고분자 연료전지 자동차의 냉시동 특성 연구
A study on cold-start characteristics of PEMFC vehicle
- 주제(키워드) 냉시동 , 연료전지
- 발행기관 서강대학교 대학원
- 지도교수 정시영
- 발행년도 2011
- 학위수여년월 2011. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 기계공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000046407
- 저작권 서강대학교의 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록/요약
연료전지는 현재 자동차의 대체 에너지 원으로서 상용화 단계에 있다. 하지만 연료전지의 상용화를 위해서는 겨울철 영하의 온도에서 수분의 결빙으로 인한 중요한 기술적 문제들이 존재한다. 특히 스택 내 잔존 수분 및 시동 시 생성되는 수분이 얼게 되어 스택의 성능이 떨어지거나 MEA의 내구성이 저하되는 문제는 시급히 해결 되어야 하는 문제이다. 현재 연료전지 차량은 가열된 냉각수의 시스템 내 순환에 의해 냉시동 문제를 해결하고 있다. 본 연구 이미 20장의 셀이 적층된 스택에 대하여 가열된 냉각수가 순환 할 때에 온도 분포에 관한 실험을 수행 하였으며 스택 양 끝에 위치한 셀들의 온도가 더디게 올라가는 것을 확인 하였다. 이 실험 결과를 바탕으로 복잡한 채널 구조를 지닌 스택의 냉시동 문제를 평가하기 위해 5장의 셀이 적층된 단순화 모델을 개발 하였다. 단순화된 수치해석 모델은 접촉 열저항이 도입되어 셀간 열전달량이 보정 되었으며 수치해석 결과 실험과 유사한 온도분포를 보였다. 단순화된 모델을 이용하여 실험을 통하여 확인하기 어려운 채널 내 유동 패턴과 셀간 열전달량을 분석하고 냉시동 성능 저하의 주된 원인을 제시하였다. 성능저하의 주된 원인은 체결판과 집진판으로의 열손실, 온도측정을 위해 두꺼워진 셀, 냉각수의 온도에 따른 급격한 점성 변화이다. 또한 연료전지 차량의 냉시동 성능 향상을 위한 연구로서 열관리 시스템에 대한 연구를 진행 하였다. 차량 개발 시간과 비용을 절약하기 위해 열관리 시스템에 대한 시뮬레이션을 수행 하였으며 시스템은 COD 히터, 매니폴드, 3way 밸브, 펌프, 이온 필터, 열교환기 그리고 스택으로 구성되어 있다. 열관리 시스템의 성능 향상을 위한 방안을 제시하기 위해 스택 가열 소요시간과 고체로의 열손실을 평가 하였다. 또한 연료전지 차량의 냉시동 성능을 향상 시키기 위해 종합적인 분석과 설계 개선안을 제시 하였다.
more초록/요약
Fuel cell is a promising alternative power plant for automotive applications. But to commercialize and come into wide use of fuel cell vehicles, there are important technical issues in cold-start. When the surrounding temperature is below zero degree celcius, the water used in fuel cell stack is frozen into ice. It causes a problem of durability and also decreases the efficiency of fuel cell vehicles. So it is essential to improve performance of the cold start of the fuel cell vehicles. One of the solution to improve the cold start is that a heated coolant is used for melting the ice into the stack. In this study, experiments were performed to investigate the warming-up characteristics using a simplified stack model which was composed of 20 cells. The stack was cooled down to -20oC and heated by the heating medium. The experimental results indicated that the cells close to both ends of the stack were heated very slowly. Numerical simulation was performed for 5 simplified cells at the end of the stack. It was found that a simplified numerical model could describe the warming-up process quite well, if the contact resistance between cells is properly assumed. It was also found that the slow increase of end cells was due to sharp increase of viscosity of the fluid at low temperature as well as the heat loss to the end plate. Thermal management system is used to improve performance of cold-start. To save development time and cost, simulation of TMS system was performed. TMS system is composed of COD heater, manifold, 3way valve, pump, ion filter, heat exchanger and fuel cell stack. Coolant is heated in COD and circulated in each component. Heating time required of the stack and heat loss to solid were estimated to devise strategy to improve performance of TMS system. Simulation was conducted with various inlet conditions of the coolant.
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