고분자 전해질 연료전지를 이용한 무인 비행체 동력 시스템 개발

지영광 한국기술연합대학원대학교 2012 국내석사

장기 체공이 가능한 무인 비행체는 무선 통신, 군사적 목적의 정찰, 원격 감지 등의 다양한 임무를 수행할 수 있다는 점 때문에 관심의 대상이 되고 있다. 현재 주류를 이루는 무인 비행체는 가솔린 기관을 이용한 것이며, 2차 전지를 동력원으로 사용하기 위한 시도도 있었으나 낮은 에너지 밀도로 인해 임무범위가 매우 제한적일 수밖에 없었다. 이에 비해 압축 수소나 액화 수소를 연료로 하는 고분자 전해질 연료전지를 이용한 동력 시스템은 높은 에너지 밀도, 고효율 그리고 재충전이 가능하다는 장점이 있어, 기존의 가솔린 기관을 대체할 동력원으로 주목받고 있다. 본 연구는 고분자 전해질 연료전지를 제작하고 이를 이용한 무인 비행체의 동력 시스템 개발 및 성능 분석에 목적을 두고 있으며, 압축 수소 및 압축 산소를 이용한 연료 공급 시스템을 채택하였다. 300 Bar 까지 압축 가능한 0.8 L의 연료 탱크를 사용하였으며, 35 ㎠의 활성 면적을 갖는 34 Cell 연료전지 스택을 제작하였다. 연료전지 운전 방식은 크게 두 가지로 나뉘는데 연료를 계속 순환시키며 운전하는 Flow-Through 방식과 연료전지 스택의 후단을 막은 상태에서 운전하는 Dead-End 방식의 운전방식이 있다. 본 연구에서는 시스템의 경량화와 연료의 소비 효율성을 높이기 위해 Dead-End 방식의 운전을 채택하였으며, Dead-End 방식의 운전을 위해 CVM(Cell Voltage Monitoring)을 통한 솔레노이드 밸브(Solenoid Valve) 제어 시스템을 갖추었다. 이는 연료전지 운전 시 스택 내부에 응축되는 물을 적절히 외부로 배출하여 연료전지의 성능을 안정적으로 유지하기 위함이다. 또한 이륙, 순항, 선회, 착륙 등 운항 조건에 따라 부하가 수시로 바뀌는 무인 비행체의 특성상 부하 변동에 빠르고 안정적으로 대응하기 위해 연료전지와 보조 배터리의 동력 연계가 필요하였고, 이를 위해 무인 비행체의 부하에 따라 필요 전력을 연료전지와 배터리에 적절히 배분하고 연료전지가 안정적으로 성능을 유지할 수 있게 도와주는 PMS(Power Management System)를 설계하였다. 이외에도 냉각 시스템 설계, 동체 프레임 설계 등을 수행하였으며 전체 시스템 통합에 앞서 개별 시스템의 검증을 완료하였다. 이어 무인 비행체 동체에 동력 시스템을 설치하기 위해 동체 프레임을 제작하였고 각 시스템을 통합하여 탑재를 하였다. 동력 시스템이 안정적으로 작동하는지 확인하기 위해 실험실 테스트 및 비행 테스트를 수행하였으며, 테스트 후 무선 통신을 통해 얻어진 데이터를 분석하여 연료전지 성능 및 PMS의 제어가 계획대로 이루어지고 있음을 확인하였다. 이상으로 무인 비행체의 동력 시스템 개발을 마치면서 추후 무가습 조건에서 동작하는 연료전지의 물 관리에 대한 연구 및 시스템의 경량화에 대한 연구가 좀 더 진행되어야 할 것이다. The development of long-endurance unmanned aerial vehicle (UAV) attracts increasing attention from aerospace community because of their potential to accomplish a variety of telecommunications, reconnaissance and remote sensing missions. A majority of long-endurance aircraft are powered by conventional gas turbine and attempt to replace these gas turbine with batteries isn't able to meet necessary requirement because the energy density of existing batteries is too low to power future UAV. On the other hand, polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) combined with highly compressed or liquefied hydrogen supply system have particular advantages over conventional technologies available for UAV because fuel cell can exhibit high specific energy, high efficiency and can be incorporated into rechargeable energy storage system. The purpose of this research is on the development and performance analysis of a fuel cell-powered unmanned aerial vehicle combined with highly pressurized fuel supply system. 0.8 L fuel tank which is available to be compressed up to 300 bar is used and self-manufactured 34 cell polymer electrolyte membrane fuel cell is designed. Operating method of fuel cell is divided into two main stream - dead end operation which block the outlet of fuel cell until the fuel inside stack is consumpted and flow-through operation. In this paper, dead-end type operation is chosen for the higher fuel consumption efficiency and simplification of overall system. During dead-end operation water condensing inside the fuel cell stack is inevitable, so purge system controlled by cell voltage monitoring (CVM) is also proposed. Considering that fluctuation of exterior load in a case of take-off, cruise, circling and landing, fuel cell and lithium-ion battery hybrid system is contrived. Power management system (PMS) is also essential for proper power distribution to fuel cell - battery hybrid system and keeping the fuel cell performance stable according to load of UAV. Above this cooling system and frame design is followed. After validation of each individual system and loading these systems into the main frame, laboratory test and flight test is conducted to check the stability of power system. Fuel cell performance and control of power management system is confirmed through the data gathered from wireless communication. For more duration of flight, research of weight lighting and improvement of fuel efficiency is needed to be progressed.

환경친화적 자동차 디자인 개발에 관한 연구 : 연료전지 승용차를 중심으로

윤성희 국민대학교 디자인대학원 2007 국내석사

21C에는 환경과 에너지 문제가 차세대 자동차의 키워드로 등장하면서 환경보호와 에니지효율이 우선시 되는 대체에니지의 개발과 니즈(needs)가 증가하고 있다. 오늘날 자동차는 단순히 성능 향상과 새로운 기능의 추가 뿐만 아니라 대체연료와 신기술의 개발, 소재의 재활용 등과 같은 환경에 대한 고려와 함께 발전되고 있다. 또한 환경친화적 자동차의 본격적인 상용화로 향후 자동차 산업의 경쟁력은 친환경 자동차의 개발 능력과 밀접하게 관련되고 있다. 에너지와 환경에 대한 인식은 자동차 동력원에 변화를 가지고 왔으며, 이로 인한 새로운 구동 시스템의 개발은 섀시, 부품의 모듈화, Drive-by-wire 시스템과 같은 신기술을 가능하게 하고, 실내 공간의 활용성 및 디자인 자유도를 높여 자동차의 구조에 혁신적인 변화를 야기하고 있다. 또한 재활용에 원활한 유기적 소재와 리사이클링(recycling)이 가능한 신소재의 개발은 부분적 수리와 폐기물을 줄일 수 있는 모듈화된 디자인 유닛(design unit)을 가능하게 하여 앞으로 자동차 디자인에 많은 영항을 줄 것으로 예측된다. 본 논문에서는 환경친화적 동력원의 개발과 그것이 자동차 디자인에 미치는 상관관계를 연료전지 자동차를 중심으로 분석하였다. 분석은 크게 아래의 두 가지 측면에서 진행하였다. 첫째, 동력성능, 차량구조, 전기, 전자 및 정보통신 기술 등 기계적인 메커니즘에 따른 하드웨어적 측면과 둘째, 감성적 부분인 자동차 디자인 스타일 변화에 따른 소프트웨어적 측면으로 나누어 분석하였다. 제 1 장에서는 연구의 목적과 범위 및 방법에 대해 서술하였으며, 제 2 장에서는 환경문제로 인한 산업정책의 변화와 자동차산업의 기술 및 시장변화를 살펴보고 환경친화적 자동차 개발의 필요성에 대해 고찰하였다. 그리고 환경친화 자동차의 종류 및 개념을 이해하고 현재 개발 중인 환경친화 자동차의 동향을 파악하였다. 제 3 장에서는 연료전지 자동차의 개발 경향을 메이커(maker)별로 분석하여 구조적 변화와 디자인 흐름을 파악하였다. 제 4 장에서는 연료전지의 개발이 자동차 디자인에 미치는 상관관계를 하드웨어적인 요인과 소프트웨어적인 요인으로 나누어 요소를 분석, 앞으로 연료전지 자동차 디자인의 개발 방향을 예측하는데 있어 근거를 제시하고자 하였다. 제 5 장에서는 4 장까지의 이론적 배경과 분석 결과를 종합하여 향후 자동차 디자인 트랜드는 직관적 요소가 중시된 표면적인 스타일 중심의 경향보다는, 다양한 신기술과 디지털 요인들이 결합된 복합적 조형 개념을 가진 스타일과 환경친화성 및 감성이 강조된 'Green Concept' 의 디자인이 활성화 될 것이라는 결론을 도출하였다. In the 21st century, as the environment and energy become a keyword for the next generation of automobile, the development of substitute energy prior to environment and energy efficiency and its needs are increased. Today Automobiles are developed not only with improving the performance and adding functionality, but also with regard for environment such as development of alternative fuels, new technologies and material recycling. And the competitiveness in future automobile industry is closely related to the developing capacity for Eco-friendly automobile with its commercialization in earnest. The awareness of energy and environment has brought about new trend on automobile power source. New driving systems from the trend cause innovative technologies such as chassis. components modulation and Drive-by-Wire system, and increase the use of interior space and the degree of design freedom so that it brings new structural changes. In addition, it predicts that new, organic materials which recycle easily would make modularized design units possible and have an enormous effect on the automobile design. In this study, the development of eco-friendly power sources and its relationship to automobile design is analyzed focusing on fuel cell automobiles. The analysis performs in large in two aspects below. First, in hardware-based aspects on mechanism such as performance of power, structure of automobile, electricity, electron, information and communication. Secondly, in software-based aspects on sensitivity such as style of automobile design. The first chapter describes the object, scope and method of this study. The second chapter examines the change of industrial policy caused by environmental problems, and the technology and market change of automobile industry, and then considers the necessity of developing eco-friendly automobile. In addition, it determines the type, concept, and tendency of eco-friendly automobile. In the third chapter, the development tendency of fuel cell automobile is analyzed in particular automobile companies and determined its structural changes and design stream. In the forth chapter, it analyzes the development of fuel cell automobile and its relationship to automobile design in hardware-based and software-based factors, and then presumes a direction in the development of fuel cell automobile design. In the fifth chapter, it draws one clue for direction that automobile design must go forward hereafter to a conclusion with synthesizing the theoretical background and the analysis result to the forth chapter.

연료전지 분리판 적용을 위한 Zr계 비정질 합금 박막의 합성 및 특성 평가

최준영 성균관대학교 일반대학원 2014 국내석사

연료전지는 발전효율이 높고 친환경적인 차세대 청정에너지원으로써 화석연료의 고갈과 환경오염 문제를 해결할 수 있는 차세대 기술로 각광받고 있다. 그 중에서도 고분자 전해질 연료전지(Proton exchange membrane fuel cells, also known as polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFC))의 경우 다른 연료전지에 비해 전류밀도 및 출력밀도가 높으며 작동온도가 낮고 짧은 시동시간과 부하변화에 대한 빠른 응답특성을 발현한다는 이점이 있어 가정용 및 휴대기기용 전원 그리고 차랑용 연료전지로 많은 연구가 진행 중이다. 고분자전해질 연료전지 스택(stack)은 확산층, 전해질, 분리판, 촉매 등으로 구성되며 그 중 분리판의 경우 40%이상의 가격과 70%이상의 무게를 차지하기 때문에 분리판의 가격을 낮추고 무게를 줄이기 위한 노력이 필요하다. 분리판(Bipolar plate)은 반응 연료인 수소와 산소를 분리하여 셀(cell)의 전 면적에 균일하게 분배, 공급, 배기 및 전기화학반응에 의해 생성된 전류를 수집하며, 높은 가스밀폐성, 전기전도성 및 내식성이 요구된다. 분리판 소재로는 흑연, 고분자-탄소 복합체 및 금속 등이 사용되고 있으며, 이중 연료전지 스택의 부피, 무게 및 제조비용 감소를 위하여 금속분리판이 주목받고 있다. 그러나 금속분리판의 경우 연료전지 작동환경에서 부식반응에 의한 이온 용출로 인해 전극촉매나 고분자 전해질막의 오염을 유발할 수 있다는 단점이 있어 최근 금속분리판의 코팅을 통하여 분리판의 내식성 및 전기적 특성을 향상시키는 연구가 활발히 진행되고 있다. 한편, 비정질 합금의 경우 독특한 원자배열로 인해 부식이 우선적으로 일어나는 결정입계나 각종 결함들이 존재하지 않아 매우 강한 내식성을 가지는 것으로 알려져 있다. 따라서, 최근 내식성이 요구되는 금속분리판의 재료로써 비정질합금이 강력한 후보물질로 주목받고 있다. 본 연구에서는 Zr계 비정질 합금을 이용하여 금속분리판에 비정질 박막을 합성한 후 전기적 특성 및 내식성을 평가함으로써 비정질 합금 박막의 분리판 적용가능성을 평가하였다. 성막을 위해 Zr계 비정질 합금 리본을 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 스퍼터링용 타겟을 제조하였다. 제조된 다성분계 합금타겟을 이용하여 0.1mm 두께의 STS 316L 시트 표면에 DC magnetron sputtering 공정을 이용하여 비정질 합금 박막을 증착 하였으며, 박막의 구조 확인을 위해 XRD, HR-TEM 및 FE-SEM 분석을 진행하였고, 전기적 특성을 확인하기 위해 4probe test 및 계면접촉저항을 측정하였다. 내식성 평가를 위해 동전위 분극 시험법을 이용하였으며 연료전지 작동환경을 모사하기 위해 80˚C, 1M H2SO4+2ppmF-용액에 각각 H2 gas및 Air bubble 분위기에서 진행하였다. 그 결과 다성분계 합금 타겟의 화학조성은 비정질 박막으로 균일 전사됨을 확인하였으며, 비정질 박막이 코팅된 분리판의 경우 음극 및 양극 분위기에서 3 x 10-8A/cm2의 부식전류밀도를 나타냈다. 이는 STS316L 모재에 비해 부식속도가 100배 이상 감소되는 것으로 금속분리판 표면에 비정질 박막 증착을 통해 내식성을 크게 향상 시킬 수 있는 것을 확인하였다.

연료전지 시스템의 환경 전과정평가 연구

김형석 건국대학교 2017 국내박사

At the 21st Conference of the Parties (COP) in Paris in December 2015, 195 countries have agreed on a requirement to reduce greenhouse gas emissions by 2021. South Korea has selected 6 core technologies to cope with climate change such as solar cell technology, fuel cell technology related to energy production. In particular, fuel cell technology, etc. is expected to replace existing thermal power generation, and is expected to play a role as a distributed power generation source. In this study, a life cycle assessment(LCA) of the fuel cell system was carried out through its life cycle. In addition, further analysis was performed in terms of utilization of the Fuel Cell(FC) system. The target system of this study is ① fuel cell system for power plants, ② fuel cell system for residential uses. The FC system for power plants is a 2.5㎿ molten carbonate fuel cell (MCFC) system, and the residential fuel cell system is a 1 ㎾ electrolytic polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) system. This study analyzed followings: ① FC systems that uses city gas as fuel, ② FC systems that uses hydrogen directly as fuel ③ Eco-efficiency assessments of FC systems, ④ Energy storage system (ESS) based on FC. In this study, the types of impacts analyzed for each system are as follows: non-renewable energy consumption, water consumption, regulated air emissions, energy return on investment, electrical energy stored on investment, abiotic resource depletion potential(ADP), acidification potential(AP), eutrophication potential(EP), global warming potential(GWP) and Particulate matter Formation Potential(PFP). This study has been able to elucidate the environmental issues of the FC systems. The environmental issues of FC mainly occurred at electricity generation stage. It is necessary to carry out researches to reduce environmental impacts focusing on the electricity generation stage. The environmental impacts of FC can be improved by the improvements of thermal usage rate, electricity generation efficiency, etc. NSR(large size) is the lowest impacts of ARD and GWP in the FC system that uses hydrogen as fuel. In terms of AP, EP and fine dust, NGSR causes the lowest environmental impacts. Energy storage system(ESS) based on FC was analyzed to have higher environmental impacts than the pumped-storage power generation, LiFePO4(LFP) battery and nickel metal hydride Ni-MH battery. The use of new and renewable energies instead of the Korean grid mix in producing hydrogen by the water electrolysis process can lead to the environmental improvement. As a results of analyzing the FC system from various points of view, it is considered that it is an environmental friendly power generation system compared to others at this time. In addition, the peak contribution which attributed to the weakness of new and renewable energies is much higher than other new and renewable energies. Thus, it can be considered as an auxiliary power source and distributed power source. The results of this study will be useful for understanding the environmental characteristic of FC and as a basic data for further researches. 2015년 12월 파리에서 개최된 제21회 기후변화협약 당사국총회에서는 195국이 2021부터 온실가스 감축을 의무화하는 조항에 합의했다. 우리나라도 기후변화 대응을 위하여 6대 핵심 기술을 선정하였으며, 에너지 생산과 관련된 태양전지 기술, 연료전지 기술, 바이오에너지 기술 등을 선정하였다. 특히 연료전지 기술은 기존의 화력발전을 대체하면서 분산전원으로 역할을 할 수 있어 많은 기대를 모으고 있다. 본 연구에서는 분산전원으로 활용이 가능한 연료전지 시스템에 대하여 전과정평가를 통해 연료전지 시스템에 대한 정량적인 환경성 평가를 수행하였다. 또한, 연료전지 시스템의 활용의 측면에서도 추가적인 분석을 수행하였다. 본 연구의 대상 시스템은 ① 발전 플랜트용 연료전지 시스템, ② 주택용 연료전지 시스템이다. 발전 플랜용 연료전지 시스템은 2.5 ㎿ 급 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell) 시스템이고, 주택용 연료전지 시스템은 1 ㎾ 급 전해질 고분자 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell) 시스템이다. 연료전지 시스템 및 활용을 위해 선정된 구성은 크게 3가지로 구분된다. ① 도시가스를 연료로 사용하는 연료전지 시스템의 전과정평가 ② 다양한 기술을 통해 생산된 수소를 직접 사용하는 연료전지 시스템의 전과정평가 ③ 연료전지 시스템의 에코효율성 평가 ④ 연료전지 기반의 에너지 저장 시스템의 전과정평가 본각 연구에서 목록분석을 통해 ① 주요 에너지자원 소모, ② 물 소비량, ③ 주요 대기배출물 배출량, ④ 에너지 회수율을 분석하였고, 영향평가를 통해 ⑤ 자원소모, ⑥ 산성화, ⑦ 부영양화, ⑧ 지구온난화, ⑨ 미세먼지 영향을 분석하였다. 본 분석을 통해서 발전 플랜트용 연료전지 시스템과 주택용 연료전지 시스템 간의 차이를 도출할 수 있었으며, 연료전지 시스템에서 가장 영향 기여도가 높은 발전 단계에 초점을 맞춘 연구가 필요하다는 점을 도출 할 수 있었다. 또한, 두 가지 연료전지 시스템에 대하여 정량적으로 분석함으로써, 연료전지 시스템의 이슈를 도출하고 개선방안에 대한 제안을 할 수 있었다. 연구 결과를 요약하면 연료전지 시스템의 환경영향은 주로 발전 단계에서 발생했으며, 특히 도시가스의 생산과 도시가스 개질 영향이 높은 것으로 분석되었다. 열 효율 개선, 발전단 효율 개선 등 다양한 개선을 통해 연료전지 시스템의 환경성을 개선할 수 있다. 수소를 연료로 전기를 발전하는 연료 시스템에서 지구온난화 및 자원고갈 관점에서는 NSR(대규모)가 가장 환경영향이 적은 것으로 분석되었고, 그 외 산성화, 부영양화, 미세먼지의 관점에서는 NGSR이 가장 환경영향이 적은 것으로 분석되었다. 물분해를 통해 생산된 수소를 사용하는 에너지 저장 시스템은 국가 그리드를 연료원으로 할 때 양수 발전, LiFePO4, Ni-MH 배터리보다 높은 환경영향을 보이는 것으로 분석되었다. 신재생 에너지를 활용해, 특히 풍력, 수소를 생산할 때 환경적 개선효과가 뚜렷하며, 에너지 저장시스템으로써의 역할을 충분히 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 연료전지 시스템은 현시점에서 다른 화석 연료 기반의 발전원에 비해 친환경적인 발전 시스템인 것으로 판단된다. 또한, 다양한 조건에서도 활용이 가능하여 향후 이용분야가 확대될 수 있는 시스템으로 판단된다. 지금보다 개선의 여지가 존재함으로써 앞으로 더 친환경적인 시스템으로 발전할 수 있을 것으로 판단된다. 신재생에너지들의 약점으로 지목되는 피크기여도가 다른 신재생에너지원보다 월등히 높아 보조전력 및 분산전원으로써의 역할도 수행할 수 있을 것이라고 판단된다. 본 연구결과는 향후 연료전지 시스템의 환경적 특성 이해를 돕고, 추가적인 연구를 수행하기 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

연료전지용 컨버터를 위한 가변 PI 제어기법에 대한 연구

김성준 경남대학교 대학원 2006 국내석사

에너지 절약과 환경 공해 문제 그리고 최근에 부각되고 있는 지구온난화 문제 등을 해결하기 위해 고효율, 저공해의 연계설비로 쓰여지는 연료전지가 기존의 내연기관을 대체하기 위한 동력요소로 주목 받고 있다. 연료전지의 출력은 저전압, 대전류의 특성과 부하변동에 따라 전압과 전류가 크게 변동하는 특성이 있다. 본 논문에서는 PEM(Polymer Electrolyte Membrane, Nexa 310-0027) 연료전지의 V-I특성 데이타를 분석하여 실제 연료전지 시스템을 모델링 하였다. 또한, 기존의 PI 제어기법보다 추종성능이 우수한 가변 PI 제어기법을 제안하였으며, DC-DC컨버터를 적용하였을 경우 부하 변동시 추종성능 및 출력전압리플을 감소시킬수 있음을 PSIM으로써 확인하였으며 실험을 통하여 검증하였다. This paper is aimed at presenting a computational model of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack. The proposed simulation model is simple and at the same time includes all the important characteristics of a fuel cell stack. The fuel cell electrical output voltage and current (V-I) characteristic is described-for the first time- by a simplified closed form suitable for modeling and computation. The characteristics obtained from the simulation are compared with the experimental results on a Ballard commercial fuel cell stack as well as to the manufacturer given data. Close agreement between the simulation, manufacturer and experimental results confirm the validity and usefulness of the proposed FC model This proposed algorithm had verified through a simulation and an experiment on battery charger using PIC that is the microprocessor of a low price. In the study, we make an analysis a modeling of power conversion system for control of PEM fuel cell and V-I characters. we propose the variable PI control method which has the best of follow efficiency than the PI control method. we confirm a reduced ripple and improved follow efficiencies when the system is applied the DC-DC converter, by simulation and experiments using PSIM.

수소 중의 불순물이 고분자전해질 연료전지 성능에 미치는 영향에 대한 연구

서중근 울산대학교 일반대학원 2008 국내박사

Today’s human life is affected more severely and frequently by high oil price and disasters arising from the changes of climatic environment caused by green house gases. In order to cope with such changes, countries are competing for the development of new renewable energies that replace fossil fuel and enhance the efficiency of energy use. Fuel cell is a new renewable energy. Although it uses fossil fuel, it generates electricity and heat using hydrogen and its energy efficiency is much superior to existing systems while minimizing the discharge of pollutants. For these advantages, many efforts have been made to research and commercialize fuel cells. There are various types of fuel cells, but this study carried out theoretical examination and experiments on solid polymer fuel cells. Recently many empirical researches are being made on the monitoring of domestic fuel cells as well as on fuel cell cars. In this study, we made theoretical examination on how impurities in fuel and air supplied to fuel cells affect the fuel cells. In addition, we conducted an experiment on the effects of hydrogen fuel containing impurities on the performance of fuel cells. We also tested the effects of the concentration of impurities in hydrogen fuel such as methane, carbon monoxide and carbon dioxide on the short‐term and long‐term operation of fuel cells. The experiment tested the effects of impurities in fuel according to their concentration using unit fuel cells activated for the experiment. In previous researches, unit cells were activated manually using a non‐standardized method. In this study, however, activation time was shortened and full activation was attained by activating unit cells made in this study repeatedly until the target performance was reached using the I‐V performance curve. The advantages of this method are that the same performance can be obtained from activating different unit cells, that activation time is short, and that the activation process can be standardized. This method is expected be useful for standardized and efficient experiments in future researches using unit cells. In order to examine effects on performance in long‐term operation, first, we supplied fuel containing methane 10%, 20% and 30% to the cathode of a unit cell and observed the change of performance during 10 hours’ operation. Second, we supplied fuel containing carbon dioxide 10%, 20% and 30% and observed the performance. Lastly, we supplied fuel containing carbon monoxide at below 1ppm, 1ppm, 2ppm, 3ppm, 5ppm and 10ppm and examined the change of performance by observing and mechanically analyzing the performance. Fuel containing methane 10% and 20% did not affect the performance but fuel containing methane 30% changed the performance at a high current‐density region. It was concluded that the lowered performance was caused not by the reduction of activation by the poisoning of catalyst with methane but by mass loss in transfer from the unit cell to gas oil due to resistance. Accordingly, we confirmed the possibility that methane can be used as an alternative to N2 for purge when stopping fuel cells or storing them for a period. The second experiment was about the effect of carbon dioxide in fuel at concentration of 10%, 20% and 30% on the performance of fuel cells. In the experiment, when the concentration of carbon monoxide in hydrogen fuel was 20% and current density was high, CO2 was converted to CO with the rise of temperature and it affected the catalyst and changed the performance. Accordingly, it was concluded that the concentration of carbon dioxide should be limited below 20% in fuel reformulation. In addition, the performance changed considerably when the concentration of carbon dioxide in fuel was 30%. When performance was lowered by carbon dioxide in fuel, the performance before the supply of impure fuel was restored by supplying pure hydrogen to the cell. The last experiment was about the change of fuel cell performance when the concentration of carbon monoxide in fuel was below 1ppm, 1ppm, 2ppm, 3ppm, 5ppm and 10ppm. In general, the concentration of carbon monoxide is restricted to below 10ppm in hydrogen fuel supplied to fuel cells. This study experimented on how the performance was affected when fuel cells were operated long at concentration of 1ppm, 2ppm, 3ppm, 5ppm and 10ppm. In the polarization curve experiment, until current density of 1400mA/cm2, no change in performance was observed at 1ppm and 3ppm. From 1400mA/cm2 and above, the supply of fuel containing CO at 3ppm had some impact on the performance. From current density of 1800mA/cm2, performance was lowered by around 4% at 3ppm, by around 7% at 5ppm, and by around 20% at 10ppm. This is probably because carbon monoxide poisoned platinum catalyst at a high current‐density region and reduced the area of catalytic activity. In 10 hours’ operation, the supply of fuel with CO at 1ppm lowered the performance by around 2%. When fuel with CO at 3ppm was supplied at 0.63V and 10 hours passed, the cell voltage dropped to 0.47V, showing the fall of performance by 25.4%. In the experiment on recovery, when pure hydrogen was supplied the cell voltage was recovered up to 0.619V (98.2%). In the experiment on the concentration of CO impurity, the performance dropped to 0.40V (by 39.3%) and 0.254V (by 61.9%), respectively, at 5ppm and 10ppm. In the experiment on recovery, when pure hydrogen was supplied the cell voltage was recovered up to 0.629V and 0.614V, respectively. When the concentration of CO impurity was high in fuel, the performance fell rapidly and to a lower level of cell voltage (V). In order to analyze the cause of such changes in performance, we conducted impedance and cyclic voltammetry (CV) analysis. The results of this study are as follows. As nitrogen was used in stopping fuel cell operation we had to use a separate purge, but in our experiment on methane impurity, we confirmed that methane does not have an effect on the catalyst. Accordingly, it was concluded that it is possible to simplify facilities and reduce costs through purge using natural gas fuel, 90% of which is methane, for stopping fuel cells or storing fuel cells for a period. In order to prevent the lowering of fuel cell performance, carbon monoxide in fuel should be restricted below 20%, and the lowering of performance can be prevented by controlling carbon monoxide impurity below 10ppm so that it does not accumulate in the fuel system. This suggests that fuel cells can be operated for a long time without the lowering of performance if impurities accumulated in the system are purged or the concentration of impurities is controlled by supplying pure hydrogen. Accordingly, in long‐term operation, fuel cell performance can be optimized through controlling the concentration of impurities that affect the performance. The present study on the change of performance by impurities is expected to contribute to improvement in the efficiency of fuel cell operation through the efficient fuel cell activation method and the effective control of the effects of impurities during operation. Keywords: Polyelectrolyte fuel cell, impurity, carbon monoxide, methane, carbon dioxide, impedance, cyclic voltammetry (CV) 최근 고유가와 온실가스에 의한 기후환경변화에 따른 재해가 인류에 미치는 영향이 커져 가고 있다. 이러한 변화에 대응할 수 있는 대책으로 화석연료를 사용하지 않고 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 신재생에너지의 보급을 위하여 각국의 경쟁이 가속화되고 있다. 연료전지는 수소를 이용하여 전기와 열을 생산하는 신 재생에너지로서 에너지 효율이 기존의 시스템에 비하여 월등히 높고 오염물질 배출을 최소화할 수 있는 장점으로 최근에 많은 연구와 상용화가 진행되고 있다. 연료전지종류로는 polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC), alkaline fuel cell(AFC), phosphoric acid fuel cell(PAFC), molten carbonate fuel cell(MCFC), solid oxide fuel cell(SOFC)이 있지만 본 연구에서는 고체고분자형(PEMFC) 연료전지에 대한 이론적인 고찰과 연구를 수행하였다. 최근 국내에서도 가정용연료전지 모니터링실증 및 연료전지자동차의 실증사업 등 많은 연구가 진행 중에 있다. 본 연구에서는 연료전지에 공급되는 연료와 공기 측에서의 불순물이 공급될 때 연료전지에 미치는 영향에 대해서 이론적인 고찰을 하였다. 그리고, 수소연료 내에 불순물이 혼합되어 공급되는 경우 연료전지의 성능에 미치는 영향에 대하여 실험 및 연구를 수행하였다. 수소연료 중의 메탄, 일산화탄소, 이산화탄소의 불순물 농도에 따른 장기운전영향 실험 및 운전영향에 대해 실험하였다. 본 실험에서는 활성화된 단위 셀을 이용하여 연료중의 불순물농도가 연료전지 성능에 미치는 영향을 실험 하였다. 단위전지 셀의 활성화 방법은 기존에는 수작업으로 활성화를 하였다. 본 연구에서는 단위 전지 셀을 제작한 후 I-V성능곡선을 이용하여 목표성능에 도달할 때까지 반복함으로서 최적의 활성화가 되도록 하였다. 이 방법의 장점은 각기 다른 단위전지 셀을 활성화할 경우 같은 성능을 얻을 수 있고, 활성화 표준화가 가능하도록 하는데 있다. 본 연구에서 장기운전실험에 의한 성능영향은 첫 번째로 단위전지 셀에 공급되는 anode측 연료 중의 메탄농도를 10%, 20%, 30%에서의 polarization curve와 10시간동안 장기간 운전할 때의 성능변화를 관찰하였다. 두 번째는 연료 중에 이산화탄소의 농도를 각각 10%, 20%, 30%로 하여 성능을 관찰하였다. 마지막으로, 연료 중에 일산화탄소의 농도를 1ppm이하 및 1ppm, 2ppm, 3ppm, 5ppm, 10ppm으로 공급할 때 성능 관찰 및 기기분석을 통한 성능의 변화에 대해 관찰하였다. 첫 번째 실험에서는 연료 중에 메탄농도가 10%, 20% 메탄농도에서는 성능변화에 크게 영향을 주지 않았으나 메탄농도가 30%에 이르면 고전류밀도 영역에서 성능의 변화가 나타났다. 그 원인은 메탄성분이 촉매에 영향을 주어서 성능을 감소시키는 것보다는 단위전지 셀에서 연료희석효과에 의한 mass transfer loss에 의한 결과라는 결론을 얻었다. 따라서, 메탄은 연료전지를 정지하거나 일정시간 보관할 때 N2를 대신하여 퍼지용으로 사용할 수 있는 가능성을 확인하였다. 두 번째 연구에서는 연료 중에 이산화탄소 농도가 10%, 20%, 30%로 증가에 따른 연료전지 성능영향에 대해 실험을 하였다. 이 실험에서는 수소연료 중의 일산화탄소의 농도가 20%이상으로 공급하면 고전류밀도 영역에서 일부 CO2가 CO로 전환되는 WGSR반응으로 CO가 미량 발생되나 그 영향은 적었으며 mass transfer limitation효과에 의한 성능변화가 지배적이었다. 따라서 연료개질시 30%이하로 농도를 제한하여야 한다는 결론을 얻을 수 있었다. 그리고 연료 중에 이산화탄소 농도가 30%에서는 성능변화가 크게 나타났다. 이산화탄소가 불순물에 의한 성능회복은 성능이 저하된 셀에 순수한 수소를 공급하면 불순물을 공급하기전의 성능까지 회복이 되는 것을 확인하였다. 마지막으로 일산화탄소 성능영향 실험에서는 연료전지에 공급되는 일산화탄소 농도를 1ppm이하와 1ppm, 2ppm, 3ppm, 5ppm, 10ppm으로 공급할때 연료전지의 성능변화에 대한 실험을 하였다. 일반적으로 연료전지에 공급되는 연료는 수소중에 일산화탄소의 농도를 10ppm이하로 제한하고 있다. 본 연구에서는 10ppm이하의 농도인 1ppm, 2ppm, 3ppm, 5ppm, 10ppm에서 성능 및 장시간 운전할 때의 영향을 실험하였다. Polarization curve 실험에서 전류밀도가 1400mA/cm2까지는 CO 농도가 1ppm과 3ppm에서는 성능변화가 없었다. 전류밀도 1400mA/cm2이상일 경우 3ppm의 CO불순물을 공급하면 성능이 다소 영향을 주는 것을 결과를 얻었다. 그리고, 전류밀도 1800mA/cm2에서 CO불순물이 3ppm에서는 성능이 약 4%, 5ppm에서 7%, 10ppm에서는 약 20%의 성능저하가 관찰되었다. 이는 일산화탄소가 고전류영역에서 백금촉매를 피독시켜 촉매활성 면적감소에 따른 것으로 추론되었다. 장시간 운전실험에서 CO 1ppm를 10시간 공급하면 성능이 약 2%감소하였다. 3ppm의 CO를 불순물을 10시간 공급하면 전압이 0.63V에서 0.47V까지 성능이 저하되었다. 회복실험에서는 다시 순수수소를 공급하면 셀 전압이 0.619V로 98.2%까지 회복을 보였다. CO불순물이 5ppm에서는 0.40V로 39.3% 성능감소와 10ppm에서는 0.254V로 61.9%의 성능저하를 보였다. 회복실험에서는 다시 순수수소를 공급하면 각각 0.629V와 0.614V로 96.4%와 94.2%까지 회복을 보였다. 연료 중에 CO 불순물 농도가 높아지면 성능저하가 빠르게 진행되고 이때 소요되는 시간도 단축되며 최종 성능저하 cell voltage(V)도 낮아진다. 이러한 성능변화에 대한 원인을 분석하기 위하여 임피던스 및 cyclic voltammetry(CV)분석을 통하여 성능저하 원인을 규명하였다. 본 연구를 통해서 다음과 같은 연구결과를 얻을 수 있었다. 메탄 불순물 실험에서 촉매에 영향이 없는 것으로 실험결과 확인되었다. 따라서, 연료전지 운전정지 시 purge에 질소를 사용하였으나 메탄성분이 90%를 구성하고 있는 천연가스연료를 이용하여 퍼지함으로서 설비의 단순화와 비용감소가 가능하다는 결론을 얻었다. 이산화탄소는 연료 중에 20%이하에서 운전하여야 연료전지의 성능저하를 방지할 수 있고, 일산화탄소 실험에서는 장기간 운전을 하는 경우 10ppm이하의 저농도에서 연료시스템 내에서 축척되지 않도록 제어함으로서 성능저하를 방지할 수 있다는 것을 확인하였다. 이는 연료를 공급할 때 계 내의 축척된 불순물을 퍼지하거나 순수 수소를 공급하여 연료시스템의 농도를 제어하면 연료전지의 성능을 장시간 성능저하 없이 운전이 가능함을 알 수 있었다. 따라서, 연료전지를 장기간 운전할 때 성능저하에 미치는 불순물의 농도를 제어하므로 연료전지의 성능을 최적화 할 수 있다. 본 연구는 연료전지 셀의 활성화 방법과 불순물에 의한 성능변화 연구를 통하여 운전 중에 불순물에 의한 영향을 효과적으로 제어함으로서 연료전지 운전효율 향상에 기여할 수 있을 것으로 본다. 주요어 : 고체고분자형(PEMFC)연료전지, 연료전지, 불순물, 일산화탄소, 메탄, 이산화탄소, CV, Impedance, PEFC, PEM

가정용 연료전지의 최적운전방법론 및 경제성평가

류승현 아주대학교 일반대학원 2011 국내석사

정부는 기후변화에 대응하고 신재생에너지 산업을 육성할 목적으로 가정용 연료전지의 단기적 보급 목표를 2012년까지 누적 1,000대로 발표하였다. 현재까지 가정용 연료전지의 최적운전 방법론에 대한 연구는 가정의 에너지 수요를 고려하지 않고 수행 되었다. 본 연구에서는 가정의 시간대별 에너지 수요를 알고 있다는 가정 하에 에너지 가격과 상용화된 1kw의 가정용연료전지의 특성을 고려하여 가정용 연료전지의 최적운전방법론제시에 초점을 맞추었다. 더불어 연료전지 시스템의 경제성평가를 수행한다. 경제성 분석시 편의상 대표가정을 서울의 난방면적 100[m2]인 아파트로 전제하고, 국내에서 상용화된 1kW급 가정용 연료전지설비를 기준으로 하였다. 연료전지가 갖는 열병합 시스템의 특성을 감안, 시간대별 열, 전기부하를 산출하고, 열추종, 전기추종방식과 이에 따른 복합추종방식을 이용한 시뮬레이션 결과, 복합추종시 연간 1,110,955원의 변동비가 발생하며 연간 평균이용률은 61.6%로 추정되었다. 또한 연료전지 이용시 연간 이산화탄소 저감량은 1431로 분석되었다. B/C ratio는 0.44로 경제성이 없는 것으로 분석되었으며, 시스템이 경제성을 확보하기 위한 가격조건을 검토하여 본 결과, 할인율 5.5%인 경우, 현재 시스템비용의 약 55% 이상의 가격하락이 필요한 것으로 분석되었다.

Flooding Induced Performance Enhancement and Flooding Diagnosis Using Fluctuations of High-frequency Resistance at Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells

최희수 숭실대학교 대학원 2022 국내석사

연료전지는 수소를 에너지원으로 사용하는 동력원으로 지구온난화에 대응하기 위한 전략으로서 각광받고 있다. 또한 오직 전기, 물, 그리고 열을 생성하고 이외의 해로운 배출물을 생성하지 않는 친환경 동력원이다. 다양한 연료전지 중 고분자전해질막 연료전지는 100 °C 이하로 상대적으로 낮은 온도에서 운전되고 변동 부하에 대해 빠른 응답성을 가지는 이점으로 주로 모빌리티 장치의 동력원으로 사용된다. 고분자전해질막 연료전지의 양성자 교환막(proton exchange membranes)으로는 과불화술폰산 분리막(Perfluorosulfonic acid membranes)이 사용되며 100 °C 이하의 낮은 온도에서 높은 이온전도도의 특징을 가진다. 하지만 건식 운전으로 충분히 수화되지 못한 양성자 전도막은 내부의 양성자 운반체의 감소로 인해 양성자 전도도가 감소하고, 이는 연료전지의 성능 하락을 초래한다. 게다가 고온 운전은 양성자 전도막의 술폰산기(sulfonic acid groups)를 분해하여 연료전지 성능과 내구성의 열화를 촉진한다. 이러한 양성자 전도막의 민감한 특징으로 인해 연료전지는 습하고 상대적으로 낮은 온도로 운전하게 된다. 하지만, 고습·저온 운전은 연료전지가 또 다른 심각한 문제를 겪게 하는 원인이 된다. 전기화학반응을 생성되는 물과 양성자 전도막 수화를 위해 공급되는 수증기는 고분자전해질막 연료전지의 낮은 온도에서 제거되지 않고 축적된다. 정체된 물은 촉매의 활성 면적을 감소시키고 가스확산층의 공극률(porosity) 감소와 굴곡률(tortuosity) 증가를 야기하여 전기화학성능을 감소시킨다. 또한 플러딩의 장시간 노출은 산화극의 탄소 지지체(carbon support)와 환원극의 소수성 제제(hydrophobic agents)를 탈락시켜 내구성 악화를 초래한다. 따라서 필연적으로 발생하는 플러딩 현상에서 연료전지를 효율적으로 운전하는 것과 효과적인 플러딩 실시간 진단에 관한 연구가 필수적이다. 본 연구는 두 장으로 이루어져 있으며 각각 플러딩 현상에서 효율적인 연료전지 운전 법과 실시간 플러딩 진단에 대해 다루었다. 첫째로, 연료전지 내부의 다공성 매체에 범람한 물을 효과적으로 제거하는 운전 법에 대해 다뤘다. 투명 연료전지를 제작하여 기체확산층에서 유로로 제거되는 물 유동을 관찰하고 이와 함께 전압과 임피던스를 측정하였다. 물의 발생과 함께 전압의 급격한 상승과 임피던스의 급격한 하락이 동반되었다. 다양한 상대 습도와 유량 운전에서 물 제거와 운전 조건의 관계가 분석되었다. 플러딩이 유도되는 고습·고유량 운전에서 전압 회복의 증가와 함께 물 제거 빈도가 증가하였다. 연료전지에 공급되는 증기의 증가는 다공성 매체에서 액상의 물로의 응축을 촉진하여, 범람된 물이 제거되는 기체 압력에 도달하는 것을 가속화하였다. 따라서 플러딩 유도 운전이 오히려 빈번하게 물을 제거하고 전압을 회복시킨 것으로 판단된다. 결과적으로, 이 연구는 고분자전해질막 연료전지의 플러딩 유도 운전이 역으로 플러딩을 방지하고 전기 화학적 성능을 일시적으로 개선하기 위한 실제 작동 전략으로 사용될 수 있음을 제안한다. 둘째로, 플러딩과 동반되는 저주파 그리고 고주파 임피던스의 응답을 비교 분석하여 플러딩을 효과적으로 진단할 수 있는 주파수 영역을 조사하였다. 플러딩으로 인해 전압이 급격히 떨어지고 저주파 그리고 고주파 임피던스가 급격히 상승하였다. 저주파 임피던스 변동은 특정 기간의 플러딩에 대응하지 못했다. 반면 고주파 임피던스은 플러딩으로 인한 모든 전압 변동에 대응되었다. 심각한 플러딩은 고주파 임피던스의 급격한 상승을 가져왔고 플러딩 완화는 고주파 임피던스 하락을 초래하였다. 추가적으로, 스택의 불균일한 온도로 인한 플러딩 상황을 모사하여 고주파 임피던스 변동이 플러딩을 진단할 수 있는지 조사하였다. 작동 온도는 80°C로 유지하면서 산화극 및 환원극 라인 히터는 30° C로 순차적으로 냉각되었다. 실제 상용 연료전지 스택에서 발생할 수 있는 모사 실험에서도 고주파 임피던스 변동은 플러딩 발생과 동반되었다. 결과적으로, 플러딩으로 인한 전압변동과 완전히 통합된 고주파 임피던스 변동은 실시간 플러딩 진단에 효과적인 것으로 확인되었다. A fuel cell is a power source that uses hydrogen as a fuel and is in the spotlight as a strategy to respond to global warming. In addition, it is an eco-friendly power source that generates only electricity, water, and heat and does not generate any other harmful emissions. Among the various types of fuel cells, the polymer electrolyte membrane fuel cell is mainly used as a power source for mobility devices because it operates at low temperature of 100 °C and has a fast response to variable loads. Perfluorosulfonic acid membranes are used as proton exchange membranes (PEM) for polymer electrolyte membrane fuel cells, and it has high ionic conductivity below 100 °C. However, dry condition accelerates dehydration of the membrane. Membrane dehydration cause to decrease of proton carrier, resulting in performance deterioration of the fuel cells. In addition, high-temperature operation decomposes sulfonic acid groups, thereby promoting deterioration of fuel cell performance and durability. Due to the sensitive characteristics of the polymer electrolyte membrane, the fuel cell is operated in a humid condition and a low temperature. However, high-humidity and low-temperature operation causes the fuel cell to suffer another serious problem. Water generated from the electrochemical reaction and water vapor supplied for membrane hydration are not removed at the low temperature but are accumulated. The stagnant water reduces the catalyst active area and causes a decrease in porosity and an increase in tortuosity of the gas diffusion layer, causing electrochemical performance. In addition, excessive flooding causes the anode carbon support and the cathode hydrophobic agents to dislodge, resulting in deterioration of durability. Therefore, it is essential to efficiently operate a fuel cell under flooding state and to effectively diagnose flooding in real-time. This study consists of two chapters, each dealing with efficient fuel cell operation under flooding state and real-time flooding diagnosis. First, the operation method to effectively remove the flooding in the porous medium inside the fuel cell is investigated. By fabricating a transparent fuel cell, the flow of water removed from the gas diffusion layer to the flow channel is observed, and the voltage and impedance is also measured. With the occurrence of water flow, a sudden voltage rise and an impedance drop were accompanied. The relationship between water removal and operating conditions at various relative humidity and flow rates is analyzed. In high-humidity, high-flow operation where water overflow was induced, the frequency of water removal increased with the voltage recovery. The increase of supplied vapor promotes the condensation to liquid water in the porous media, accelerating the reaching to breakthrough pressure of the gas. Therefore, it is believed that the flooding inducing operation removes water more frequently and restores the voltage. Consequently, this study suggests that the flooding-induced operation of the PEMFCs can be used as a actual strategy to prevent flooding and temporarily improve the electrochemical performance. Second, the frequency domain for effectively diagnosing flooding was investigated by comparatively analyzing the response of low and high frequency impedance accompanying flooding. The flooding caused a sharp drop in voltage and a sharp rise in LFR and HFR. LFR fluctuations did not respond to flooding in specific periods. HFR, on the other hand, succeeded in responding to all flood. Severe flooding caused a sharp rise in HFR, and flood mitigation resulted in a HFR drop. Additionally, diagnosing the flooding through HFR fluctuation is investigated under the flooding caused by the non-uniform temperature of the stack. The anode and cathode line heaters were cooled sequentially to 30 °C while maintaining the cell temperature at 80 °C. In imitating experiments that may occur in actual commercial fuel cell stacks, HFR fluctuations were accompanied by flooding. As a result, it was verified that the fully integrated HFR fluctuations with the voltage fluctuations due to flooding are effective for real-time flooding diagnosis.

고분자 전해질형 연료전지의 냉각수 누설 및 탄소 담지체의 영향

정주해 울산대학교 대학원 2014 국내박사

수소 연료전지 자동차는 상용화를 위해 해결해야 할 문제점으로 가격 경쟁력과 장기 내구성으로 알려져 있다. 연료전지 자동차에서 특히 스택 구성요소의 가격과 내구성에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 스택 구성요소 중에 촉매가 70%를 담당하고 있으며 그 이유는 백금 촉매를 사용하기 때문이다. 하지만 현재 연료전지에 사용되는 백금과 합금 촉매는 99.9% 이상 회수가 가능하기 때문에 촉매 내구성을 확보하여 스택 내구성을 향상 시키는 연구가 시도되고 있다. 따라서 본 연구에서는 고분자전해질 연료전지 촉매의 내구성의 이슈가 되는 외부 요인에 의한 일산화탄소의 촉매 피독 현상 (CO poisoning)에 의한 성능 감소와 내부 요인으로 운전 중에 나타나는 탄소 부식을 회복 방법 개발과 소재 개발을 통해 연료전지 촉매의 열화 및 수명 감소를 극복하고자 한다. 연료전지 운전 중에 stack의 온도를 유지하기 위해 냉각수 및 부동액을 Ethylene glycol을사용한다. 하지만 stack 분리판 접착부위나 다른 경로로 부동액이 누설될 경우에는 화학적 반응에 영향을 주어 성능의 저하가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 부동액이 누설되었을 경우의 성능 거동을 관찰하고 성능 회복 실험을 수행하였다. 400mA/cm2 전류밀도 조건에서 마이크로 펌프와 마이크로 주사기를 이용하여 부동액을 주입하였으며 상대습도 100%/100%와 수소와 공기의 양론비는 1.5/2.0으로 고정하여 실험을 수행하였다. 3 cell stack을 이용하여 부동액을 주입한 후 정전류 회복 실험을 수행한 결과 anode 측에 부동액을 주입하였을 경우에는 심한 성능 감소와 성능이 회복되기 어려운 것으로 나타났다. Anode측이 회복되지 못하는 이유로는 ethylene glycol의 산화반응에서 발생하는 불순물에 의한 촉매의 피독 현상과 GDL과 3상 계면에 ethylene glycol이 물리적으로 흡착하였을 경우 gas diffusion의 방해로 인한 성능 저하를 예상할 수 있다. 따라서 실험 변수로 냉각수의 양과 주입 속도, 시간을 고려하였고 가스확산층과 촉매층의 독립적 실험을 고려하여 진행하였다. 성능 회복방법으로 정전류 방법, 물 주입과 공기 주입에 의한 물 생성 반응을 고안하여 적용하였다. 그 결과 부동액이 누설되는 시간이 빠를수록 성능감소가 빨리 나타났으며 부동액의 양이 많을수록 성능 감소의 폭이 증가함을 확인하였다. 또한 0.5 μl/min의 부동액 누설에도 성능이 감소하는 것을 확인하였다. 하지만 회복방법인 물 주입을 통해 가스확산층에 물리적 흡착된 EG의 제거를 통해 약 90% 이상 성능 회복을 확인할 수 있었으며 촉매에 피독된 EG에 의한 성능 감소는 해결하지 못하였다. 공기 주입에 의한 물 생성 반응을 통해 촉매층 내부에서 물 생성을 도모한 결과 약 98% 이상 성능 회복이 가능하였고 EG의 산화반응에 의해 생성된 CO가 백금 촉매에 피독하여 감소된 활성면적도 회복되는 것을 확인하였다. 따라서 고분자전해질 연료전지에 EG가 누설 될 경우, 물 주입과 물 생성에 의해 성능을 회복할 수 있으며 이는 CO에 피독된 촉매의 회복도 가능한 것으로 판단된다. 전기화학적으로 0.207V 이상에서 탄소 부식인 가역적인 반응이 발생한다. 전압이 높고, 물 분자가 많을 수록 탄소 부식은 더 빨리 발생한다. 연료전지 자동차의 경우 0.6~0.7V의 범위에서 운전하기에 탄소 부식을 피할 수 없다. 탄소 부식은 연료전지 촉매의 담지체와 가스 확산층에서 주로 발생되며, 대표적으로 Fuel starvation에 의한 역전압 현상과 Start on/Shut down 반복에 의한 Mix potential 또는 과전압 현상에서 주로 확인된다. 탄소부식이 발생되면 백금 촉매를 지지하고 있는 담지체의 붕괴로 백금이 용출되거나 응집을 통해 백금 입자가 성장하게 되며 이로 인해 촉매 활성면적이 감소하여 연료전지 성능 감소로 이어지게 된다. 따라서 탄소 부식에 강한 담지체를 선정하여 탄소 부식 속도를 늦추게 하는 방법으로 연료전지 내구성을 확보가 필요하다. 본 실험에서는 carbon black을 사용한 상용 촉매로 MEA를 제조하여 연료부족과 과전압에 의한 탄소 부식의 현상을 규명하고 결정성 탄소체인 헤링본 타입의 탄소나노파이버(Herringbone Carbon nanofiber), 다중벽 탄소나노튜브(Mult-walled carbon nanotube, MWCNT) 그리고 그래핀 옥사이드(Graphene oxide, GO)를 적용하여 촉매를 제조하였고 성능과 내구성 실험을 수행하였다. 전기화학적 분석으로 Polarization curve, Electrochemical impedance spectroscopy 그리고 Cyclic voltammetry를 사용하였고 물리적 분석으로는 TGA, BET, TEM, SEM, XRD, XPS, Raman 분석을 수행하였다. Pt/CNF, Pt/CNT 그리고 Pt/GO 촉매는 anode에 적용하여 Fuel starvation 실험을 수행하였고, cathode에 적용하여 1.4V 고전압에 의한 열화를 수행한 결과, 두 실험 모두 높은 내구성을 보여주었으며 Pt/C 촉매와 달리 Pt/CNF는 낮은 친수성과 작은 비표면적 그리고 높은 탄소 결정성 및 낮은 표면 결함의 특성 때문에 부식 저항성이 높은 것으로 판단된다. Pt/CNT 촉매 역시 두 극에 적용하여 열화 실험을 한 결과, 성능은 약 1.0% 이하의 감소가 확인되었고 촉매 활성면적 역시 10% (Pt/C의 경우 45% 이상) 이내의 감소를 나타내었다. 따라서 Pt/CNT 촉매의 낮은 표면 결함과 낮은 산소 농도, 그리고 높은 탄소 결정성과 산화 안정성의 특성으로 높은 내구성을 가지는 것으로 판단된다. Pt/GO 촉매는 2D 구조적 특성에 의해 단일 촉매로는 사용하기 불가능하여 Pt/C 촉매와 혼합하여 Half-cell과 Full-cell시스템에 적용하여 성능 및 내구성을 평가하였다. Pt/GO의 함량이 커질수록 내구성은 증가하였지만 촉매 활성은 감소하는 경향을 나타내었으며, Pt/GO의 20%와 Pt/C 촉매의 80%가 혼합된 촉매에서 전기화학적 촉매 활성 및 내구성의 최적점을 확인하였다. 따라서 고 결정성 탄소 담지체의 사용과 간단한 hybrid 촉매를 통해 연료전지 자동차의 촉매의 수명대비 가격 경쟁력을 확보하는데 도움이 될 것으로 판단된다.

연료전지 전해질에 따른 산업적 활용방안에 관한 연구

김한결 신라대학교 일반대학원 2022 국내석사

세계 각국 정부는 환경과 에너지를 전략적 자산으로 정의하고 에너지 전환 정책을 앞 다투어 추진하고 있다. 우리 정부도 환경문제와 에너지 문제의 대안으로 수소경제 활성화 로드맵을 발표하였다. 에너지 전환 정책의 양대 축으로 ‘수소전기차’와 ‘연료전지’가 대두되면서 연료전지 산업이 새로운 전환기를 맞이하고 있다. 연료전지는 수소를 사용해 전기와 열을 생산하는 친환경 기술로, 수소경제의 중심으로 친환경 분산발전원의 역할을 수행할 것으로 기대되고 있다. 본 연구는 이러한 수소경제시대에 있어서의 핵심 기술인 연료전지가 산업분야의 사례를 통해 그 활용에 있어서 어느 정도의 적용성을 가지고 있는지를 파악하고 그에 따라 가장 적합한 연료전기 기술이 산업분야에 적용될 수 있는 기틀을 마련하고자 진행되었다. 연구모델은 연료전지 특성에 대한 지수화와 에너지 소비특성에 대한 지수화를 진행하여, 연료전지 특성()으로 전기량(), 사용온도(), 연료(), 경제성(), 효율()로 정의하였고, 산업분야별 에너지소비 특성()은 에너지소비량(), 에너지 질(), 에너지표준편차()로 정의하였다. 산업분야별 ‘가정용/건물용 열병합 발전’, ‘중대형 발전소’, ‘연료전지 자동차’, ‘건설 중장비’ 및 ‘선박용 보조전원 및 추진장치’ 5개의 산업분야를 사례로 하여 에너지소비 특성에 대한 지수를 연구모델에 적용시켜 사례별 연료전지의 적용성을 확인하였다. 가정용/건물용 열병합 발전 분야에서는 SOFC(50.72)가 가장 높고, 그 다음이 MCFC(50.51) 그리고 PEMFC(49.88)로 나타났는데, 3가지의 연료전지에 대해서 큰 차이가 나지 않는 것을 확인하였다. 중대형 발전소 분야에서는 SOFC(63.40)가 가장 높고, 그 다음이 MCFC(63.14) 그리고 PEMFC(62.36)로 나타났는데, SOFC와 MCFC는 극히 차이가 나지 않는 것을 확인하였다. 연료전지 자동차 분야는 조금 다른 결과가 나타났는데, MCFC(35.53)가 가장 높게 나왔고, 그 다음으로 SOFC(35.32)이고, 그 다음은 PEMFC(35.06)으로 3가지 모두가 35%정도로 나타났다. 건설 중장비 분야의 경우는 전반적으로 건설 중장비에서는 적용성이 그리 크지 않은 것으로 분석되었으나, SOFC(17.88), MCFC(17.04), PEMFC(16.36)가 대체로 높게 나왔다. 선박용 보조전원 및 추진장치 분야는 PEMFC(23.41)가 가장 높은 점수로 결과가 나왔고, 다음으로 MCFC(23.20), 그리고 SOFC(22.89)의 순서로 나타났다. 데이터 분석 결과 전반적으로 SOFC, MCFC 및 PEMFC가 연료전지 적용성에 높은 점수를 받은 것으로 분석되었고, 사례 별 특성과 연료전지의 특징에 따른 분석의 결과가 연료전지의 특징에 따라 다양하게 산업분야별로 적용 될 것으로 예측하였으나, 실제로는 신기술이 개발 될수록 그 성능이나, 적용성도 높아짐을 알 수 있었다. 본 연구의 의의는 연료전지 특성과 산업분야별 특성을 통해 연료전지의 적용성을 파악할 수 있는 기초연구로 그 가치를 찾을 수 있다. 향후 연료전지 기술에 대한 특성을 더 세분화하고 그에 대한 지수화를 시도하며, 산업분야별 특성도 더 세분화하고 연계성을 면밀히 파악한 모델을 구성한다면 산업분야, 사업분야 등에 연료전지 적용성을 파악할 수 있을 것이다. The governments of each country are encouraging energy conversion policies it defined environment and energy as strategic assets. Korea also announced a roadmap for revitalizing the hydrogen economy as an alternative to environmental and energy issues. Fuel cells are eco-friendly technology it uses hydrogen to produce electricity and heat. Fuel cell technology is expected to play a role as the core technology of the hydrogen economies. This study examined the applicability to utilization of fuel cells as the core technology in the hydrogen economy era by case of industrial fields. The research model was defined with Indexing of fuel cell characteristics and energy consumption characteristics. The fuel cell characteristics(F _{c}) were defined as amount of power(Q _{f}), operating temperature(T _{f}), fuel type(F _{f}), economic value(V _{f}), and efficiency (W _{f}). Energy consumption characteristics(I _{e}) were defined as energy consumption(H _{e}), energy quality(Q _{e}), and energy standard deviation(P _{e}). There were five industries surveyed which are 'household/building cogeneration', 'medium and large power plant', 'fuel cell vehicle', 'construction heavy equipment' and 'ship auxiliary power propulsion'. It is confirmed the applicability of the fuel cell with the index for energy consumption characteristics which was applied to the research model. According to the data analysis results, It was analyzed that SOFC, MCFC, and PEMFC scored high in order at fuel cell applicability, Although it was predicted that the results of the analysis according to the characteristics of each case and the characteristics of the fuel cell would be applied in various industrial fields according to the characteristics of the fuel cell, it can be seen that as new technologies are developed, their performance and applicability increase. The significance of this study can be found as a basic study that can grasp the applicability of fuel cells from the characteristics of fuel cells and industrial fields. In the future, if it will be subdivided the characteristics of fuel cell technology and energy consumption characteristics of each industry and be attempted to index these, it will be possible to understand the applicability of fuel cells to industrial and business fields.