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자동차용 연료전지 냉각계통 열관리 동적 모사
Dynamic Modeling of Cooling System Thermal Management for Automotive PEMFC Application 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.36 no.12 = no.327, 2012년, pp.1185 - 1192  

한재영 (충남대학교 기계공학과) ,  이강훈 (충남대학교 기계공학과) ,  유상석 (충남대학교 기계공학과)

초록
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차량용 연료전지는 내연기관보다 운전 온도가 낮아 냉각수의 온도를 낮게 관리해야 하며, 이러한 냉각수 온도는 대기와의 온도차가 내연기관보다 작아 고성능 방열판 및 열관리계가 요구된다. 이러한 차량용 연료전지 열 관리계는 특히 연료전지 운전 온도 및 스택 내 온도분포를 결정하는 중요한 구성품이다. 본 연구에서는 차량용 연료전지 열 관리계 모델을 Matlab/$Simulink^{(R)}$ 환경 하에 개발하였으며, 기본 설계에 적용이 가능하도록 방열판 상세 모델을 개발하고 열 관리계는 팬, 모터, 방열판 그리고 냉각수 펌프로 구성하였다. 팬과 펌프는 경험식을 이용해 모델을 개발하였으며 모터 동특성을 고려하였다. 두 구성품은 연료전지의 입구와 출구 온도를 추출해 정해진 지령을 수령하도록 제어 하였다. 본 연구에는 연료전지 차량에 적합한 방열기 설계를 위해 방열기 특성을 확인하고, 이를 연료전지 시스템과 통합운전하면서, 연료전지 운전제어에 적절한 지 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The typical operating temperature of an automotive fuel cell is lower than that of an internal combustion engine, which necessitates a refined strategy for thermal management. In particular, the performance of the cooling module has to be higher for a fuel cell system because the temperature differe...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 특히 냉각 계통 중 방열기는 주어진 협소한 엔진룸에서 적절한 방열 성능을 보여줘야 하므로 최적설계가 매우 중요하다. 그러므로 방열기 상세 모델을 개발하여, 온도 및 압력에 따른 방열 성능을 확인하고자 하며, 또 냉각용 팬과 펌프 등의 냉각계통과 연료전지 시스템을 통합 운전하며, 냉각계통의 운전 특성이 연료전지 운전에 미치는 영향을 확인하고자 한다.
  • 연료전지 차량의 라디에이터 방열 성능은 설계 인자의 특성에 따라 결정되기 때문에 설계변수를 고려하여 연료전지 차량에 적합한 최적의 라디에이터를 설계할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 라디에이터의 설계변수에 따른 방열성능을 보고자 설계 인자 별 특성을 평가 하였다. 방열성능에 직접 적으로 영향을 주는 설계 인자로는 유입 공기의 유속, 라디에이터 앞 면적, 코어의 두께, 높이, 루버 각 등이 있으며, 본 연구에서 개발된 모델은 상기 인자의 변화에 대한 영향을 평가 할 수 있다.
  • 1에 나타내었다. 본 연구에서 라디에이터를 중심으로 하는 냉각계통에 대한 특성 및 PEMFC 시스템과 통합 시 운전 특성을 연구하기 위한 모델을 개발하였다.
  • 2에서 보는 바와 같이 각 컬럼 사이에 휜이 설치되어 있다. 본 연구에서는 이러한 특성을 지닌 루버 휜 열교환기에 대한 설계가 가능 하도록 모델을 개발하였다.
  • 본 연구에서는 이상의 기하학적 형상에 따른 방열 특성을 고려하여 라디에이터 설계를 수행하고, 이를 바탕으로 이온 교환막 연료전지 시스템 운전 시 성능 평가를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 차량용 연료전지 시스템의 열관리 특성을 분석 할 수 있는 냉각 계통 모델을 개발하였으며, 특히 라디에이터의 설계에 사용할 수 있는 모델을 개발하여 설계 변수에 따른 특성을 보고자 하였다.
  • 본 연구에서는 차량용 연료전지 시스템의 열관리에 필수적인 냉각계통의 특성을 모사할 수 있는 모델을 Matlab/Simulink를 이용하여 개발하고자 한다. 특히 냉각 계통 중 방열기는 주어진 협소한 엔진룸에서 적절한 방열 성능을 보여줘야 하므로 최적설계가 매우 중요하다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
연료전지란? 연료전지는 전기화학 반응을 통해서 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치로서 그 중 고분자 막 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, 이하 PEMFC)는 빠른 시동 특성, 고효율, 저공해를 만족하며 차량용으로 연구 개발이 진행중이다. 이러한 연료전지 시스템은 스택과 공기 공급계, 수소 공급계 그리고 열 및 물 관리계 등으로 구성된다.
차량용 연료전지 냉각계통 열관리 동적 모사 연구 결과는? (1) 라디에이터 앞면적에 따른 방열량은 좁은 엔진룸를 고려할 때 가장 중요한 설계인자이며, 상대적으로 적은 앞면적인 0.2~0.4(m2)에서 방열 성능이 매우 우수한 것을 알 수 있으며, 이러한 방열 성능은 유입 공기와 냉각수의 유량이 고정될 때, 라디에이터 면적을 증가시킴에 따라 감소하는 것을 볼 수 있다. (2) 라디에이터 코어의 폭 변화가 높이 변화의 경우보다 방열량이 약 10 % 증가하는 것을 볼 수 있었으며, 이는 코어 폭을 변화시키는 것이 높이를 변화시키는 것보다 전열 면적 개선에 유리하다는 것을 말해준다. (3) 방열 성능 개선을 위한 루버휜의 설치 및 각도 변화에 따른 열전달 성능 평가에서는 각도 변화에 따라 최대 12 %까지 방열량이 증가하였다. (4) 냉각계통 모델을 이용해 연료전지 스택의 부하 변화에 따른 온도 응답 특성을 확인 한 결과, 설계된 라디에이터는 충분한 방열량을 가지고 온도를 제어하는 것을 확인하였으며, 본 연구에서 개발된 냉각계통 모델은 연료전지 시스템 부하 운전에 따른 냉각계통 운전 변수의 변화를 적절히 보여주고 있다.
연료전지 시스템은 무엇으로 구성되는가? 연료전지는 전기화학 반응을 통해서 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치로서 그 중 고분자 막 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cell, 이하 PEMFC)는 빠른 시동 특성, 고효율, 저공해를 만족하며 차량용으로 연구 개발이 진행중이다. 이러한 연료전지 시스템은 스택과 공기 공급계, 수소 공급계 그리고 열 및 물 관리계 등으로 구성된다. PEMFC는 막 전해질로의 적절한 수분 공급과 공기극 에서의 수분 배출이 매우 중요하며, 이러한 수분 제어를 물관리라 불린다.
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참고문헌 (19)

  1. Yu, S. and Jung, D., 2010, "A Study of Operation Strategy of Cooling Module with Dynamic Fuel Cell System Model for Transportation Application," Renewable Energy, Vol. 35, pp. 2525-2532. 

  2. Pukrushpan, J., Stefanopoulou, A. G. and Peng, H., 2004, Control of Fuel Cell Power Systems, Springer, London, First Edition, pp. 15-20. 

  3. Larmine, J., 2002, Fuel Cell System Explained, Wiley, pp. 131-190. 

  4. Bernardi, D. M. and Verbrugge, M. W., 1991, "Mathematical Model of a Gas Diffusion Electrode Bonded to a Polymer Electrolyte," AIChE Journal, Vol. 37, No. 8, pp. 1151-1163. 

  5. Springer, T. E., Zawodzinski, T. A. and Gottesfeld, S., 1991, "Polymer Electrolyte Fuel Cell Model," J. of Electrochemical Society, Vol. 138, No. 8, pp. 2334-2342. 

  6. Amphlett, J., Baumert, R., Mann, R., Peppley, B. and Roberge, P., 1995, "Performance modeling of the Ballard Mark IV Solid Polymer Electrolyte Fuel Cell," Journal of Electrochemical Society, Vol. 142, Issue. 1, pp. 1-8. 

  7. AP, N.S., 1999, "A Simple Engine Cooling System Simulation Model." SAE International. Technical paper, SAE 1999-01-0237. 

  8. AP, N.S., Guerrero, P. and Jouanny, P., 2002, "Influence of Front End Vehicle, Fan and Shroud on the Heat Performance of A/C Condenser and Cooling Radiator," SAE International Technical Paper, SAE 2002-01-1206. 

  9. Davenport, C. J., 1983, "Heat Transfer and Flow Friction Characteristics of Louvered Heat Exchanger Surfaces in Heat Exchangers," Theory and Practice, pp. 387-412. 

  10. Webb, R. L. and Trauger, P., 1991, "Flow Structure in the Louvered Fin Heat Exchanger Geometry," Exp. Thermal and Fluid Sci., Vol. 4, pp. 205-217. 

  11. Sahnoun, A. and Webb, R. L., 1992, "Prediction of Heat Transfer and Friction For Louver Fin Geometry," L. of Heat Transfer, Vol. 114, pp. 893-899. 

  12. Jung, D. and Assanis, D. N., 2006, "Numerical Modeling of Cross Flow Compact Heat Exchanger with Louvered Fins using Thermal Resistance Concept," SAE International Technical paper, SAE 2006-01-0726. 

  13. Malapure,V.P., Mitra, S.K and Bhattacharya, A., 2007, "Numerical investigation of fluid flow and heat transfer over louvered fins in compact heat exchanger," International Journal of Thermal Sciences, Vol. 46, pp.199-211. 

  14. Yu, S., Lee, Y. and Ahn, K., 2010, "A System Simulation Model of Proton Exchange Membrane Fuel Cell Residential Power Generation for Thermal Management Study," Trans. of the KSME, Section B, Vol. 34, No.1, pp. 19-26. 

  15. Mills, A. F., 2003, Basic heat and mass transfer, Pearson, pp. 131-190. 

  16. Incropera, F.P., Dewitt, D.P., Bergman, T.L. and Lavine, A.S., 1996, Fundamental of Heat Transfer, Incropera, pp. 420-450. 

  17. Chang, Y. and Wang, C., 1997, "A Generalized Heat transfer Correlation for Louver Fin Geometry," int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 40, No. 3, pp.533-544. 

  18. Yu, S., 2006, "Thermal modeling of the proton exchange membrane fuel cell," ph.D. Dissertation, University of Michigan. 

  19. Franklin, G.F., Powell, J.D. and Emami-Naeini, A., 2010, Feedback Control of Dynamic Systems, Pearson, pp. 65-68. 

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