[논문]밀폐된 공간 내 공랭식 PEMFC의 자연대류 열전달에 대한 실험적 연구

이준식; 김승곤; 손영준

doi:10.7316/khnes.2016.27.1.042

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This study presents an experiment investigation on natural convection heat transfer of air-cooling Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) in a enclosure system for unmanned aerial vehicles (UAVs). Considered are replacing fuel cell stack with Aluminum block for heat generating inside a enclosu...

This study presents an experiment investigation on natural convection heat transfer of air-cooling Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) in a enclosure system for unmanned aerial vehicles (UAVs). Considered are replacing fuel cell stack with Aluminum block for heat generating inside a enclosure chamber. The volume ratio of fuel cell stack and chamber for simulation to the actual size of aerial vehicle is 1 to 15. The parameters considered for experimental study are the environmental temperature range from $25^{\circ}C$ to $-60^{\circ}C$ and the block heat input of 10 W, 20 W and 30 W. Effect of the thermal conductivity of the block and power level on heat transfer in the chamber are investigated. Experimental results illustrate the temperature rise at various locations inside the chamber as dependent upon heat input of fuel cell stack and environmental temperature. From the results, dimensionless correlation in natural convection was proposed with Nusselt number and Rayleigh number for designing air-cooling PEMFC powered high altitude long endurance (HALE) UAV.

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문제 정의

따라서 본 연구는 극한 환경에서의 대류열전달 문제를 실험을 통하여, 고고도 무인항공기 연료전지 스택에서 발생되는 열에 대하여 고도상승에 따른 외부 온도변화와 무인항공기 동체 내 연료전지 스택 운전 시 온도변화에 대해 열환경 모사 실험을 통해 온도 데이터를 수집하고자 하였다. 특히, 연료전지 모사용 알류미늄 블록 히터의 발생열량을 달리하면서 시간에 따른 밀폐공간 내부의 온도변화, 외부온도변화에 따른 밀폐공간에서의 열전달 특성을 알아보고자 하였고, 정상상태에서 Nusselt 수, Rayleigh 수를 구하고, 두 무차원수의 상관관계식을 구하였다.
이에 본 연구는 무인기 동체와 연료전지 스택을 모사하여, 극한 열환경에서 연료전지 스택에서 발생되는 열에 대한 대류열전달 문제를 다루고자 하였다. 무인기 동체는 밀폐된 공간으로 가정하였다.

가설 설정

이에 본 연구는 무인기 동체와 연료전지 스택을 모사하여, 극한 열환경에서 연료전지 스택에서 발생되는 열에 대한 대류열전달 문제를 다루고자 하였다. 무인기 동체는 밀폐된 공간으로 가정하였다. 밀폐공간에서의 대류열전달 문제와 관련하여, Bae⁹⁾ 등은 원형 열원이 존재하는 밀폐된 사각 공동내의 자연대류에 대한 열전달 실험 및 수치해석을 수행하였다.

제안 방법

본 연구는 밀폐공간에서의 자연대류 열전달 실험을 수행하여, 실험결과를 Nu 수와 Ra 수의 무차원 상관관계로 정리하였다. 본 실험 결과는 고고도 무인기용 연료전지 스택의 열설계를 위한 기초 자료로 활용 가능할 것으로 사료되며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
따라서 본 연구는 극한 환경에서의 대류열전달 문제를 실험을 통하여, 고고도 무인항공기 연료전지 스택에서 발생되는 열에 대하여 고도상승에 따른 외부 온도변화와 무인항공기 동체 내 연료전지 스택 운전 시 온도변화에 대해 열환경 모사 실험을 통해 온도 데이터를 수집하고자 하였다. 특히, 연료전지 모사용 알류미늄 블록 히터의 발생열량을 달리하면서 시간에 따른 밀폐공간 내부의 온도변화, 외부온도변화에 따른 밀폐공간에서의 열전달 특성을 알아보고자 하였고, 정상상태에서 Nusselt 수, Rayleigh 수를 구하고, 두 무차원수의 상관관계식을 구하였다.

대상 데이터

고고도 장기체공 무인기 기초설계를 바탕으로 무인기 동체와 연료전지의 부피의 비는 15:1로 사이즈를 결정하였으며, Fig. 2에서 보는바와 같이, 무인기 동체 내부 모사를 위한 육면체 단열밀폐상자는 425 mm ×400 mm × 300 mm로 5 mm 두께의 아크릴로 제작하였고, 연료전지 스택을 모사하기 위해 85 mm × 94 mm × 25 mm의 알루미늄 블록에 직경이 8 mm의 히터(DC 24 Volt, 20W) 두 개를 블록 가장자리에 삽입 하여 발열체를 제작하였다. 하부로부터 전도에 의한 열손실 및 절연을 위해 Bakelite 재질의 4개 기둥으로 블록을 지지하게 하였다.
2)는 5 mm 두께의 아크릴로 제작하였으며, 전원은 DC Power Supply (NS-4050A)를 이용하여 실험조건에 맞는 전력을 공급한다. 시험부 각 부분의 온도는 밀폐상자에서 데이터 처리장치로 연결된 10개의 T-type 열전대를 이용하여 측정하였다. 정확한 온도 측정을 위해 온도보정장치 (FLUKE-725 Calibrator)와 항온조를 이용하여 보정을 하였으며, 오차는 ±0.

데이터처리

밀폐공간에서의 대류열전달 문제와 관련하여, Bae⁹⁾ 등은 원형 열원이 존재하는 밀폐된 사각 공동내의 자연대류에 대한 열전달 실험 및 수치해석을 수행하였다. 원형 열원의 위치 및 온도 변화에 따른 Nusselt 수와 Grashof 수를 실험 결과와 수치해석 결과의 비교를 통해 타당성을 검증하였다. 열원이 존재하는 밀폐된 공간내의 자연 대류 문제에 대하여 다양한 Rayleigh 수에 따른 열전달 특성에 대해 수치해석 및 실험적으로 많은 연구^10,11)가 진행되어 왔다.

성능/효과

1) 밀폐공간 내부의 온도변화는 시간에 따라 증가하다가 약 120분 후 모든 실험에서 정상상태에 도달하고, 열입력에 따른 온도변화는 매우 선형적이다.
2) 실험 구간 내에서 열부하의 증가에 따라 열전달 계수는 선형적으로 증가하며. 이러한 결과는 부력의 영향으로 자연대류열전달이 증가하는 것으로 판단된다.
3) 밀폐공간 내 블록표면에서 멀어짐에 따라, 외부온도가 낮아짐에 따라 Nusselt 수는 증가하며, 실험 결과에 기초하여 밀폐공간에서 외부환경변화에 따른 Nu-Ra 수의 상관관계식을 최소자승법으로 정리하였다.
5°C의 온도차이가 발생했다. 이는 밀폐공간 내 블록 표면에서 지속적인 열이 발생하여 자연대류에 의한 열전달이 지속적으로 이루어짐을 확인 할 수 있다.

후속연구

4) 향후 저온 및 저압 환경에서 실험을 진행할 예정이며, 기상청 라디오존데를 이용하여 실제 성층권에서 대류 열환경 실험을 수행하고자 한다.
특히 성층권으로 진입 시 고도상승에 의한 온도, 습도, 압력 등과 같은 외부 환경 조건 변화에 따른 내구성 문제가 존재한다. 이러한 환경조건에서 연료전지 시스템을 장착한 비행체에 대한 연구가 진행되고 있지만 여전히 많은 후속 연구가 필요한 실정이다^4,5). 더욱이, 고분자 전해질 연료전지 스택의 적정 작동온도는 60~80°C인데, 운전과정 동안 발생하는 열을 적절하게 제거하지 못하는 경우가 발생하면 부품 손상 및 성능저하 문제가 발생한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	밀폐공간에서의 자연대류 열전달 실험에서, 동일 밀폐공간임에도 불구하고 온도 차이가 발생하는 실험 결과로 무엇을 확인할 수 있었는가?	5°C의 온도차이가 발생했다. 이는 밀폐공간 내 블록 표면에서 지속적인 열이 발생하여 자연대류에 의한 열전달이 지속적으로 이루어짐을 확인 할 수 있다.
	무인항공기의 연료전지에 요구되는 성능은 무엇인가?	그러나 무인항공기의 동력원으로 사용되는 연료전지는 고고도의 극한 환경에서 안정적인 성능을 발휘해야한다. 특히 성층권으로 진입 시 고도상승에 의한 온도, 습도, 압력 등과 같은 외부 환경 조건 변화에 따른 내구성 문제가 존재한다.
	PEMFC의 특징은 무엇인가?	기존 엔진 및 배터리를 대체할 수 있는 동력원으로 고분자 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)가 주목 받고 있다. PEMFC는 단위 중량 당 에너지밀도가 높고, 수소와 산소의 전기화학적 반응을 이용하기 때문에 효율이 높으며, 구동부가 없어 소음이 적다. 이러한 특성으로 인해 연료전지 무인항공기가 임무 수행에 매우 적합하다1-3).

참고문헌 (11)

O. Gonzalez-Espasandin, J. T. Leo, and E. Navarro-Arevalo, "Fuel Cells: A Real Option for Unmanned Aerial Vehicles Propulsion", The Scientific World Journal, 2014, pp. 1-12.
T. Kim, and S. Kwon, "Design and Development of a Fuel Cell-Powered Small Unmanned Aircraft", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, 2012, pp. 615-622.

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M. Cha, M. Kim, Y. Sohn, and T. Yang, "Design, Control and Evaluation Methods of PEM Fuel Cell Unmanned Aerial Vehicle: A review", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 45, No. 4, 2014, pp. 405-418.
S. Cho, M. Kim, Y. Sohn, and T. Yang, "Research trend and analysis of altitude and endurance for fuel cell unmanned aerial vehicles", Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 25, No. 4, 2014, pp. 397-404.
D. Park, S. Kim, D. Kim, and T. Kim, "Performance Evaluation of Hydrogen Generator for Fuel Cell Unmanned Aircraft", Journal of The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 39, No. 7, 2011, 2011, pp. 627-633.

원문보기 상세보기
S. Kang, B. Kim, and H. Kim, "Experimental Study on the Characteristics of Heat Exchanger of 1 kW PEMFC System for UAV", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 22, No. 60, 2011, pp. 819-826.
Y. Jee, Y. Sohn, G. Park, C. Kim, Y. Choi, and S. Cho, "Power System Development of Unmanned Aerial Vehicle using Proton Exchange Membrane Fuel Cell" Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 23, No. 3, 2012, pp. 250-255.

원문보기 상세보기
G. Romeo, F. Borello, G. Correa, and E. Cestino, "ENFICA-FC: Design of Transport Aircraft Powered by Fuel Cell & Flight Test of Zero Emission 2-seater Aircraft Powered by Fuel Cells Fueled by Hydrogen", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 38, 2013, pp. 469-479.

상세보기
K. Bae, C. Yi, H. Jeong, and H. Chung, "A Study on Natural Convection in a Rectangular Enclosure with a Heating Source", Proceeding of The KSME Spring Conference B, 2000, pp. 296-303.
Y. Ahn, H. Cho, and H. Yong, "A Finite Element Analysis of Conjugate Heat Transfer Inside a Cavity with a Heat Generating Conducting Body", Trans. of The Korean Society of Mechanical Engineers B, Vol. 33, No. 3, 2009, pp. 170-177.

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J. Lee, and M. Ha, "Numerical Simulation of Natural Convection in a Horizontal Enclosure with a Heat-generating Conducting Body", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 49, 2006, pp. 2684-2702.

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