PEM Fuel Cell의 성능 및 동작물질 거동에 관한 전산해석

강신조 전남대학교 대학원 2012 국내박사

본 연구에서는 먼저 고분자 전해질 연료전지의 최소 구성요소 즉, 가스채널이 입구와 출구가 각각 1개, 집전체인 전극이 1개인 단위 셀을 설계하고 이에 대하여 동작 압력을 변화하면서 공급되는 동작 물질의 농도를 몰 비율 및 질량 비율로 계산하면서 전산해석을 진행하여 각 압력에 따른 전지의 성능과 수분의 거동 및 전류밀도의 분포 비율을 해석하였으며, 이를 발전시켜 가스 채널의 구조에 영향을 주는 전극의 모양을 2차원적으로 확대하고 사형 채널 구조를 갖는 연료전지를 설계하고, 동일한 가스채널에서 압력을 4종류로 변화시키면서 각 압력에 대한 성능해석과 수분분포 및 전류밀도 분포를 각각 해석하였으며, 이를 기반으로 다시 4종류로 가스 채널의 유로에 변형을 주면서 각 종류에 대한 성능 및 수분의 거동과 전류밀도를 해석하였다. 또한 2차원 유로변형에 의한 해석을 3차원에서 동일한 유로 패턴으로 모델링하여 사형 카운터 흐름에 대한 4종류의 압력해석 결과와 비교하여 각 종류별 성능 분석과, 공기극에서 3차원 위치별 전류밀도의 분석과 온도분포 및 수분거동, 동작물질의 속도 및 농도에 대한 거동 특성 및 성능해석을 진행하였다. 이를 위하여 연료극과 공기극에 동작물질을 공급하는 가스 채널을 개방형으로 설계하였다. 최소 단위 연료전지의 압력에 따른 성능해석 결과는 압력이 높을수록 연료전지의 성능이 높게 나타나는 일반적인 연료전지 성능해석 실험과 이론을 잘 추종하였으며 2차원 유로 패턴의 변화에 따른 해석은 압력별 해석과 수분거동이 전극의 모형과 가스채널의 비율에 관련이 있음을 해석하였다. 또한 2차원 해석을 기본으로 한 3차원 모델링을 통한 전산해석에서는 각 위치별 전류밀도 분포 결과로 전지의 내부 쪽보다는 연료극과 공기극의 입구와 출구 쪽에서 더 많은 분포를 보이고 있으며 온도 분포 또한 전기화학 반응이 활발하게 일어나는 입 출구 측이 더 높게 나타났으며 수분의 거동은 일반적으로 동일한 채널과 전극 선상에서는 고르게 분포됨을 해석하였다. 본 논문에서 2차원부터 3차원까지 유로 패턴을 변화하면서 전지의 효율에 영향을 주는 요인을 변화시키면서 전산 해석한 각종 결과는 향후 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 실험 및 제작을 위한 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.

건축물 연료전지(PEMFC)의 경제성을 고려한 효율적인 운영 전략 연구

정동훈 서울과학기술대학교 2023 국내석사

연료전지발전용 전력변환회로 설계 및 제어

장수진 成均館大學校 大學院 2003 국내석사

At the beginning of the 21st century, fuel cells meet the power needs of a variety of applications. The fuel cell is electrochemical device that converts chemical energy directly into electrical and thermal energy. In this thesis, a fuel cell simulator, which can generate the actual V-I characteristic of PEMFC, has been proposed and based on the simulator, a 3[kW] fuel cell generation system has been developed. The performance of the developed system has been examined by simulation and experimental results and from the results, it is highly expected that the developed system could be effectively applied for the domestic applications, such as residential power generation. A typical fuel cell, which is operated in ohmic region and has output voltage from 39[V_(dc)]-60[V_(dc)], is selected in order to model the fuel cell simulator. In the activation region, the output voltage is assumed as the constant output voltage(60[V_(dc)]) for the simplicity and otherwise below 39[V_(dc)], the simulator is controlled to shutdown in order to express the concentrate region which output voltage is dramatically decreased to zero. This highly nonlinear V-I characteristic is achieved using the simple buck converter, integrated with an advanced control algorithm. In additional, to verify fuel cell generation system performance and operation, full-bridge DC/DC converter and single-phase DC/AC inverter are designed and manufactured for fuel cell applications. Because output generated by the fuel cell stack (fuel cell simulator) has low voltage, it is necessary that output voltage should be boosted to drive effectively and applicably at other systems. The boosting voltage becomes voltage of DC link. To supply DC voltage generated by the fuel cell simulator instead of fuel cell stack in the commercial load, it should be converted into the AC voltage.

계통연계형 연료전지 전력변환 시스템의 고효율화에 관한 연구

손경종 全南大學校 2007 국내박사

본 논문은 연료전지의 발전 전력을 계통에 효과적으로 연계하기 위한 시스템 개발에 목적이 있으며, 전력변환기의 효율 증대를 위해 저전압 대전류에 적합한 새로운 DC/DC 컨버터 회로를 제안하였다. 또한 계통전압의 실시간 DFT를 통한 고조파 성분을 인버터에 피드포워드항으로 보상함으로써 발전 전력의 품질을 개선하였고, 연료전지 스텍의 수학적 모델을 토대로 효율적인 운전에 필요한 핵심요소를 도출하여 스텍의 가동 손실을 최소화함으로써 시스템의 총효율이 최대가 되는 운전 조건을 제시하였다. 일반적으로 연료전지 스텍의 초기 기동은 보조배터리를 사용하고 있으나, 본 논문에서는 배터리 충전을 위한 별도의 장치를 사용하지 않고 연료전지 시스템의 산소량을 제어함으로써 충전이 가능한 새로운 방식의 충전기와 계통연계시 고조파 성분으로 인한 전력 품질 저하와 EMI노이즈 발생 등의 문제해결을 위한 필터회로를 설계하였다. 설계된 필터회로는 3고조파 성분이 3% 이내, 총고조파 왜형율이 5% 이내로 설계하여 계통연계형 인버터의 THD조건을 만족하였다. 본 논문의 연구 결과를 요약하면 다음과 같다. 가. 연료전지 시스템에 적합하며 DC-link가 없는 2단 방식의 전력변환기 구조를 제안하였다. 제안된 전력변환기는 2단 컨버터이지만 기존의 2단 방식과는 달리 단과 단 사이에 전압 평활용 콘덴서가 없는 방식으로 기존의 1단 방식에 비하여 스위칭 소자 1개가 추가된 구조이다. 나. 제안된 2단 방식의 전력변환기는 푸시풀 컨버터의 스위칭 주파수에 비하여 벅 타입 컨버터의 스위칭 주파수를 두 배로 동기시킴으로써 전류형 인덕터 및 변압기 권선의 피크 전류를 저감하였다. 다. 연료전지 시스템에 ZVS-ZCS가 가능한 새로운 DC/DC 컨버터 구조를 제안하였다. 제안된 푸시풀 컨버터의 스위칭 동작은 새로운 수동 클램프 회로에 의해 ZVS 또는 ZCS가 이루어진다. 새로운 수동 클램프 회로로 푸시풀 컨버터의 순시 과전압 문제를 해결하였다. 라. 연료전지 시스템을 계통연계시 발전 전력의 품질 개선을 위하여 계통전압의 실시간 DFT를 통한 계통전압의 고조파 성분을 분석한 후 이를 인버터의 피드포워드항으로 보상하는 제어기를 설계하였다. 마. 연료전지의 출력 제어를 위해 산소 소모량과 연료전지 출력과의 관계를 일반적인 함수로 도출하고 산소 소모량에 따른 연료전지 출력 특성 실험을 통해 현재 사용하고자 하는 연료전지 스택의 특성을 분석하였다. 바. 제안된 전력 변환기는 연료전지의 발전전력과 산소센서 및 온도센서에 의해 계측된 연료전지의 가동 상태 변수를 바탕으로 실제 연료전지 출력특성과 부하에서 소모되는 전력을 비교 분석하여 손실을 최소화하도록 설계하여 계통연계시 발전 효율을 증대하였다. 사. 별도의 DC/DC 컨버터를 사용하지 않고 연료전지가 갖는 저전압, 대전류 고유 특성을 이용하여 연료전지 발전 초기 모드에서 산소량 제어를 통해 충전이 가능한 새로운 형태의 충전 방식을 제안하였다. 아. 기존의 계통연계형 연료전지 시스템은 스텍 제어기와 인버터 제어기가 독립적으로 존재하여 제작 단가가 높고, 제어의 상호 연계가 미흡하다는 단점을 지녔다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 두 제어 부분을 one board화한 제어기로 통합함으로써 제어의 상호밀착성을 증대시켰다. 이로써 제작단가 및 대기전력을 감소하는 효과를 가질 수 있었다.

연료전지를 이용한 소방비상전원설비의 적용에 관한 연구

신국식 경기대학교 공학대학원 2020 국내석사

국내 건축물은 초고층화, 지하화 등으로 더 복잡하고 더 다양한 형태로 건설되고 있다. 이로 인해 건축물에 필요한 소방비상전원용량 또한 건축물의 규모와 높이, 소방대의 화재진압시간 등을 고려하여 더 많은 소방비상전원용량을 필요로 하고 있다. 국가화재안전기준(NFSC)에서도 소방비상전원용량을 기존 30분에서 60분 이상(50층 이상 건축물)으로 규정하고 있다. 소방비상전원설비의 종류에는 자가발전설비, 축전지, 비상전원수전설비, 전기저장장치가 있으며, 전기저장장치는 최근 소방법에 추가된 비상전원설비로 외부 전기에너지를 저장해 두었다가 필요할때 전기를 공급하는 장치이다. 전기저장장치는 순간적인 전력변화에는 매우 우수하지만 충전용량의 한계로 지속적 전력공급이 어렵다는 단점을 가진다. 자가발전설비는 내연기관을 이용하여 전기를 생산 공급하는 장치로 연료공급에 따라 지속적 전원 공급 및 용량이 큰 소방부하에 적합한 비상전원설비이다. 하지만 화석연료 사용으로 인해 지구온난화 물질인 CO 및 각종 유해물질 발생으로 환경문제를 야기 시킨다. 이에 반해 연료전지는 수소와 산소의 화학에너지를 이용한 전기화학반응에 의해 직접 전기에너지로 변환시키는 발전설비로 공해물질 배출이 없는 친환경적 청정 에너지이다. 또한 소용량에서 대용량까지 다양한 전력공급에 적합한 발전설비이다. 이에 본 연구에서는 연료전지의 기본이론과 국내외 개발 현황과 발전 현황을 조사․분석하였으며, 국내 건축물에 적용 가능한 연료전지 종류와 성능을 비교 분석하였다. 이를 바탕으로 건축물의 용도에 적합한 연료전지의 종류 및 시스템을 선정하고 소방비상전원설비로서 타당성을 평가하고자 하였다. 연구를 수행한 결과, 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)가 가정용 및 중소형 일반건축물에 가장 적합하였다. 기동시간은 3분∼ 60분으로 개질기 없이 순수한 수소를 사용하는 경우, 기동시간은 3분이고, 개질기를 통해 수소가 공급 된 경우, 기동시간은 60 분이었다. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell, 고체산화물 연료전지)는 “800 ℃ 이상의 고온으로 운전되는 특성상 기동시간이 36시간 소요된다. 그러나 발전 효율이 타 종류에 비해 매우 높기 때문에 많은 전력을 사용하는 건물 및 발전소에 적합하였다. 발전시설의 경우 PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell, 인산형 연료전지)와 MCFC(Molten Car bonate Fuel Cell, 용융탄산형 연료전지)가 적합 하였으며 열과 전기를 동시에 사용하는 열병합발전소에 특히 경제성이 높았다. 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)의 경제적 타당성은 소형열복합발전의 대규모 공동주택이 높은 경제적 효율을 보였다. 반면에 가정용 주택은 경제성이 가장 낮았다. 일반건축물의 경우에는 정부의 신재생에너지 지원제도 등의 지원정책으로 경제적 타당성을 확보했지만, 가정용주택은 정부의 지원제도가 없어 발전에 필요한 가스요금이 전기사용량 요금보다 높아 경제성이 가장 낮았다. 유지 보수 측면에서는 태양광 등 타 신재생에너지 보다 우수한 성능과 고밀도 에너지를 생산하는 시스템으로 용량대비 설치면적이 적어 건물에 매우 유용하였다. 그러나 STACK, 개질기, BOP 와 같은 핵심 부품의 기술력 보완이 필요하였다. 따라서 국내 연료전지의 기동성과 경제성, 유지 보수 및 수명에 대한 지속적인 연구개발을 통해 화재로부터 국민의 생명과 재산을 보호하는 신뢰도 높은 소방비상전원설비로 적용되어야 할 것이다. Domestic buildings are being constructed in more complex and more diverse forms, such as skyscrapers and undergrounds. For this reason, the fire emergency power capacity required for the building also requires more fire emergency power capacity considering the size and height of the building and the fire extinguishing time of the fire brigade. The National Fire Safety Standard (NFSC) also regulates the emergency fire-fighting power supply capacity from 30 minutes to 60 minutes (over 50 stories).Self-power generation facilities, storage batteries, emergency power receiving facilities, and electric storage devices are included in the types of fire emergency power facilities. to be. The electric storage device is very good for instantaneous power change, but has the disadvantage that it is difficult to continuously supply electricity due to the limitation of the charging capacity. The self-powered facility is a device that produces and supplies electricity using an internal combustion engine, and is an emergency power facility suitable for continuous power supply and large-capacity firefighting loads according to fuel supply. However, the use of fossil fuels causes environmental problems due to the generation of global warming materials, CO and various harmful substances. In contrast, a fuel cell is a renewable energy source using hydrogen, and is a power generation facility that generates electricity by generating electricity and heat. It is also a power generation facility suitable for various power supply from small to large capacity. Accordingly, this study investigated and analyzed the basic theory of fuel cells, domestic and foreign development status and power generation status, and compared and analyzed the types and performance of fuel cells applicable to domestic buildings. Based on this, a fuel cell type and system suitable for the purpose of the building were selected and the feasibility of evaluating it as a fire emergency power supply system was evaluated. As a result of the research, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) was the most suitable fuel cell for home and small to medium-sized general buildings. The starting time was 3 minutes to 60 minutes. When pure hydrogen was used without a reformer, the startup time was 3 minutes, and when hydrogen was supplied through the reformer, the startup time was 60 minutes. SOFC (Solid Oxide Fuel Cell), “is operated at a high temperature over 800℃ and takes 36 hours to start. However, the power generation efficiency is very high compared to other types, making it suitable for buildings and power plants that use a lot of electricity. For power generation facilities, PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) and MCFC (Molten Car bonate Fuel Cell) were suitable, and economic efficiency was particularly high for a combined heat and power plant that uses heat and electricity simultaneously. The economic feasibility of the polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) showed high economic efficiency in the case of small-scale thermal power generation in a large-scale apartment complex. On the other hand, residential homes had the lowest economic feasibility. General buildings and fuel cells for power generation have secured economic feasibility through government policy support, but household houses do not have government support, so the gas cost required for power generation is higher than the electricity consumption rate, which is the lowest economic feasibility. In terms of maintenance, the fuel cell is a system that produces higher performance and higher density energy than other renewable energy such as solar power, which is a very useful power generation facility for buildings and is also suitable as an emergency power supply facility. However, it was necessary to supplement the core parts such as STACK, reformer and BOP. Therefore, it must be applied as a highly reliable fire-fighting emergency power facility that protects people's lives and property from fire and power generation through continuous research and development on the start-up time, economy, maintenance, and life of the domestic fuel cell.

미생물연료전지를 이용한 조류배양 및 온실가스의 저감

서규원 건국대학교 대학원 2010 국내석사

미생물연료전지 시스템을 이용하여 조류를 배양하고 효과적으로 온실가스를 제어할 수 있는 기술을 개발하였다. 호수로부터 분리된 Chlorella vulgaris를 미생물연료전지 시스템에서 배양하며 최적조건을 찾아내었다. 미생물연료전지 시스템에서 전류의 발생이 높을수록 조류 생산량이 높았음을 확인할 수 있었다. 미생물연료전지에서 발생한 가스를 분석한 결과 전류의 발생이 높을수록 메탄의 생산은 감소되고 이산화탄소의 생산이 증가함을 확인할 수 있었다. 미생물연료전지의 전류는 이산화탄소의 생산을 증가시키고 발생된 이산화탄소를 사용하여 조류의 증식이 활발해지는 결과를 확인하였다. 실제 호수에 설치한 미생물연료전지 시스템에서 25mA의 전류가 발생하였으며 평균 4.2g/day∙L의 조류가 생산되었다. 미생물연료전지에서 조류생산량은 일반적인 조류배양방법에 비해 2배 이상 증가하였고, 메탄은 최대 80%가 감소하며 이산화탄소 역시 조류에 의해 대부분 소모됨을 알 수 있었다. Electrochemical algae production and greenhouse gas control were investigated using Microbial fuel cell(MFC). Chlorella vulgaris isolated from the lake was used as a algae strain for the cultivation. It demonstrated that the high yield of algae growth was achieved when the high current was generated in this system. The increase of carbon dioxide(CO2) and the decrease of methane(CH4) were observed when the current generation was reached at a maximum value. When the current generation was increased both of the CO2 production and the growth rate of algae were increased. However the production of CH4 was decreased. The increase of CO2 can be explained by the activation of Electrochemical active bacteria(EAB) around the anode. The EABs can emit the CO2 from the oxidation of acetate against the activation of the methanogens. This system was installed in the practical lake. The highest current was 25mA and the yield of algae production was 4.2g/L∙day. In this system, the yield of algae production was over 2 fold greater than general algae cultivation method. Furthermore CH4 was decreased for up to 80% and CO2 was also decreased by the algae mostly. These results showed that this system would be a possible method for the cultivation of algae with the reduction of greenhouse gas.

연료전지발전용 계통연계형 고효율 전력변환장치에 관한 연구

주영아 명지대학교 대학원 2010 국내석사

This paper proposes high-efficiency power conditioning system for the fuel cell power generation, which consists of a 2-stage LLC resonant DC-DC converter of analog control type and 3-phase inverter. Also, this paper proposes that 3-phase current-fed active clamp DC-DC converter of digital control type and 3-phase inverter. Fuel cell has non-linear characteristic in electrical operation due to the polarization phenomena of electro-chemical reaction. The terminal voltage at the rated load drops to the half value of the terminal voltage at no load. So, a DC-DC converter with high efficiency and high amplification is definitely required to boost the low terminal voltage up to the high DC link voltage. The DC-DC converter of analog control type and digital control type for Fuel cell boosts the fuel cell voltage of 26-48V up to 400V, and the grid-tie inverter controls the active·reactive power delivered to the grid. The operation of proposed power conditioning system was verified through simulations with PSCAD/EMTDC software. The feasibility of hardware implementation was verified through experimental works with a laboratory prototype, which was built with 1.2kW PEM fuel-cell stack, 1kW LLC resonant converter, and 2kW PWM inverter. The proposed system can be utilized to commercialize a real interconnection system for the fuel-cell power generation. It can be also applied for the distrbuted generation and the Micro-Grid. 화석연료의 고갈과 환경오염의 심각성 및 기존 전력 설비의 노후 등의 지속적인 문제들로 인해 신재생에너지 원의 개발 및 기존 전력설비와의 연계에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 신재생에너지원에는 태양광, 풍력, 연료전지, 바이오매스 등이 있는데, 이중에서도 연료전지는 높은 에너지 효율, 친환경적, 저소음, 시스템구축의 용이성 등으로 설치장소의 제약이 적어 많은 연구가 수행되고 있다. 연료전지는 그 동안 여러 종류가 개발되어 왔는데, 이중 고분자전해질연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)는 고체 고분자막을 이용하여 수소와 산소 연료의 전기화학적 반응을 통해 전기에너지를 생성하고 부산물로 열에너지와 물을 생산하는 형태로 시스템의 단순성과 높은 전력밀도를 갖는다. 그러나 연료전지는 기존의 DC 전원과는 달리 전기화학반응에 의한 분극 현상에 따른 손실로 비선형적인 특성을 가지며 수십 볼트의 저전압 출력특성을 갖기 때문에 220V, 60Hz의 전력계통에 연계하여 발전하기 위해서는 반드시 고효율 전력변환기가 요구된다. 본 논문에서는 기존 컨버터의 단점을 보완하여 아날로그 방식의 2단 구성의 연료전지용 DC-DC 컨버터와 디지털 방식의 3상 전류형 능동클램프 DC-DC 컨버터를 제안한다. 이를 범용 3상 인버터와 결합하여 유·무효전력을 전력계통으로 안정적으로 전송하는 연료전지발전용 계통연계시스템을 개발하였다. 제안하는 전력변환기의 동작특성을 분석하기 위해 PSCAD/EMTDC를 이용하여 연료전지의 시뮬레이션 모델링과 전력변환기의 시뮬레이션 모델을 모의하였다. 이 시뮬레이션 모델의 분석결과를 바탕으로 하드웨어 설계 및 제작을 통한 실험을 실시하여 하드웨어구현의 타당성을 검증하였다. 본 논문의 연구결과는 연료전지발전용 계통연계시스템의 개발과 효율적인 운용에 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한 최근 관심이 증가하고 있는 DC급전과 스마트그리드에 연료전지발전을 적용하는데 활용 가능할 것으로 보인다.

연료전지용 고분자 전해질막의 내구성 향상에 관한 연구

박정수 영남대학교 대학원 2011 국내석사

본 연구는 고분자 전해질의 내화학성, 열적안정성, 기계적강도 ,전기적특성 등의 여러 특성을 향상 시키기 위한 연구이다. 고분자 전해질은 불소계 고분자인 ETFE 필름에 스타이렌 모노머와 희석제 DCM, 그리고 가교제인 DVB를 혼합하여 질소로 퍼지시킨 공간에서 전자빔 그래프팅 기술을 이용한 전조사법으로 제조하였다. 이 때 그래프팅율은 전자빔의 조사량, 그래프팅 시간, 희석제의 농도 등으로 조절할 수 있었다. 그래프팅 된 ETFE필름은 크로로술폰산과 디클로로메탄을 혼합한 용액에서 술폰화 시키고, 이온이 없는 3차수로 수화반응을 시켜 수소 프로톤의 이동이 극대화 될 수 있게 하였다. ETFE 전해질막의 함수율, 이온교환능, 스웰링된 전해질막의 치수안정성, 열적 화학적 안정성 등을 TGA, SEM-EDS, 인장강도, XRD 등의 분석장비로 분석한 결과 가교 구조가 형성되었음을 볼 수 있었다. 마지막으로 전해질막을 수소연료전지에 장착하여 전기적 특성을 테스트 하였다. 1. DVB의 첨가량이 증가함에 따라 가교도의 증가로 말미암아 동일한 그래프팅 율에서 함수율(water uptake), IEC 및 size increment가 모두 감소하였다. 2. 희석제 DCM를 포함한 메틸스티렌 단량체의 혼합용액에서 메틸스티렌의 농도가 증가함에 따라 그래프팅율이 증가하지만, 높은 DVB 농도(4.7wt%)에서는 70%의 메틸스티렌농도에서 최대치를 보이고, 조사선량이 증가함에 따라 70%이상의 메틸스티렌 농도에서는 그래프팅율이 크게 감소하였다. 3. TGA에 의한 열적 안정성 시험은 4.7wt%의 DVB첨가에서는 높은 열적 안정성을 보이지만, 1wt%이하에서는 상대적으로 낮은 열적 안정성을 보였다. 이는 ETFE 멤브레인이 DVB함량이 증가함에 따라 가교구조를 띄기 때문인 것으로 판단된다. 4. EDS-SEM분석에 의하면, ETFE 멤브레인의 황농도 구배는 DVB가 첨가되지 않을 때는 높은 그래프팅율에서 표면과 내부에서 균일하였지만, DVB가 첨가되었을 때는 표면에서 황농도가 낮은 경향을 보였다. 이와같은 결과는 필름의 표면에서 가교구조에서 단량체의 그래프팅이 억제되어 슬폰기의 도입량이 감소하기 때문인 것으로 판단된다. 5. XRD분석에서, ETFE필름상에서 메틸스티렌 단량체의 그래프팅 및 슬폰화에 의해 새로운 결정구조가 생성되지만, 스티렌단량체에서는 새로운 결정구조의 생성이 억제되는 결과를 보였다. 이들 새로운 결정구조는 아마도 메틸스티렌의 호모중합체는 반결정성(semicrystalline)을 띄고 스티렌호모중합체는 아택틱 (atactic) 구조를 가질 수 있기 때문인 것으로 판단된다. 6. 화학안정성 시험결과, DVB의 첨가량이 증가함에 따라 ETFE멤브레인은 과산화수소에 대한 화학적 안정성이 크게 향상되었다. 7. 기계적 강도시험으로부터, DVB의 첨가량이 증가함에 따라 슬폰화된 ETFE멤브레인의 유연성은 떨어진다. 높은 DVB첨가량과 너무 높은 그래프팅율에서는 매우 부서지기 쉬운 상태로 변화되어 연료전지막으로 이용되기에는 어렵다고 본다. 8. ETFE멤브레인의 단위셀 수소연료전지에 구동한 결과, 70℃의 구동온도에서 가교구조를 가진 멤브레인에서 너무 높지 않은 함수율과 적절한 IEC값에서 매우 우수한 전기적 특성을 나타내었다. 반면에 높은 가교도를 가지는 멤브레인은 IEC값과 함수율의 증가가 크게 억제되어 전기적 특성이 상당히 감소하는 경향을 보였다. This study tried to improve several properties of the polymer electrolytes such as chemical resistance, thermal resistance, mechanical strength, and electrical property. The polymer electrolytes that were manufactured by radiation-grafting of styrene derivatives (styrene and methylstyrene) onto ETFE (poly(ethylene-alt- tetrafluoroethylene)). Styrene derivative monomers, which were mixed with dichrolomethane(DCM) diluent and divinylbenzene (DVB) crosslinker, were grafted onto the preirradiated ETFE film under N2 circumstance. The degree of grafting was could be controlled by changing irradiation dose, grafting time and diluent concentration. The grafted ETFE fim was sulfonated in a mixture of chlorosulfonic acid and dichloromethane, and subsequently it was hydrated in a deionized water, ultimately leading to manufacturing of a high proton-transportable membrane. ETFE membranes with a crosslinked structure were characterized by analyzing their water uptaking, ion exhange capacity (IEC), size increament of water-swelled membrane and thermal and chemical stabilities. by means of several kinds of analysis instruments, such as TGA, SEM-EDS, Instron and XRD, and etc. Finally, the electrical performance of the manufactured membranes were tested in a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). The main results in this study can be summarized as followings: 1. Both IEC and size increment as well as water uptake for the ETFE membrane were decreased with increasing DVB content owing to a possible formation of crosslinked polymeric structure. 2. Thermal stability for ETFE membrane analyzed by TGA was high in addition of 4.7wt% DVB owing to high degree of crosslinking, but it was comparably low at DVB content less than 1wt%. 3. From EDS-SEM analysis, sulfur distribution across film thickness in ETFE membrane was homogeneous at both inside and surface without addition of DVB, but the addition of DVB was likely to induce lowering its sulfur concentration around surface of membrane even though its concentration was still homogeneous. It is thought that the polymeric structure in ETFE could suppress the formation of sulfuric groups owing to the limitation of the grafting of monomer. 4. XRD analysis showed that methylstyrene monomer could form new crystalline structures through a grafting and subsequent sulfornation, but styrene monomer could hardly generate the crystalline structures in ETFE. Formation of crystalline regions for the metylstyrene-grafted ETFE might be induced by homopolymerization of methylstyrene with semicrystalline, but the polymeric structure of styrene-homopolymer had atactic structure with low crystallinity. 5. Chemical resistance test showed that the chemical resistance of ETFE increased largely with increasing DVB content, especially at high degree of grafting. 6. Mechanical strength test showed that with increasing DVB content the stress of sulfonated ETFE membrane increased and the flexibility decreased, but the ETFE membrane became brittle at a high DVB content and high degree of grafting resulting in hardly using it as a fuel cell membrane. 7. In operation of a unit fuel cell with ETFE membrane at 70oC and under hydrogen and oxygen flows, the membrane with moderately crosslinked polymeric structure and a proper IEC value could present excellent electrical property, but too highly crosslinked membrane dropped its electricity largely.

고효율 및 입력전류리플 저감을 위한 연료전지용 2상 인터리브드 듀얼 능동 하프브리지 컨버터

이정인 경상국립대학교 대학원 2025 국내석사

연료전지 자동차 발전시스템 발전동향 및 시장전망

김동원 연세대학교 공학대학원 2014 국내석사

자동차는 현대 생활에 있어서 중요한 필수품 중의 하나이다. 하지만, 이러한 자동차로 인해 발생되는 에너지와 지구 환경 보전에 대한 관심이 증가함에 따라 수소 에너지에 대한 관심이 증가되고 있다. 연료전지 시스템에 의해 고효율 전기를 얻는 수소의 특성으로 자동차용 동력장치를 수소 연료전지를 적용하자는 기술개발이 각 국을 통해 활발히 진행 중에 있다. 전세계적으로 활발히 연구되고 자동차 시장에서 가장 주목 받고 있는 연료전지 발전 시스템에 대한 발전 동향 및 시장 전망에 대한 연구이다.수소 연료전지 자동차는 가솔린 내연기관을 대신하여 수소와 공기 중의 산소 결합으로 전기를 자체 생산하는 연료전지를 동력원으로 하며, 화학에너지를 전기에너지로 바꾸는 기본원리에서 수소 연료전지 자동차의 구조상 엔진 및 트랜스미션조차 필요가 없는 고효율 자동차이다. 또한, 주 에너지원으로 사용되고 있는 화석연료를 대신하여 수소를 이용함으로써 환경오염의 근원이 되는 이산화탄소의 배출량이 전혀 없으며, 배출되는 수증기를 전기분해하여 수소를 재 이용할 수 있기 때문에 연료의 제한이 없다. 하지만, 수소 연료전지 자동차의 가격과 수소 공급의 인프라 문제, 차내 수소 저장의 문제, 촉매로 값비싼 백금을 사용하는 문제 등은 현재 상용화를 위한 수소연료전지 자동차의 한계이다.본 논문에서는 급속하게 시장이 형성되고 있는 연료전지에 대한 개발의 필요성 및 개념 정리로 연료전지에 대한 이해도를 높였으며, 연료전지 자동차 발전동향 및 시장전망에 대해 각 국가간의 제도적, 환경적 측면에서 접근하였다. 또한 현재 각국 상용차 기업들의 연료전지 자동차 개발 상황과 각 국가들의 특허 출원을 통해 현재 기술 수준과 연료전지 자동차 시장 전망을 예측 할 수 있었다.