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실제 수소 전기 상용 트럭에서는 최대 210 kW 정도 발열량이 발생하나, 본 연구에서는 실험장치를 고려하여 최대 약 1.3 kW의 발열량만을 모사하였다. 따라서, 다음과 같은 가정을 하였다.

1) 발열량은 용량에 따라 선형적으로 증가한다.

2) 본 연구에 사용된 유체는 비압축성 유체이다.

3) 모사장치의 발열량은 계산식에 의해 계산되며, 열손실은 고려하지 않는다.

4) 적용된 발열량은 전기 부하에 따라 변화된다.

또한 Scale-up 방식을 적용함에 있어 실험 장치와 수학적 계산식에 대한 오차는 여러 비가역적인 요인들로 인해 필연적으로 발생한다. 이러한 요인들은 계산이 사실상 불가능하다. 하지만 이전 연구들에서와 같이 이러한 한계사항들은 전체시스템에 미비한 수준의 실험적 오차로 판단할 수 있다. 일반적으로 연료전지는 부하 변동에 따라 스택에서 발생하는 열이 다르다. 이러한 발열량에 따라 연료전지 스택의 온도가 변화되며, 본 연구에서는 수학적으로 계산된 스택 발열량을 기반으로 스택의 온도를 예측하였다. Fig. 2의 2번 열교환기를 스택으로 모사하였으며, 1번 열교환기에서 수돗물에 의해 열교환이 이루어진 유체가 2번 열교환기로 유입되어 스택의 발열량을 모사하게 된다. 스택의 온도는 최대 91 ^oC에서 수돗물 유량변화에 따라 열전달에 의해 최소 76 ^oC까지 변화되도록 구성하였다. Fig. 4는 수돗물 유량을 0 kg/s에서부터 0.005 kg/s까지 0.83*10^-3 kg/s씩 증가시키면서 스택 모사 장치의 온도를 모사한 데이터 이다. 그림에서 보듯이, 수돗물의 유량을 적절히 제어하면 스택의 온도 변화를 통해 스택 발열량을 모사할 수 있는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 4 
Fuel cell temperature with water pump flow rate

일반적으로 볼텍스 튜브는 입구 압력이 증가함에 따라 에너지 분리 효율이 상승하는 특징을 가지고 있다. 볼텍스 튜브는 에너지 전달 이론을 통해 설명되고 있다. 고압의 공기가 볼텍스 튜브 내로 들어와 강한 와류를 발생시키고 벽면을 통해 이동하며 이러한 와류는 고온 출구측으로 유동되며 이러한 고온 출구측 유동을 강제 볼텍스라고 한다. 또한 고온 출구측으로 유동하는 와류가 일정 거리를 이동하면 와류의 강도가 감소하여 중심부를 통해 저온 출구 측으로 역방향으로 유동하게 되며 이러한 유동은 자유 볼텍스라고 한다. 이러한 역류되는 지점은 종모양의 형태를 나타내며 표면에서 볼텍스 간에 에너지와 운동량이 전달되어 교환된다. 이러한 교환은 운동량이 에너지의 전달량보다 크기 때문에 벽면의 와류 유동의 온도는 증가하고 중심부의 와류 유동은 온도가 감소하여 에너지 분리가 발생한다. 이러한 이유로 본 연구에서는 입구 압력에 따른 성능 특성을 확인하기 위해 1.5~3 bar까지 0.5 bar씩 변화시키면서 실험을 수행하였다. 또한 볼텍스 튜브 고온측 후단에 위치한 스로틀 밸브의 열림각을 조절하여 저온 유량 비를 0.3~0.9 범위까지 변경하여 실험을 진행하였다.

저온 유량비와 고온 및 저온 온도비의 정의는 아래의 수식과 같다.

Fig. 5는 압력과 저온 유량비에 따른 저온과 고온의 에너지 분리 효과를 보여준다. 그림에서 보듯이, 볼텍스 튜브 입구로 유입되는 공기의 압력이 증가함에 따라 저온 및 고온측의 에너지 분리 효율이 전 영역에 걸쳐 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 이는 높은 압력일수록 볼텍스 튜브 내부에서 와류의 증가로 에너지 분리 효과가 증대되는 것으로 보인다. 또한, 그림에서 보듯이, 볼텍스 튜브 저온 유량비를 증가시키면 저온측, 고온측의 에너지 분리 효율이 증가하다가 고온측은 전 압력에 걸쳐 약 0.8, 저온측은 전 압력에 걸쳐 약 0.6에서 분리 효율이 감소 하는 것을 볼 수 있다. 이는 저온측 유량이 감소함에 있어 저온측으로 유출되는 공기가 고온측 출구로 역류하기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 5 
High and low temperature ratio with low temperature flow ratio and pressure

이에 본 연구에서는 수소 전기 상용차의 작동 압력을 고려하여 입구 압력을 3 bar로 설정하였다. 또한 저온 유량비가 0.6 이하의 수준에서는 유량 및 볼텍스 튜브 운전 효율의 감소로 인해 저온 유량비는 0.6에서부터 0.9까지 실험 조건으로 설정하였다.

전술하였듯이, 볼텍스 튜브의 저온측 온도비는 저온유량비에 따라 변화된다. 특히, 저온유량비 0.5~0.6 부근에서 최대의 온도비가 형성된다. 하지만, 스택의 방열은 온도 뿐만 아니라 아래의 수식과 같이 유량, 그리고 비열에 대해 모두 영향을 받는다. 특히, 유체가 비압축성 유체일 경우 스택의 방열효율은 저온온도비와 유량에 강력히 의존한다. 따라서 저온온도비 뿐만 아니라 유량을 다음과 같이 모두 고려하여야 한다.

Fig. 6은 식 (4)를 고려하여 계산된 볼텍스 튜브의 입구 및 출구 온도에 따른 열량을 보여준다. Fig. 6에서 보는 바와 같이, 비록 저온유량비 0.5~0.6 부근에서 최대 저온온도비가 형성되지만, 유량까지 고려한 식 (4)에 의하면 0.6~0.9에서 최대 방열량이 형성된다. 이는 저온유량비를 증가시키면 저온측에 온도비는 감소하더라도, 냉각 유량은 증가하기 때문이다. 이에 본 연구에서는 저온유량비 0.6~0.9를 최적 열 교환량 범위로 설정하여 실험을 수행하였다.

Fig. 6 
Heat transfer rate with low temperature flow ratio and pressure

볼텍스 튜브 이전연구에 의하면 볼텍스 튜브의 저온 및 고온의 출구단에 열교환기를 설치하면 내부 유로 저항에 의한 배압이 발생하여 에너지 분리 효율이 감소한다고 보고되고 있다.¹⁸⁾ 이에 본 연구에서는 열교환기 설치에 따른 볼텍스 튜브 배압 영향을 확인하기 위해 2 bar, 그리고 3 bar의 공급압력 조건에서 실험을 수행하였다. Table 1은 실험에 대한 데이터로써 저온유량비를 0.3에서 1까지 변화하였을 경우 2 bar, 그리고 3 bar의 압력조건에서 배압변화의 오차(Error)가 0.2이하 수준으로 보여진다. 결론적으로 볼텍스 튜브 출구에 열교환기의 설치 유무와 관계없이 배압의 영향이 거의 없는 것을 확인 할 수 있다.

부하에 따라 스택의 발열량은 달라지며, 이는 곧연료전지 스택의 온도를 증가시키는 원인이 된다. 이 장에서는 스택의 온도를 냉각하기 위해 기존에 수소 전기 자동차에 사용되는 라디에이터 및 냉각팬을 사용하여 스택 냉각을 수행하였으며, 스택의 작동온도는 실제 수소 전기자동차의 작동온도인 70 ^oC로 제어되도록 냉각 팬의 제어를 수행하였다. Fig. 7에서 보듯이, 스택에서의 발생되는 열량이 증가하면 2번 열교환기의 3번 포트로 유입되는 냉각수 온도가 감소하여야 하며 라디에이터의 냉각팬을 제어하여 제어 온도는 70 ^oC로 충분히 스택의 온도를 유지시킬 수가 있다.

Fig. 7 
Single-product cooling of the radiator with load change

Figs. 8~11은 라디에이터와 볼텍스 튜브 냉각장치를 함께 적용하면서 저온유량비를 최적 열전달이 일어나는 범위 0.6~0.9까지 변화시키며 도출된 성능 그래프이다. 그림에서 보듯이, 전체적으로 스택의 온도가 적절히 70 ^oC에 제어가 유동적으로 되며, 볼텍스 튜브 냉각장치의 도움을 받아 볼텍스 튜브가 담당하는 냉각 열량만큼 라디에이터 팬이 담당하는 열량이 줄어드는 것을 볼 수 있다.

Fig. 8 
Cooling of the radiator and vortex tube(0.9) with load change

Fig. 9 
Cooling of the radiator and vortex tube(0.8) with load change

Fig. 10 
Cooling of the radiator and vortex tube(0.7) with load change

Fig. 11 
Cooling of the radiator and vortex tube(0.6) with load change

볼텍스 튜브의 스로틀 밸브를 조절하여 유량과 온도가 상이해지며 이에 따른 열량 또한 다르다. 볼텍스 튜브 저온유량비 0.6~0.9까지의 열량은 Fig. 12에서 확인할 수 있다. 스택 모사 장치의 전 부하에서 저온 유량비 0.8 영역이 가장 높은 냉각성능을 확인할 수 있다. 이에 저온유량비 0.6의 최저온도 영역보다 0.8에서 냉각성능이 높으며 온도의 영향을 무시할 수는 없지만 유량에 의한 영향이 지배적임을 확인 할 수 있다.

Fig. 12 
Heat generation comparison with low temperature flow rate of vortex tube

스택 모사 장치를 냉각하기 위해서 볼텍스 튜브 저온 유량비 0.8영역을 지정하였으며 이에 따라 에 너지 측면의 효율을 확인하였다. Fig. 13에서 보듯이, 볼텍스 튜브에 의한 냉각 열량은 평균적으로 240 W임을 확인할 수 있다. 또한 부하에 따라 필요로 하는 열량이 달라지며 그에 따른 냉각 효율은 최소 18 %에서 최대 32 % 수준의 냉각을 확인할 수 있다.

Fig. 13 
Vortex tube cooling energy and efficiency analysis