[논문]연료전지 스택 폐열 활용 전동식 히트펌프 시스템 난방 성능 특성 연구

이호성; 김정일; 원헌주; 이무연

doi:10.5762/kais.2018.19.12.924

초록
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본 연구의 목적은 수소연료전지 자동차의 난방부하 대응을 위한 스택 냉각수를 활용하여서, 전동식 히트펌프 시스템에 대한 난방성능 특성을 다양한 운전조건 변화에 대해서 고찰하는 것이다. 냉각수와 냉매(R-134a)와의 열교환을 위해서 판형열교환기를 적용하였고, 전동식 히트펌프 시스템에 적용되는 실내열교환기 입구의 공기온도와 압축기 회전수를 변화시키면서 난방 성능 특성을 분석하였다. 실내열교환기 입구 공기 온도 변화에 대해서 난방 성능은 거의 동일한 결과를 보이고 있는데, 이는 입출구 온도차와 공기 측 밀도의 변화가 균형을 이루었기 때문으로 판단된다. 반면, 히트펌프 시스템 효율(COP)의 경우, 난방 성능은 온도변화에 따라 동일하였지만, 유량 변화로 인하여서, 압축기 소모동력이 감소하였기 때문에, 실내열 교환기 입구 온도가 감소함에 따라서, 시스템 효율은 증가하는 경향을 보이고 있다. 추가적으로, EEV개도가 45%정도까지 열리는 구간에서는, 압축기 소모전력 감소하였기 때문에, 시스템 효율이 증가하였고, 그 이후에는 동일한 시스템 효율을 유지하는 것을 알 수 있었다. 압축기 회전수 변화 시에는 난방성능이 증가하면, 시스템 효율은 감소하는 경향을 보여주고 있다. 이러한 원인은 압축기 회전수 증가에 따른 유량의 증가로 판단된다. 향후, 열원으로 사용하는 냉각수에 대한 운전조건을 변화시켜가면서, 난방성능 특성을 분석하여, 전동식 히트펌프의 난방부하 대응을 위한 제어 방안을 연구하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of this study was to investigate heating performance characteristics of electric heat pump system in a fuel cell electric vehicle (FCEV). In order to analyze heating performance characteristics of electric heat pump system with plate-type heat exchanger using stack coolant to evaporate...

The objective of this study was to investigate heating performance characteristics of electric heat pump system in a fuel cell electric vehicle (FCEV). In order to analyze heating performance characteristics of electric heat pump system with plate-type heat exchanger using stack coolant to evaporate the refrigerant, R-134a, each component was installed and tested under various operating conditions, such as air inlet temperature of inner condenser and compressor speed. When the air inlet temperature of inner condenser was varied from $0.0^{\circ}C$ to $-20.0^{\circ}C$, heating capacity was not quite different due to similar temperature gap between inlet and outlet of inner condenser with electric-driven expansion valve (EEV). However, COP increased until certain EEV opening, especially under 45.0%, because of decreasing power consumption. According to the compressor speed variation from 2,000 to 4,000 RPM, heating capacity and COP were found to have opposite trend. In the future works, stack coolant conditions as the heat source for tested heat pump system were analyzed with respect to heating performance, such as heating capacity and COP.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of coolant source heat pump for a fuel cell electric vehicle
표 Table 1. Specification of tested system components
표 Table 2. Tested system test matrix
그림 Fig. 2. P-h diagram of heating cycle with stack coolant heat-sourced heat pump
표 Table 3. Test equipment and uncertainty of the experimental parameters
그림 Fig. 3. Heating performance characteristics with the variation of air inlet temperature of inner condenser (a) Heating capacity (b) Air out temperature of inner condenser (c) Heating COP
그림 Fig. 4. Heating performance characteristics with the variation of compressor speed (a) Heating capacity (b) Heating COP

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연료전지 자동차의 운전 시, 스택 냉각수 열원을 활용한 전동식 히트펌프 시스템에 대한 난방성능 특성을 분석하기 위하여서, 연구를 진행하였다. 따라서 본 연구에서는 다양한 운전조건에서 수소연료전지 자동차의 열관리시스템에 대한 성능특성을 고찰하고 이를 통하여 얻은 결과를 바탕으로 수소연료전지 자동차의 열관리시스템 성능 및 연비 향상을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 연료전지 스택 폐열을 활용할 수 있는 열교환기를 적용하였을 때, 외기온도 변화에 대한 전동식 난방시스템의 성능 특성에 대한 분석을 진행하고자 아래와 같이, 성능 평가 조건을 확립하였다. (Table 2)
본 연구에서는 연료전지 자동차의 운전 시, 스택 냉각수 열원을 활용한 전동식 히트펌프 시스템에 대한 난방성능 특성을 분석하기 위하여서, 연구를 진행하였다. 따라서 본 연구에서는 다양한 운전조건에서 수소연료전지 자동차의 열관리시스템에 대한 성능특성을 고찰하고 이를 통하여 얻은 결과를 바탕으로 수소연료전지 자동차의 열관리시스템 성능 및 연비 향상을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 연료전지자동차의 겨울철 운전 시 적용되는 전기히터 운전으로 인한 연비 저하 특성을 개선하기 위하여서, 연료전지 스택 폐열을 활용한 전동식 히트펌프 시스템의 적용을 고려하기 위하여서, 전동식 히트펌프 운전 특성을 분석하고자 연구를 수행하였고, 그 결과는 아래와 같다.
본 연구의 목적은 연료전지 자동차의 겨울철 난방성능 확보를 위한 방안으로 연료전지 스택 폐열을 활용하여서, 실내 난방을 위한 전동식 난방시스템에 대한 성능 특성을 분석하기 위하여서, 일정 스택 냉각수 온도에서 실내유입온도 변화와 압축기 회전수, 그리고, 팽창밸브개도 변화에 대한 실험을 진행하였다.

제안 방법

Fig. 4는 압축기 회전수 변화에 따른 전동식 난방시스템의 성능 변화 특성을 알아보기 위하여서, 실내 응축기 유입 공기 조건을 –20.0℃, 300 m3 hr-1로 하고, 연료전지 냉각수 조건을 35.0 ℃, 10.0 liter min-1하고, EEV를 변화시켜가면서, 실험을 진행하였고, 그 결과를 그래프로 나타내었다.
실외온도가 낮은 조건에서 연료전지 스택 폐열을 활용한 전동식 난방 시스템 성능 특성을 알아보기 위하여서, 각 핵심부품의 입·출구에 온도와 압력센서를 적용하였고, 냉매 유량의 경우, 압축기 출구에서 측정하였다. 냉각수 유량의 경우, 스택 냉각수를 적용하여서, 평가를 진행하였고, 유량측정은 체적유량계를 사용하였다.
실외온도가 낮은 조건에서 연료전지 스택 폐열을 활용한 전동식 난방 시스템 성능 특성을 알아보기 위하여서, 각 핵심부품의 입·출구에 온도와 압력센서를 적용하였고, 냉매 유량의 경우, 압축기 출구에서 측정하였다.
전동식 압축기 소요동력은 파워미터(WT-210)으로 계측하였다.
3은 실내응축기 입구 공기 온도 변화에 대한 전동식 난방시스템 성능 특성에 대한 결과를 보여주고 있다. 평가의 경우, 실내응축기 유입 공기 유량 300 m³ hr^-1, 압축기 회전수 2,000 rev min^-1, 그리고, 스택 냉각수 35.0℃, 10.0 liter min^-1에서 EEV 개도를 변화시켜가면서, 성능 변화 특성을 분석하였다. Fig.

성능/효과

(a)를 보게 되면, 실내 유입 공기 온도가 –20.0℃에서, EEV 개도 조절에 따라, 냉매 유량이 증가할수록, 난방 성능은 떨어지는 결과를 보이고 있다.
1) 연료전지 스택 폐열원을 이용할 경우, 동일 증발열원으로 인하여서, 실내온도가 변화하여도, 난방용량은 거의 동일한 수준이지만, 토출온도는 온도에 따라 차이를 보이고 있다.
2) 시스템 효율의 경우, 유입 공기 온도가 낮을수록 더 높아지는 결과를 보여주고 있는데, 이는 유량이 작아지기 때문에, 압축기 소모동력이 작아서, 상대적으로 효율이 높아지는 결과를 보이고 있다.
3) 압축기 회전수 변화에 따른 성능 특성의 경우도, 회전수가 증가할수록 난방 성능은 증가하고, 시스템 효율은 작아지게 되는 것을 알 수 있고, 일정 EEV 개도 이상에서의 성능 변화는 크지 않다는 것을 알 수 있었다.
즉, 일정 개도 이상에서는 성능 변화가 거의 없다는 것을 알 수 있다. EEV 개도 열림이 적을수록 유량이 적어서, 동일 압축기 회전수에서 냉매의 비가역성이 커져서, 고온이 되고, 압축기 소모 동력도 약간씩 커지는 결과로 시스템 효율은 상대적으로 낮아지는 것을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서 일정한 스택 폐열을 이용한 시스템 성능 특성에 대한 연구를 진행하였기 때문에, 향후, 스택 폐열운전조건 변화에 대한 시스템 성능 변화 특성을 분석할 예정이다.
기존 연구들에서 자동차용 히트펌프 시스템의 경우, 공기열원, 하이브리드 열원에 대한 연구가 진행되었지만, 냉각수를 활용한 폐열원에 대한 연구는 많지 않고, 특히, 연료전지 스택 열원을 활용한 히트펌프 시스템 연구는 부족한 상황이다. 연료전지 스택의 경우, 상대적으로 높은 수준의 온도를 가지고 있기 때문에, 히트펌프의 열원으로 우수한 상황이기 때문에, 연료전지 자동차 난방운전 시 연비 저하를 최소화 할 수 있는 방안으로 활용될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지 스택이 연비 저하를 최소화 할 수 있는 방안으로 활용될 수 있는 이유는?	기존 연구들에서 자동차용 히트펌프 시스템의 경우, 공기열원, 하이브리드 열원에 대한 연구가 진행되었지만, 냉각수를 활용한 폐열원에 대한 연구는 많지 않고, 특히, 연료전지 스택 열원을 활용한 히트펌프 시스템 연구는 부족한 상황이다. 연료전지 스택의 경우, 상대적으로 높은 수준의 온도를 가지고 있기 때문에, 히트펌프의 열원으로 우수한 상황이기 때문에, 연료전지 자동차 난방운전 시 연비 저하를 최소화 할 수 있는 방안으로 활용될 수 있다.
	전기 자동차와 연료전지 자동차 같은 무공해 전기에너지를 사용하는 차량의 개발이 주목을 받는 이유는 무엇인가?	현재의 운송수단에서 가장 널리 사용되고 있는 자동차의 경우 이제까지 화석연료 기반의 에너지를 사용하고 있어서, 심각한 환경오염문제와 화석연료의 고갈이라는 문제를 안고 있다. 이러한 이유로 전 세계적으로 기존의 화석연료를 대체할 수 있는 새로운 에너지원의 개발에 많은 노력을 하고 있고, 그 결과로 전기 자동차와 연료전지 자동차와 같이 무공해 전기에너지를 사용하는 차량의 개발이 많은 주목을 받고 있다.
	전기 자동차에서 난방시스템의 개발이 요구되는 이유는?	연료전지 자동차는 전기동력을 활용하여서, 구동원으로 활용하고 있기 때문에, 구동원이 아닌 소모동력의 사용을 최소화하여야, 연비가 향상되는 효과를 볼 수 있다. 그렇지만, 엔진폐열을 활용하여서, 실내 난방을 진행하는 내연기관 자동차와 다르게, 전기동력 자동차의 경우, 전기히터를 사용하여서, 난방을 진행해야하기 때문에, 연비 감소의 주요 원인 중에 하나로 여겨지고 있다. 그러므로, 전기에너지를 최소화할 수 있는 난방시스템의 개발이 필요한 상황이고, 이러한 문제를 해결하기 위해서, 히트펌프 시스템에 대한 연구가 주요하게 진행되고 있다.

참고문헌 (8)

TOSHIHISA KONDO, AKIRA KATAYAMA, HIDEKI SUETAKE, MASATOSHI MORISHITA, "Development of Automotive Air-Conditioning Systems" Mitsubishi Heavy Industries Technical Review, Vol. 48, No. 2, June 2011.
Antonijevic D, Heckt R., "Heat pump supplemental heating system for motor vehicles", Journal of Automobile Engineering, vol. 218, no. 10, pp. 1111-1115, 2004. DOI: https://dx.doi.org/10.1177/095440700421801005

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Y. C. Choi, W. S. Lee, M. H. Park, Y. H. Choi, "Heating Performance Evaluations for Development of Heat Pump System on Battery Electric Vehicle", Proc. of KSAE Fall Conference, pp.559-563 , 2011.
H. S. Woo, J. H. Ahn, M. S. Oh, , Y. C. Kim, "Study on the Heating Performance Characteristics of a Heat Pump System Utilizing Air and Waste Heat Source for Electric Vehicles", Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 4, pp.180-186, 2013.

원문보기 상세보기
M. Hosoz, M. Direk, "Performance evaluation of an integrated automotive air conditioning and heat pump system", Energy Conversion and Management 47, pp 545-559, 2006.

상세보기
H. S. Lee, Y. C. Kim, "Experimental study on heating performance characteristics of stack coolant heat-sourced electric driven air conditioning system in a fuel cell electric vehicle", Proc. of KSAE Spring Conference, pp.1249-1254 , 2017.
S. H. Lee, "Analysis on the performance test results of heat pump for the closed cooling water heat recovery on combined thermal power plant", The KSFM Journal of Fluid Machinery, Vol. 19, No. 2, pp 43-48, 2016. DOI: https://dx.doi.org/10.5293/kfma.2016.19.2.043
H. S. Lee, M. Y. Lee, "Steady state and start-up performance characteristics of air source heat pump for cabin heating in an electric passenger vehicle", International Journal of Refrigeration, No. 69, pp. 232-242, 2016 DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2016.06.021

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