Introduction

최근 기후변화 대응과 개선에 대한 사회적 요구가 확대됨에 따라, 내연기관 기반 이동오염원의 배출가스 저감은 중요한 과제로 부각되고 있다. 특히 트랙터, 콤바인, 이앙기 등 농업기계는 비도로 이동기계에 속하며, 도로용 차량과 달리 저속·고부하·반복 부하 조건에서 장시간 운전되는 특성을 가진다. 이러한 운전 특성은 연료 소비와 배출가스 발생을 증가시키는 요인이며, 배출되는 입자상 물질(PM), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO₂), 탄화수소(HC), 질소산화물(NOx) 등은 대기오염 및 온실가스 배출 측면에서 지속적인 관리가 요구되고 있다(Hagan et al., 2022). 이에 따라 농업기계 분야에서도 기존 디젤 엔진을 대체하기 위한 배터리 전기, 하이브리드, 수소연료전지 기반 파워트레인 등 친환경 동력원 적용 연구가 활발히 수행되고 있다(Lajunen et al., 2018; Jeon et al., 2024).

이 중 수소연료전지는 유해 배출가스를 발생시키지 않고, 전기화학 반응을 통해 전기 에너지를 생산할 수 있다는 장점이 있어 농업기계의 탄소중립 및 친환경화에 적합한 동력원으로 주목받고 있다. 트랙터는 장시간 고출력 작업을 수행해야 하므로, 배터리 전기 시스템만으로는 충전 시간, 운전 지속 시간, 에너지 저장 밀도 측면에서 한계가 발생할 수 있다. 이와 비교하여 수소연료전지 기반 시스템은 상대적으로 짧은 충전 시간과 높은 에너지 밀도를 바탕으로 고부하 농작업에 적용 가능성이 높다. 이에 대하여 다양한 연구들이 수행되고 있으며, 수소연료전지 트랙터의 동력전달 효율, 에너지 관리 전략, 차량 아키텍처 및 실차 적용 가능성에 대한 연구가 진행되고 있다(Shim et al., 2012; Jeon et al., 2024; Mayer et al., 2024).

수소연료전지는 친환경성과 고효율이라는 장점에도 불구하고, 안정적인 성능을 확보하기 위해 열관리가 필수적이다. 일반적으로 고분자 전해질막 연료전지 (PEMFC; polymer electrolyte membrane fuel cell)는 약 60~80℃ 범위에서 운전되며, 온도가 과도하게 상승할 경우 전해질막의 열화와 내구성 저하가 발생할 수 있다. 반대로 온도가 낮을 경우 반응 효율 및 출력 성능이 저하될 수 있어서, 적절한 온도 유지가 필수적이다(He, 2023). 따라서, 연료전지 시스템의 성능과 수명을 확보하기 위해서는 스택 및 냉각계통의 온도를 안정적으로 유지하기 위한 냉각성능을 확보하는 것이 중요하다.

트랙터는 작업 중 비산먼지, 분진, 이물질, 외부 충격 등으로부터 주요 부품을 보호하기 위해 후드 및 커버 구조가 적용되며, 내부에는 파워팩, 라디에이터, 냉각팬, 배관, 전장부품 등 다양한 구성품이 제한된 공간 내에 배치되어 있다. 이로 인해 내부 유동 경로가 복잡해지고, 냉각 공기 유입 및 배출이 원활하지 않을 경우 후드 내 온도가 높게 형성될 수 있다. 특히 저속 작업이 많은 농업기계의 특성상 주행풍에 의한 자연 냉각 효과가 제한적이기 때문에, 냉각팬 배치, 라디에이터 위치, 후드 개구부 형상 및 배출 방향 등 설계 인자가 열관리 성능에 큰 영향을 미친다(Öztürk et al., 2019; Ferrari et al., 2023). 그러나 시제품 제작 후 반복적인 실험을 통해 냉각 성능을 검증하는 방식은 시간적, 비용적, 물리적 제약이 크다. 또한 후드 내부의 유동장, 라디에이터 통과 유량, 팬 주변 압력 분포, 국부 온도 상승 영역 등은 실험만으로 정밀하게 파악하기 어렵다. 이러한 한계를 보완하기 위해 최근 차량 및 농업기계 분야에서는 전산 유체역학을 활용한 열유동 해석이 설계 초기 단계에서 활용되고 있다. CFD 해석은 시제품 제작 이전에 다양한 설계 조건을 비교·평가할 수 있으며, 후드 개구부, 팬, 라디에이터 및 내부 구성품 배치에 따른 냉각 성능 변화를 정량적으로 분석할 수 있다는 장점이 있다(Ferrari et al., 2023).

따라서, 본 연구에서는 수소연료전지 트랙터의 후드 내부 열유동 특성을 CFD 해석을 통해 분석하고, 설계 사양을 구현하였을 때 후드 내 온도가 안정적으로 형성되는지 확인하고자 한다.

Materials and Methods

냉각 시스템의 구성

수소연료전지 트랙터의 냉각 시스템은 Fig. 1과 같이 차량 구동계 전장품 및 작동유 냉각을 위한 전방 쿨러와 연료전지 셀 및 파워팩 전장품 냉각을 위한 후방 쿨러로 구성된다. 전방 쿨러의 경우 모터, 인버터 및 LDC (Low voltage DC-DC converter) 등을 포함한 차량 구동에 필요한 전력변환장치와 차량 작동유의 냉각을 담당하며, 오일 및 냉각수 냉각을 위한 라디에이터 및 냉각 팬으로 구성된다. 전방 쿨러는 후드 전방에 위치하여, 측면 흡입구로 바람이 들어와서 전방부로 배출될 수 있도록 하였다. 후방 쿨러 중 수소 연료전지 쿨러는 연료전지 셀 및 전장품 냉각을 담당하며, 각각의 라디에이터 및 냉각 팬으로 구성되어 있다. 후드 후방에 위치하여 측면 흡입구로 바람이 들어와서 차량 후방부로 배출될 수 있도록 하였다.

Fig. 1.

Schematic layout of the front and rear cooling systems for the fuel cell tractor

공기 유동 면적 산정

후드 흡입 면적을 산정하기 위하여, 먼저 유지하여야 할 온도 변화량과 비열 용량 등을 고려하여 필요 체적 유량을 산정하였다. 필요 체적 유량은 공기의 밀도, 비열, 라디에이터 통과 전후의 온도 변화량을 고려한 에너지 보존식을 이용하여 산정하였다(Incropera et al., 2007; Çengel and Ghajar, 2020). 공기의 밀도 및 비열은 선행연구를 참고하여 각각 1.15 kg/m³ 및 1,005 J/kg℃로 선정하였다(Subramani et al., 2025). 세 개의 냉각시스템 모두 각 부품에서 발생하는 최대부하조건을 부여하기 위하여 제조사에서 제시한 최대 발열량을 고려하여 목표 온도 변화량을 산정하였다. 전방 쿨러의 경우 목표 온도 변화량을 15℃로 설정하였으며, 목표 처리 발열량은 90 kW로 설정하였다. 후방 쿨러의 경우, 연료 전지 셀 및 전장품의 목표 온도 변화량을 각각 9℃ 및 12℃로 설정하였으며, 목표 처리 발열량은 각각 90 및 7 kW로 설정하였다.

where, v˙air : Volumetric flow rate of air (m3/s)

Q : Heat rejection rate (W)

pair : Density of air (kg/m3)

cair : Specific heat of air (J/(kg‧℃))

ΔTair : Temperature difference of air (℃)

위 수식을 이용하여 계산하였을 때 전방 쿨러와 후방 쿨러(연료전지용) 및 후방 쿨러(전장품) 냉각을 위한 필요 체적 유량은 각각 5.19, 8.65 및 0.5 m³/s로 계산되었다. 필요 면적은 아래 수식을 이용하여 계산하였으며(Çengel and Cimbala, 2018; Ferrari et al., 2023), 허용 압력 변화량도 제조사에서 제공한 최대 부하 시험치를 고려하여 각각 200, 200, 250 Pa로 설정하였다. 해당 수치와 아래 수식을 이용하여 결과적으로 전 시스템 냉각을 위한 공기 흡입부 면적을 계산하였다.

where, A : Minimum exit area (m2)

v˙air : Volumetric flow rate (m3/s)

Pair : Density of air (kg/m3)

ΔP : Allowable pressure drop (Pa)

계산 결과, 필요 면적은 Fig. 2와 같이 전방 쿨러와, 후방 쿨러(연료전지용) 및 후방 쿨러(전장품) 순으로 각각 0.98, 1.21, 및 0.09 m²로 나타났다. 이를 고려하여 아래 그림과 같이 흡입 및 배출부를 구성하였으며, 후방 쿨러 중 연료전지 냉각을 위한 쿨러는 캐빈과 맞닿아 있어 캐빈으로 공기가 배출되기 때문에, 상대적으로 배출 자유도가 높다고 가정하고 추가 배출구를 만들지 않고 수행하였다.

Fig. 2.

Schematic diagram of air inlet and outlet openings for the under-hood cooling system

후드 내부 및 공기 유동

Fig. 3과 같이, 후드 내부 온도 해석을 위하여 발열체와 공기 유동에 방해가 될 수 있는 부품들을 구성하였다. 공기 유동에 방해될 수 있는 부품들로는 캐빈, 수소탱크, 배터리 및 PDU (Power distribution unit) 등 각종 부품을 구성하였다. 부품 구성 간에는 해석 시간 단축을 위해 체적 조건만을 고려하여 단순화하였다.

Fig. 3.

Simplified under-hood geometry and internal components of the fuel cell tractor for CFD analysis

공기 유동은 Fig. 4와 같이 측면 후드 흡입구를 통해 유입되고, 냉각팬에 의해 라디에이터를 통과하면서 열을 흡수한다. 가열된 공기는 각각 전방 배출구와 후드-캐빈 사이의 후방 배출 경로를 통해 외부로 배출된다. 연료전지 스택은 통합 열 관리 시스템을 통해 냉각되며, 가열된 공기는 캐빈을 통해 배출된다. 이러한 기류의 구성은 뜨거운 공기의 재순환을 방지하고, 연료전지 시스템 및 보조 구성 요소의 안정적인 작동 온도를 유지하는 데 도움이 된다.

Fig. 4.

Airflow path of the front and rear cooling systems inside the tractor hood

경계 조건

본 연구에서는 CFD 해석을 위해 Ansys Fluent (2025R1, Pennsylvania, USA)를 사용하였으며, 트랙터는 정지한 상태로 외기온도 45°C의 고온 조건에서 해석을 수행하였다. 주요 해석 조건은 Table 1에 정리하였다. 계산된 조건을 바탕으로, 최대 성능의 발열량을 고려하였을 때, 후드 내 온도분포와 방출된 고온의 공기가 흡입부로 재흡입되는지 등을 확인하고자 하였다. 이를 위해 아래와 같은 조건으로 모델 조건을 구성하였으며, 온도 및 속도 분포를 확인하여 공기 유동에 문제가 있는지 확인하였다.

Results and Discussion

온도 분포 분석

수소연료전지 트랙터의 후드 내부 열유동 해석은 전방 쿨러와 후방 쿨러의 배치, 측면 흡입구 및 전·후방 배출 경로를 반영하여 수행하였다. 온도 분포 해석 결과는 Fig. 5 및 Fig. 6과 같이 나타났다. Fig. 5는 측면에서 관찰한 후드 내부 온도 분포를 나타내며, Fig. 6은 냉각 구획 주변의 3차원 온도 분포와 상단부 온도 분포를 나타낸다. 해석 결과, 최고 온도는 약 85℃ 수준으로 나타났으며, 주로 전방 냉각 모듈과 라디에이터 주변에 집중되었다. 이는 전방 쿨러가 90 kW의 발열량과 15℃의 공기 온도 상승 조건으로 설정되었기 때문에, 냉각 공기가 라디에이터를 통과하면서 가장 큰 온도 상승을 보인 결과로 판단된다. 또한, 수소연료전지의 온도가 85℃를 초과할 경우 전도도가 저하되며 출력 및 효율이 감소하기 때문에 열 관리가 필수적이다.

전방 쿨러를 통과한 고온 공기는 전방 배출구를 통해 외부로 배출되었으며, 후방 쿨러를 통과한 공기는 후드와 캐빈 사이의 배출 경로를 따라 후방부로 배출되었다. 고온 공기가 측면 흡입구 방향으로 재유입되는 현상은 확인되지 않았으며, 본 연구에서 구성한 측면 흡입 및 전·후방 배출 구조는 냉각 공기와 배출 공기의 간섭을 줄이고, 후드 내부의 열 축적을 완화하는 데 효과적인 것으로 판단된다.

Fig. 6의 3차원 온도 분포에서도 고온 영역은 주로 라디에이터 및 냉각팬 주변에 국한되었으며, 후드 중앙부와 후방부는 상대적으로 낮은 온도 수준을 유지하였다. 이는 측면 흡입구를 통해 유입된 냉각 공기가 냉각 모듈을 통과한 뒤 지정된 배출 경로로 원활하게 배출되었기 때문으로 판단된다. 후드 내부 전 영역에 걸친 광범위한 고온 영역이 형성되지 않았다는 점은, 본 연구에서 산정한 흡입 면적과 배출 구조가 최대 부하 조건에서도 고온 공기를 원활히 배출하여 후드 내부 열 축적을 억제할 수 있음을 의미한다.

Fig. 5.

Temperature distribution and airflow trajectory inside the fuel cell tractor hood. (A) isometric view, (B) top view

Fig. 6.

Three-dimensional temperature distribution around the cooling compartment. (A) isometric view, (B) top view

기류 특징 분석

후드 내부 기류 특성은 속도 등고선을 통해 분석하였다. Fig. 7은 측면에서 관찰한 속도 분포와 기류 궤적을 나타내며, Fig. 8은 냉각 구획 내부의 3차원 속도 분포와 상단부 기류 흐름을 나타낸다. 본 연구에서는 전방 쿨러와 후방 쿨러 모두 측면 흡입구를 통해 냉각 공기가 유입되고, 각 냉각팬에 의해 라디에이터를 통과한 후 전방 및 후방으로 배출되도록 구성하였다.

해석 결과, 냉각팬 및 라디에이터 주변에서 기류가 가속되었으며, 냉각 모듈과 배출 경로 부근에서 최대 약 16.5 m/s의 유속이 나타났다. 이는 냉각팬에 의해 흡입된 공기가 좁은 냉각 모듈과 배출 경로를 통과하면서 국부적으로 가속된 결과로 판단된다. 전방 쿨러의 경우 측면 흡입구에서 유입된 공기가 라디에이터를 통과한 뒤 전방 배출구로 배출되었으며, 후방 쿨러의 경우 후드와 캐빈 사이의 틈을 통해 후방으로 배출되었다.

분석 결과, 냉각 공기는 후드 내부에서 큰 정체 영역 없이 냉각 모듈을 통과하였으며, 배출 공기 또한 흡입구 주변으로 되돌아가는 재순환 경향을 보이지 않았다. 측면 흡입구 주변에서는 고온 배출 공기의 재유입이 관찰되지 않아, 흡입 공기 온도 상승에 따른 냉각 성능 저하 가능성이 낮은 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Velocity contour and airflow streamlines inside the fuel cell tractor hood. (A) isometric view, (B) top view

Fig. 8.

Three-dimensional velocity distribution inside the cooling compartment. (A) isometric view, (B) top view

냉각 성능 분석

본 연구에서 적용한 냉각 구조는 측면 흡입구를 통해 냉각 공기를 유입시키고, 전방 쿨러의 배출 공기는 전방 배출구를 통해, 후방 쿨러의 배출 공기는 후드와 캐빈 사이의 공간을 통해 배출되도록 구성하였다. 해석 결과, 전방 쿨러 주변에서 가장 높은 온도 영역이 형성되었으나, 해당 고온 공기는 전방 배출구를 통해 외부로 배출되었으며, 후방 쿨러의 배출 공기 또한 캐빈 방향으로 유도되어 후드 내부에 머무르지 않았다.

온도 분포 분석에서는 고온 영역이 냉각 모듈 주변에 국한되었고, 후드 내부 전체로 확산되는 현상은 제한적이었다. 속도 분포 분석에서는 냉각팬에 의해 형성된 기류가 냉각 모듈을 통과한 후 지정된 배출 경로로 원활하게 유도되었으며, 최대 유속은 약 16.5 m/s로 나타났다.

해석 결과는 측면 흡입 및 전·후방 분리 배출 구조가 수소연료전지 트랙터의 후드 내부 열 축적을 줄이고, 고온 배출 공기의 재순환을 방지하는 데 효과적임을 보여준다. 본 연구에서 제안한 측면 흡입 및 전·후방 배출 구조는 연료전지 트랙터의 후드 내부 열관리 성능 확보에 적합한 냉각 레이아웃으로 판단된다.

Conclusion

본 연구에서는 수소연료전지 트랙터의 후드 내부 열유동 특성과 열관리 성능을 CFD 해석을 통해 평가하였다. 해석 대상 트랙터는 차량 구동에 필요한 전력변환장치 및 작동유 냉각을 위한 전방 쿨러와, 연료전지 셀 및 전장품 냉각을 위한 후방 쿨러로 구성하였다. 또한 각 냉각시스템의 발열량, 목표 공기 온도 상승량, 허용 압력손실을 고려하여 필요 체적 유량과 공기 흡입 및 배출부 면적을 산정하였다. 이를 바탕으로 외기온도 45℃의 고온 조건에서 후드 내부 온도 및 속도 분포를 분석하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.

(1)온도 분포 분석 결과, 최고 온도는 약 85℃ 수준으로 나타났으며, 주로 전방 냉각 모듈 및 라디에이터 주변에 집중되었다. 그러나 고온 영역은 냉각 모듈 주변에 국한되었고, 후드 내부 전체로 확산되는 현상은 제한적으로 나타났다. 또한 측면 흡입구 주변으로 고온 공기가 재유입되는 현상은 관찰되지 않아, 본 연구에서 적용한 측면 흡입 및 전·후방 배출 구조가 후드 내부 열 축적을 억제하는 데 효과적인 것으로 판단된다.

(2)기류 속도 및 유선 분석 결과, 냉각팬에 의해 가속된 공기는 라디에이터 및 냉각 모듈을 통과한 후 전방 배출구와 후드-캐빈 사이의 후방 배출 경로를 통해 원활하게 배출되었다. 최대 유속은 약 16.5 m/s로 나타났으며, 후드 내부에서 뚜렷한 정체 영역이나 역류 현상은 관찰되지 않았다. 이는 산정된 흡입구 면적과 배출 경로가 각 냉각시스템에 필요한 공기 유동을 안정적으로 형성할 수 있음을 의미한다.

본 연구에서 제안한 측면 흡입 및 전·후방 분리 배출 구조는 수소연료전지 트랙터의 제한된 후드 공간 내에서 전방 쿨러와 후방 쿨러의 냉각 공기 흐름을 효과적으로 형성하였다. 또한 고온 공기의 재순환을 방지하고, 주요 발열부 주변의 열을 외부로 원활하게 배출함으로써 후드 내부 열관리 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다. 따라서 본 CFD 해석 결과는 수소연료전지 트랙터의 후드 개구부, 냉각팬, 라디에이터 및 배출 경로 설계를 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 다만, 실제 수소트랙터 후드 내부 데이터와 비교를 통한 검증을 수행하지 못한 한계가 존재한다. 추후 연구에서는 실측 데이터를 이용하여 CFD 모델을 검증하고자 한다.