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[국내논문] 연료전지 자동차용 스택 시스템의 열적 성능 특성에 관한 수치적 연구
Numerical study on the thermal performance characteristics of the stack system for FCEV 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.6, 2015년, pp.3708 - 3713  

이호성 (자동차부품연구원 열제어시스템 연구센터) ,  이무연 (동아대학교 기계공학과) ,  원종필 (자동차부품연구원 열제어시스템 연구센터)

초록
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본 연구의 목적은 연료전지 자동차의 스택 시스템의 열적 특성을 파악하기 위하여 상용 수치 해석 프로그램을 이용하여 열전달 성능을 해석적으로 고찰하였다. 이를 위하여 연료전지 자동차가 일반도로 및 등판도로 등 주행 특성에 따른 스택 열관리 시스템의 냉각 특성과 에어컨의 작동 여부 등 운전 특성에 따른 스택 열관리 시스템의 냉각 특성을 고찰하였다. 스택 라디에이터로 유입되는 공기 유속이 증가함에 따라 모든 냉각수 유량조건에서 열전달 성능은 향상되었다. 공기 유속이 2 m/s에서 10 m/s로 증가함에 따라 스택 라디에이터의 열전달 성능은 냉각수 유량 20 l/min에서 105.3% 증가하였고, 냉각수 유량 120 l/min에서 221.3% 증가하였다. 스택 라디에이터는 가혹조건인 등판 각도 8% 및 속도 50 km/h에서 냉각수 입구 온도차 $9.45^{\circ}C$로 일반조건인 등판 각도 0% 및 속도 120 km/h에서 냉각수 입구 온도차인 $5.1^{\circ}C$보다 85.3% 증가했다. 또한, 연료전지 자동차가 가혹조건인 등판 주행시 에어컨 시스템을 작동할 경우 스택의 안정적 작동을 허용하는 한계 온도인 $70^{\circ}C$를 초과할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to numerically investigate the heat transfer rate for evaluating the thermal performances of the stack thermal system using the commercial software. In order to perform this, the cooling performances of the stack system for fuel cell electric vehicle were tested under ...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 연료전지 자동차의 스택 열관리 시스템의 충분한 냉방성능 확보를 위하여 열전달 성능을 수치적으로 해석하고자 한다. 더불어, 연료전지 자동차의 스택 열관리 시스템에 대한 적합성 판단의 가장 중요한 요소인 라디에이터 입구에서 냉각수 온도를 자동차 주행 특성에 따라 예측하였다.
  • 일반적으로 연료전지 자동차를 포함하여 자동차는 탑승공간의 냉방을 위하여 에어컨을 장착하게 되어있고, 자동차 전면부 (FEM)의 최적 레이아웃을 위해서 라디에이터의 앞쪽에 에어컨 시스템의 응축기를 위치하게 한다 [12]. 에어컨 시스템을 가동하게 되면 응축기의 방열로 인하여 후단에 있는 라디에이터는 열부하가 증가하여 열전달 성능에 영향을 받게 되므로, 본 연구에서는 에어컨 시스템의 작동여부에 따른 스택 라디에이터의 열전달 성능을 고찰하였다. Fig.
  • 본 연구는 연료전지 자동차의 스택 열관리 시스템의 열적 특성을 파악하기 위하여 상용 수치 해석 프로그램을 이용하여 열전달 성능을 해석적으로 고찰하였다. 이를 위하여 연료전지 자동차가 일반도로 및 등판도로 주행 등 주행 특성에 따른 스택 열관리 시스템의 냉각 특성과 에어컨의 작동 여부 등 운전 특성에 따른 스택 열관리 시스템의 냉각 특성을 고찰하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
내연기관 자동차는 어떤 규제를 받고 있는가? 수세기 동안 수송 및 운반 수단으로 가장 많이 사용되고 있는 것 중 하나가 내연기관 자동차이다. 이러한 내연기관 자동차는 대부분 가솔린과 디젤을 연료로 사용하고 있어 최근의 지구온난화 및 환경규제의 강화로 인하여 새로운 사용규제를 받고 있다 [1]. 이러한 추세에 맞추어 전기 동력 자동차는 기존의 내연기관을 대체하는 무공해 자동차로 많은 관심을 받고 있으며 많은 완성차 회사 및 연구기관에서 활발히 연구되고 있다 [2].
전기 동력 자동차는 무엇을 대체하는 연구가 진행중인가? 이러한 내연기관 자동차는 대부분 가솔린과 디젤을 연료로 사용하고 있어 최근의 지구온난화 및 환경규제의 강화로 인하여 새로운 사용규제를 받고 있다 [1]. 이러한 추세에 맞추어 전기 동력 자동차는 기존의 내연기관을 대체하는 무공해 자동차로 많은 관심을 받고 있으며 많은 완성차 회사 및 연구기관에서 활발히 연구되고 있다 [2]. 전기 동력 자동 차 중 내연기관과 배터리를 번갈아 가면서 사용하는 하이브리드 전기자동차는 가장 먼저 상용화가 되었지만 내연기관을 여전히 사용하고 있다는 점에서 근본적인 대안으로 보기는 어렵다.
스택 열관리 시스템의 냉각성능의 해석을 진행하는데 사용한 상용프로그램은 무엇이 있는가? 프로그램인 오스트리아 Steyr-Diamler Puch사에 의하여 개발된 KULI software를 이용하여 스택 열관리 시스템의 냉각성능 해석을 진행하였다 [7]. 상용프로그램인 KULI software의 여러 모델 중 자동차 냉각시스템(Cooling system) 설계 모델을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였다 [8]. 먼저, 연료전지 자동차의 FEM (Front end module)은 크게 에어컨용 응축기와 스택 열관리 시스템을 구성하는 부품들로 구성되어 있다.
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참고문헌 (12)

  1. D. H. Lim, M. Y. Lee, H. S. Lee, S. C. Kim, "Performance Evaluation of an In-Wheel Motor Cooling System in an Electric Vehicle/Hybrid Electric Vehicle", Energies, Vol. 7, No. 2, pp. 961-971, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.3390/en7020961 

  2. J. H. Seo, Y. M. Bang, L. S. Seo, M. Y. Lee, "Heat Transfer Characteristics of the Heat Pipe using Simplified Heat Transfer Model", Trans. of KAIS, Vol. 16, No. 1, pp. 15-20, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.1.15 

  3. H. S. Lee, M. Y. Lee, "Cooling Performance Characteristics on Mobile Air-Conditioning System for Hybrid Electric Vehicles", Advances in Mechanical Engineering, Vol. 2013, pp. 1-9, 2013. 

  4. H. S. Lee, J. P. Won, C. W. Cho, Y. C. Kim, M. Y. Lee, "Heating Performance Characteristics of Stack Coolant Source Heat Pump using R744 for Fuel Cell Electric Vehicles", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 26, No. 7, pp. 2065-2071, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12206-012-0516-2 

  5. J. C. Park, K. D. Baik, S. C. Kim, M. S. Kim, J. P. Won, "Studies on the Performance of a Stack Cooling System Using Air Conditioner Unit for Fuel Cell Vehicles", KSAE 2008 Annual Conference, pp. 1967-1970, 2008. 

  6. T. Yamashita, T. Ishikawa, H. Shimonosono, M. Yamada, M. Iwasaki, "The Development of the Cooling System for FCV", 2004 JAMA Annual Conference, No. 88-04, 2004. 

  7. Y. R. Back, 1999, "A Design Program for Cooling System of Vehicle(KULI)", Journal of the KSME, Vol. 39, No. 5, pp. 26-27 

  8. http://www.kuli-software.com/ 

  9. S. C. Kim, J. P. Won, Y. S. Park, T. W. Lim, M. S. Kim, "Performance evaluation of a stack cooling system using CO2 air conditioning system in fuel cell vehicles", International Journal of Refrigeration, Vol. 32, pp. 70-77, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2008.07.003 

  10. H. S. Lee, J. P. Won, S. C. Kim, C. G. Cho, Y. S. Park, S. K. Kim, "Study on Performance Analysis and Evaluation of Stack Cooling System for Fuel Cell Electric Vehicle", KSAE 2008 Annual Conference, KSAE-A0424, 2008. 

  11. H. S. Lee, J. P. Won, C. W. CHo, D. H . Lee, Y. S. Park, S. K. Kim, "A Study on Analytic Approach for Stack Cooling Performance Improvement of Fuel Cell Electric Vehicle", KSAE 2009 Annual Conference, 2009 KSAE, pp. 3007-3013, 2009. 

  12. J. G. Kim, W. H. Jeon, J. H. Cho, "Engine Room Layout Design Optimization of Fuel Cell Vehicle Using CFD Technique", Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 4, pp. 99-106, 2011. 

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