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.
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.
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...
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 difference between the fuel cell and the surrounding is lower than in the case of the internal combustion engine. Even though the cooling system of an automotive fuel cell determines the operating temperature and temperature distribution of the fuel cell, it has attracted little research attention. This study presents the mathematical model of a cooling system for an automotive fuel cell system using Matlab/$Simulink^{(R)}$. In particular, a radiator model is developed for design optimization from the development stage to the operating stage for an automotive fuel cell. The cooling system model comprises a fan, pump, and radiator. The pump and fan model have an empirical relation, and the dynamics of the pump and fan are only explained by motor dynamics. The basic design study was conducted, and the geometric setup of the radiator was investigated. When the control logic was applied, the pump senses the coolant inlet temperature and the fan senses the coolant out temperature. Additionally, the cooling module is integrated with the fuel cell system model so that the performance of the cooling module can be investigated under realistic operating conditions.
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 difference between the fuel cell and the surrounding is lower than in the case of the internal combustion engine. Even though the cooling system of an automotive fuel cell determines the operating temperature and temperature distribution of the fuel cell, it has attracted little research attention. This study presents the mathematical model of a cooling system for an automotive fuel cell system using Matlab/$Simulink^{(R)}$. In particular, a radiator model is developed for design optimization from the development stage to the operating stage for an automotive fuel cell. The cooling system model comprises a fan, pump, and radiator. The pump and fan model have an empirical relation, and the dynamics of the pump and fan are only explained by motor dynamics. The basic design study was conducted, and the geometric setup of the radiator was investigated. When the control logic was applied, the pump senses the coolant inlet temperature and the fan senses the coolant out temperature. Additionally, the cooling module is integrated with the fuel cell system model so that the performance of the cooling module can be investigated under realistic operating conditions.
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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/SimulinkⓇ를 이용하여 개발하고자 한다. 특히 냉각 계통 중 방열기는 주어진 협소한 엔진룸에서 적절한 방열 성능을 보여줘야 하므로 최적설계가 매우 중요하다.
제안 방법
그리고 Petukhov는 비교적 넓은 범위의 Reynolds 수를 포괄하는 단일 상관식을 개발하였으며 본 연구에서는 아래의 상관식을 사용하여 마찰인자를 결정하였다.(16)
15K으로 작동온도를 결정하였다. 또 상기에서 언급된 라디에이터의 설계조건에 따라 모델을 개발하였으며 냉각 계통 운전에 필요한 팬과 펌프를 통합하여 냉각 계통의 운전 특성을 확인하였다. Fig.
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.
외기에서 차량으로 공기가 유입될 때 차량의 그릴, 에어컨 컨덴서, 라디에이터의 순으로 압력강하가 발생되며 차량의 이동시에는 그릴을 통해 공기가 승압된다. 이러한 압력 손실 및 승압을 고려하여서 모델을 개발하였다.
즉, 연료전지의 전력 생산과 방열을 모사할 수 있는 스택 모델과, 냉각 계통의 각 구성 요소을 모사할 수 있는 모델을 개발하였다. 연료전지 스택 모델은 전기 화학 반응을 모사하는 모델과 습증기 수송 모델(water transport model), 그리고 비정상 온도 응답을 모사하는 열전달 모델로 구성되어 있다.
또한 화학 평형을 이루게 되면서 발생하는 손실을 고려하면 이를 이론적으로 발생할 수 있는 최대 전압이라고 하며 스택의 실제 전압은 이러한 기전력과 각각의 손실들을 고려하여 정의 할 수 있다. 차량용 연료전지 냉각계통 연구를 위한 전체 시스템 모델은 본 연구실에서 개발된 가정용 연료전지 스택 모델을 차량용에 적합하도록 수정하여 이용하였다.(14)
냉각수 펌프는 DC 모터 의해서 제어가 된다. 팬과 유사하게 냉각수 펌프의 성능은 ∆P-Q 성능 곡선을 이용하여서 모델링 하였으며, 압력 강하는 연료전지의 내부에서의 압력강하와 라디에이터 에서의 압력강하를 고려하여 계산하였다.(17)
15K 이하에서 작동해야 내구성을 보장받는다. 하지만 차량용은 부하변동이 심하기 때문에 본 연구에서는 5 K의 여유를 고려하여 348.15K으로 작동온도를 결정하였다. 또 상기에서 언급된 라디에이터의 설계조건에 따라 모델을 개발하였으며 냉각 계통 운전에 필요한 팬과 펌프를 통합하여 냉각 계통의 운전 특성을 확인하였다.
대상 데이터
라디에이터의 방열량을 결정하기 위해서는 공기측과 냉각수측의 열전달량을 계산하여야 한다. 열전달량 계산을 위한 기하학적 형상 및 주요 인자는 Table 1의 데이터를 이용하였다. Fig.
이론/모형
공기측의 대류 열전달 계수는 Chang and Wang에 의해 제안된 경험식에 의해서 계산된다. 열전달 계수는 Colburn j 인자와 Reynolds 수의 항으로 표현되며 다음과 같다.
연료전지 후단에서 나오는 고온의 냉각수는 방열을 위하여 라디에이터로 유입된다. 냉각수의 열전달 계수 hc는 층류와 난류에서 각각 다르게 계산되며, 난류 운전시는 Gnielinski 상관식을 사용하여 열전달 계수를 결정하였다.(16)
냉각팬에서 나오는 유량은 ∆P-Q 성능 곡선에 의해서 표현이 되며, 본 연구에서는 냉각팬의 유량을 결정하기 위해 아래의 실험결과를 이용한 경험식을 사용하였다.(18)
성능/효과
(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.
앞 면적 증가에 따라 전열 면적이 증가하게 되므로 공기의 유량은 일정한데 반해 유입되는 면적이 증가하면서 Colburn j 인자가 감소하여 공기측의 열전달률이 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한, 공기 속도 구배 변화의 영향으로 앞면적 변화에 대한 열전달률의 감소 기울기는 0.2~0.4 m2에서 가장 크며, 면적 변화 대비 열전달률이 약 30kW 정도가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
5와 같다. 즉, 라디에이터 앞 면적에 대한 팬의 공기도로서 라디에이터 앞 면적이 증가할수록 팬의 공기속도가 감소하는 것을 알 수 있다. 이러한 공기 속도는앞 면적이 작은 영역에서는 연속식에 의해서 면적에 반비례하기 때문에 급격히 감소하지만, 앞면적이 증가하면서 서서히 감소하는 것을 알 수 있다.
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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