각의 기전력 출력을 얻었다. 3개의 히터 중 1개라도 설정 전압 이상의 출력을 내게 되면 히터 과열 상황으로 판단하여 히터 제어기는 0V 전압 출력을 내게 된다.
- 그리고 합성 저항은 전체 발열량을 히터 표면적의 발열 밀도를 고려하여 최적화를 진행하였다. 여러 개의 히터를 병렬로 연결한 후, 필요시 다단 제어를 할 수 있도록 C/S, S/D용으로 각각 분류하였다. 각각의 히터는 스택 운전시 3kW급 이상까지 발열할 수 있으며, 이는 산업용 히터의 발열량에 비해 매우 고밀도 발열이라 할 수 있다.
- 연료전지 차량 패키지 레이아웃을 고려하여 부피와 중량을 축소하기 위해 COD 히터는 스택과 직접 체결되도록 설계하였다. 히터에는 스택의 고전압이 바로 인가가 되므로 스택의 전기적 절연 성능을 확보하고 경량화를 실현하기 위하여 하우징을 플라스틱으로 설계하였다.
- 연료전지 차량별로 히터의 저항을 다르게 적용하고 용량별로 별도 릴레이 제어가 가능하도록 히터를 그룹별로 와이어링을 하였다. 가령, 냉각수 급속 승온이 필요한 경우는 릴레이를 다수 붙여서 발열량을 크게 유도하고 극저온 냉시동과 같이 셀전압 안정성을 고려해야 하는 경우에는 릴레이를 1개만 붙여 안정적 냉시동을 유도하도록 하였다.
- 연료전지 차량의 스택 내구성 및 저온 냉시동성 향상을 위해 열관리 시스템 냉각 루프에 히터를 설계 장착하였다.
- 열충격 시험은 히터 ASSEMBLY를 고온/상온/저온에서 각각 2시간씩 시험하고 역순으로도 각각 2시간씩 시험하였다. 내습도 시험은 30℃ 이상/RH 80% 이상 조건에서 300시간 이상 방치(24시간에 1회 절연저항 정상 확인)하였다.
- 또한 차량의 Shut down시 스택 내 잔류 수소/산소를 제거해 주지 않으면 이 또한 스택 열화에 악영향을 주게 된다. 이러한 이유로 인해 열관리 시스템 내에 COD 히터를 장착하여 냉시동시 스택 부하 소모, 냉각수 승온, 차량 Shut down 시 스택 내 잔류 수소/산소를 제거하는 기능을 하게 하였다.
- 전압변동시험은 정격 사용 전압의 80% → 120% → 80% → 120%를 1회로 하여 총 5,000회 이상 반복 내구시험을 진행하였다.
- 진동시험은 차량 장착 상태로 히터를 진동 시험 지그에 장착한 후 X, Y, Z축 방향으로 정해진 가속도, 주파수로 각각 6시간 이상씩 시험을 진행하였다.
- 9는 히터 전원 ON/OFF 반복 내구 시험시 히터 소비 전류와 전력 변화를 나타낸 것이다. 총 5,000회 이상 반복 내구를 진행하였다. 과전압 시험은 히터 사용 정격 전압의 120% 전압을 5분간 인가하여 히터의 정상 작동 유무를 점검하였다.
- 파팅을 나눈 후 반쪽 모델을 가지고 강성해석을 진행하였다. 해석은 NASTRAN을 이용하여 진행했으며, 하우징 내부에 50℃ 이상의 냉각수 2bar(G)를 가한 후 하우징 부풀음 현상을 해석하였다.
- 5는 초기 SUS 하우징을 플라스틱 하우징으로 설계 변경한 과정을 나타낸다. 하우징을 히터가 삽입되는 길이 방향으로 파팅을 나눌 경우 내압에 의한 부풀음이 매우 심하게 되어 히터가 삽입되는 방향의 수직 방향으로 파팅을 나누는 컨셉으로 설계를 진행하게 되었다.
- 7의 해석 결과와 같이 히터 표면 온도는 대략 90~110℃의 온도 분포를 보였으며 110℃ 이상의 고온 영역은 매우 국부적으로 형성되었다. 해석과 함께 전기적 내구 시험을 병행하여 히터 표면의 과열 및 손상 여부를 추가 검증하였다.
- 파팅을 나눈 후 반쪽 모델을 가지고 강성해석을 진행하였다. 해석은 NASTRAN을 이용하여 진행했으며, 하우징 내부에 50℃ 이상의 냉각수 2bar(G)를 가한 후 하우징 부풀음 현상을 해석하였다. 내압에 비교적 강한 C형의 하우징 형상을 적용하고 볼트가 체결되는 곳은 리브를 세우고 이중 격벽 구조를 지니게 하여 볼트의 응력을 분산시키는 한편 하우징이 내압에 의해 부풀어지는 현상을 최대한 억제하였다.
- 히터 내부에 열전온도계를 삽입하면 히터 내부 온도 변화에 비례하는 기전력 출력을 내게 된다. 히터 온도가 올라가면 그에 따라 기전력 출력도 증가하게 되는데, 만약 설정된 기전력값 이상의 전압출력을 나타내게 되면 히터 과열로 판단하여 히터의 전원부 릴레이를 OFF시키는 로직을 구현하였다. 표면이 냉각되어 다시 기준 전압 이하의 출력을 내게 되면 다시 릴레이를 ON하여 히터를 작동시키게 된다.
- 히터 입구에 25℃ 냉각수 100LPM의 Mass flow inlet 조건을 주고 히터 출구는 상압의 Pressure outlet 조건을 주고 냉각수 온도 해석을 진행하였다. 상용 해석 툴인 STAR-CD를 이용하여 해석을 진행하였으며 히터의 표면 발열 밀도(heat flux)는 전체 발열량을 히터 표면적으로 나누어 계산하였다.
- 1) COD 히터의 주요 기능은 냉시동시 스택 부하 소모, 냉각수 승온, 차량 S/D시 스택 내 잔류 수소/산소를 제거하는 기능이다. 히터를 용도별로 구분하여 각 모듈별로 릴레이 ON/OFF 제어를 하였다.
- 연료전지 차량 패키지 레이아웃을 고려하여 부피와 중량을 축소하기 위해 COD 히터는 스택과 직접 체결되도록 설계하였다. 히터에는 스택의 고전압이 바로 인가가 되므로 스택의 전기적 절연 성능을 확보하고 경량화를 실현하기 위하여 하우징을 플라스틱으로 설계하였다. 초기 SUS 하우징의 부품을 플라스틱으로 설계하였을 때 냉각수 내압에 의한 부풀음 및 크랙으로 인한 냉각수 리크가 다수 발생하여 품질확보에 어려움이 많았다.
- 히터의 발열밀도 관련해서는 해석과 실험을 병행하여 히터의 내구성 검증을 진행하였다. 발열밀도는 히터의 전체 발열량을 히터의 발열 표면적으로 나눈 값으로 이는 산업용 히터에 비해 발열밀도가 수배 높은 히터로 냉각수 강제 순환에 의한 강제 냉각을 필수 운전 조건으로 설정하였다.
- 히터의 전원 ON/OFF 내구 시험은 냉각수 유량을 100LPM으로 고정시켜 놓고 ON/OFF 각 1분씩 총 5,000회 이상 반복 내구시험을 진행하였다.
대상 데이터
- 8과 같은 순서대로 진행하였다. 신뢰성 평가를 위한 총 시료는 5개를 제작하였다. 모든 시료는 신뢰성 평가 전 사전기능 시험(저항/절연저항/초기작동/육안 검사)을 진행하여 합격한 시료에 한해 시험을 진행하였다.
- 4는 상기 냉각수 내압 및 강성 설계를 하여 제작된 샘플을 가지고 내부 냉각수 압력 사이클 실험을 진행한 사진이다. 작동 유체는 변속기 오일을 사용하였으며 작동온도 50℃ 이상, 압력변화 0~2.0bar(G), 압력주기 3초 이내, 시험 사이클 수 50,000회 이상을 진행하였다. 총 압력사이클 50,000회 이상을 시행한 후 샘플의 변형, 균열, 파손, 누수 등을 확인한 결과 이상이 없음을 확인하였다.
데이터처리
- 히터 입구에 25℃ 냉각수 100LPM의 Mass flow inlet 조건을 주고 히터 출구는 상압의 Pressure outlet 조건을 주고 냉각수 온도 해석을 진행하였다. 상용 해석 툴인 STAR-CD를 이용하여 해석을 진행하였으며 히터의 표면 발열 밀도(heat flux)는 전체 발열량을 히터 표면적으로 나누어 계산하였다.
성능/효과
- 1) COD 히터의 주요 기능은 냉시동시 스택 부하 소모, 냉각수 승온, 차량 S/D시 스택 내 잔류 수소/산소를 제거하는 기능이다. 히터를 용도별로 구분하여 각 모듈별로 릴레이 ON/OFF 제어를 하였다.
- 100kW급 연료전지차량에 적용된 플라스틱 하우징의 COD 히터는 SUS 하우징의 COD 히터에 비해 약 30%의 경량화를 달성하였다. 플라스틱의 밀도와 SUS의 밀도차를 감안할 때 경량화 효과가 크지 않은 이유는 내압 설계를 고려한 이중 격벽 구조와 많은 리브들이 들어갔기 때문으로 판단된다.
- 4) 내압에 비교적 강한 C형의 하우징 형상을 적용하고 볼트가 체결되는 곳은 리브를 세우고 이중 격벽 구조를 지니게 하여 볼트의 응력을 분산시키는 한편 하우징이 내압에 의해 부풀어지는 현상을 최대한 억제하였다.
- 5) COD 히터의 내전압 및 내환경 내구 검증 시험을 완료하였다. 내전압 시험은 전압의 ON/OFF시험, 과전압 시험, 전압변동시험 등을 진행하였으며 내환경 시험은 고온방치/저온방치/열충격/내습도/진동 시험을 실시하였다.
- 7) 히터를 이용한 냉각수 승온 효과는 저온 대비 상온에서 스택 내구 열화율을 현저히 낮추는 효과가 있으며 스택의 저온 운전 시간을 단축시킴으로써 Flooding에 의한 전극 촉매 손상을 방지하는 효과가 크다.
- 8) 플라스틱 사출 공법을 적용하여 SUS 하우징 대비 30% 경량화와 50% 원가절감을 달성하였다.
- 내압에 비교적 강한 C형의 하우징 형상을 적용하고 볼트가 체결되는 곳은 리브를 세우고 이중 격벽 구조를 지니게 하여 볼트의 응력을 분산시키는 한편 하우징이 내압에 의해 부풀어지는 현상을 최대한 억제하였다. 또한 볼트 체결 부위의 이중 격벽 구조를 라운드화하고 라운드가 없는 부분은 길게 격벽을 늘림으로써 강성을 최대한 확보하였다. 그 결과 최대 변위 1mm 이내로 강성을 확보할 수 있게 되었다.
- 블로어와 히터를 동시 적용하여 냉시동 시간 단축을 도모함과 동시에 큰 저항을 사용하여 스택 전류를 좀 더 작게 소모하면 냉시동시 스택 셀전압 안정성과 수소 사용량 감소에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 판단된다. 단, S/D과 C/S의 합성저항은 큰 변동이 없으므로 냉각수 승온 시간에는 많은 영향은 주지 않게 된다.
- 0bar(G), 압력주기 3초 이내, 시험 사이클 수 50,000회 이상을 진행하였다. 총 압력사이클 50,000회 이상을 시행한 후 샘플의 변형, 균열, 파손, 누수 등을 확인한 결과 이상이 없음을 확인하였다.
후속연구
- 셀전압을 안정적으로 유지하면서 공기 과급을 이용한 스택 자체발열과 COD 히터를 이용한 냉각수 승온을 동시 이용한 냉시동시에는 큰 저항의 히터를 사용하고 겨울철 도심 저속운전이나 IDLE 운전시 냉각수 온도 유지 혹은 급속 승온시에는 두 히터를 병렬로 연결하여 작은 저항의 합성저항을 스택에 연결하여 보다 큰 발열량을 유도할 예정이다.
- 향후 100kW급 연료전지차량에서는 -25℃ 환경에서의 냉시동도 가능하며 아울러 셀전압이 급격히 낮아지거나 역전압이 걸리지 않도록 저항이 다른 두 모듈로 히터군을 구성할 예정이다.
- 플라스틱 사출을 통한 원가절감은 약 50% 달성하였다. 향후 연료전지 파워트레인 모듈화 등을 통해 하우징 삭제, 히터 용량 최적화 등을 검토할 예정이며 추가로 중량, 부피, 원가 등을 지속적으로 줄여 나갈 계획이다.
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