기술자립형 5kW급 건물용 연료전지시스템 안전성능 평가

이정운(Lee, Jungwoon),김영규(Kim, Younggyu) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

최근 국내에서 발생된 대규모 정전사태로 인해 안정적인 전력공급에 대한 국민들의 요구가 커져, 지난 3월 일본 후쿠시마 원전사고 이후 다시 한번 분산전원에 대한 필요성이 대두되어지고 있다. 여러 분산전원 중 연료전지는 다른 에너지원에 비해 에너지의 지속성이 우수하여 가장 안정적인 분산전원 형태의 하나이다. 이에 따라 국내의 경우 우수한 도시가스 인프라로 인해 건물용 연료전지라는 신기술에 대한 국민의 수용성은 점점 높아질 것으로 기대된다. 현재 건물용 연료전지의 경우, 주로 1kW급 연료전지가 시범보급되어 각 가정에 설치되어지고 있으나, 상가, 주유소 및 편의점 등의 상업시설과 생활관 및 소형빌라 등의 집단 주거시설 같은 1kW급 보다 용량을 더 필요로 하는 응용처에 국내에서 개발된 5kW급 연료전지시스템이 적용되어지기를 기대한다. 본 연구에서는 국내 제작된 5kW급 고분자전해질 연료전지시스템의 보급이전에 안전성능 평가를 통해 시스템의 성능 및 안전성 평가결과를 제조사에 피드백 하여 5kW급 건물용 연료전지시스템의 조기 상업화에 앞장서고자 한다. 5kW급 연료전지시스템의 기술개발은 핵심부품인 연료변환기, 스택 및 BOP 기술의 경우 1kW급 연료전지시스템에 적용된 것과는 다른 기술이 필요하고, 단순한 scale-up 과정이 아닌 새로운 기술개발로 제품에 적용시켜야 하는 난점을 가지고 있다. 특히, 연료변환기의 경우 연료 유량의 증가로 인하여 reformer, CO shift 및 Prox 반응기의 유체역학, 열교환 흐름 및 촉매반응 공학적으로 이론을 응용한 새로운 반응기 설계와 제작기술 확립이 선행되어 전체적인 시스템 제작 설계에 반영되어져야 한다. 그러므로 본 연구에서는 연료전지시스템 안전성능 평가를 위해 용량증대에 따른 안전성평가 항목을 검토하고, 5kW급 연료전지시스템평가를 수행하여 시스템의 제품성능, 작동성능 및 계통연계성능에서의 안전성을 확인하였고, 정전 유풍과 같은 이상조건 및 실외 환경에 대한 시스템의 안전성도 확인하였다. 또한 부하운전 조건을 75% 및 50%로 변화시켰을 때 빠른 응답시간과 안정적인 부하변동운전을 확인하였다.

2차원 정상상태 모델을 이용한 고분자전해질형 연료전지의 수소 재순환의 영향

정현석(Chung, Hyun-Seok),하태정(Ha, Tae-Jung),김효원(Kim, Hyo-Won),조성우(Cho, Sung-Woo),한종훈(Han, Chong-Hun) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.11

고분자전해질형 연료전지의 구조 및 구성품의 물성에 따른 성능 및 물이동 현상에 관해서 많은 연구가 진행되고 있다, 이들 연구는 대체적으로 연료 전지의 BOP(Balance of plant)를 포함하는 연료전지 시스템에 관한 연구 보다는 단위 전지 및 스택에 관한 연구에 국한되어 왔다. 연료전지의 시스템에 관한 연구들 또한 세부적인 연료전지 내부의 거동에 대해서는 고려하지 않고 있었다. 이는 연료전지의 상세 모델을 이용해 연료전지 시스템에 대해 접근하기 보다는 시스템의 성능 및 동특성에 대한 연구가 주를 이루었기 때문으로 생각된다. 본 연구에서는 연료전지 음극의 수소 배출가스를 재순환할 경우 연료전지 내부에서의 거동에 미치는 영향에 대해 2차원 정상상태 모델을 이용하여 분석해 보았다. 또한 재순환된 수소에 의한 연료전지 내부 거동의 변화 및 수소 이용율 상승 효과를 연료 전지 성능과 함께 비교해 보았다 이를 위해 2차원 정상상태 모델을 개발하였고 이를 실험을 통해 검증하는 작업을 수행하였다. 여기에 사용된 연료전지 모델은 Gore社 의 PRIMea^{(R)}을 사용한 연료전지의 성능을 잘 예측하고 내부의 유동 및 물이동 현상에 관한 정보를 제공한다. 이는 여러 하이브리드 자동차용 연료전지 시스템이 연료전지 배출가스의 재순환을 고려하고 있는 상황에서 연료전지 작동 조건의 최적화에 유용한 정보를 제공 할 수 있다는 의의를 가진다.

1kW급 건물용 연료전지시스템 블로워의 안전성능 평가

이정운(Lee, Jungwoon),김영규(Kim, Younggyu) 한국신재생에너지학회 2011 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.05

세계 각 국에서는 선진국을 중심으로 기후변화와 치솟는 유가에 대응하기 위하여 다양한 에너지원의 확보를 위해 부단히 노력하고 있다. 특히, 신재생에너지원 중 에너지 지속성이 가장 우수한 연료전지의 경우 1kW급 건물용 연료전지시스템이 도시가스 인프라가 가장 우수한 한국 및 일본을 중심으로 상용화에 가장 근접해 있는 실정이다. 일본의 경우 가정용 연료전지시스템 '에너팜'의 일부 제품이 올해부터 200만엔대로 가격을 내려 보급되어질 예정이고, 아직은 경제성이 떨어지지만 연료전지 조기 상용화를 위해 시스템 가격저감을 통한 기술개발이 한창이다. 또한 700W급 고체산화물형 연료전지시스템을 세계에서 처음 시판 계획을 가지고 있다. 국내의 경우 2009년도부터 시작된 '그린홈 보급확대를 위한 건물용 연료전지 보조기기 가격저감 기술개발'연구를 통해 블로워, 밸브, 유량계 및 펌프 등의 보조기기의 단가를 낮추고자 기술개발에 박차를 가하고 있다. 이에 따른 연료전지 부품 가격저감 기술이 국내 건물용 연료전지 시장보급의 활력소가 되기를 기대한다. 본 연구에서는 건물용 연료전지의 보조기기인 블로워의 가격저감을 위한 연구의 일환으로 블로워의 안전성능 평가를 통한 보조기기의 가격저감 및 안전성을 확보하고자 한다. 1kW급 건물용 연료전지시스템의 여러 블로워 중 도시가스용 연료승압 블로워, 선택산화 공기 블로워, 버너 공기 블로워 및 캐소드 공기 블로워의 안전성능 평가를 수행하였고, 평가결과의 공유를 통하여 국내 블로워 제조사의 설계방향을 제시하고 연료전지시스템의 안전성을 확인하고자 한다. 특히, 내구성, 기밀, 가혹조건시험 및 소음, 진동, 습도, 온도와 같은 내주위환경시험 등의 평가결과 비교를 통하여, 연료전지 부품 인증기준을 재정립하여 연료전지 부품산업의 조기 활성화를 도모하고자 한다.

막전극접합체의 물리적 손상이 고분자연료전지 특성에 미치는 영향

임수진(Lim, Soo-Jin),박구곤(Park, Gu-Gon),박진수(Park, Jin-Soo),박석희(Park, Seok-Hee),윤영기(Yoon, Young-Gi),이원용(Lee, Won-Yong),이영무(Lee, Young-Moo),김창수(Kim, Chang-Soo) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.11

고분자전해질연료전지의 효율과 수명은 고분자 전해질 막과 밀접하게 관련되어있다. 연료전지 상용화를 위해 내구성과 안정성은 반드시 확보되어야 한다. 본 연구에서는 고분자전해질연료전지용 막전극접합체에 대해서 제작과정, 체결과정 및 운전 중에 발생할 수 있는 물리적 손상이 연료전지에 미치는 영향을 알아보고자 하였다. 실제 고분자전해질연료전지 조건에서 구멍이 생기는 경우를 모사하기 위해 막전극접합체에 다양한 크기 및 형상의 물리적 손상을 형성시켰다. 또한 여러 위치에서의 손상도 비교하였다. 손상시킨 막전극접합체에 대해 단위전지 성능평가와 순환전압전류 실험을 비교 분석하였다. 막전극접합체의 결함이 커질수록 수소기체투과도는 증가하고, OCV와 성능은 감소하였다. 또한 성능과 수소기체투과도는 서로 관련이 있음을 알 수 있었다.

튜브형 고분자전해질 연료전지와 일회용 수소발생소자를 결합한 미세유체소자용 전원공급소자

김광호(Kwang-Ho Kim),서영호(Young Ho Seo),김병희(Byeong Hee Kim) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.7

본 연구에서는 미세유체소자의 전원소자로 적용하기 위한 일회용 수소발생소자와 튜브형 고분자전해질 연료전지로 구성된 일회용 전원소자에 관한 것이다. 튜브형 고분자전해질 연료전지는 1.52 ㎜의 직경을 가지며, 수소발생소자는 알루미늄과 5M 수산화나트륨의 반응을 통해 수소를 발생시켜 튜브형 고분자전해질 연료전지로 공급하게 된다. 단위 튜브형 고분자전해질 연료전지는 순수한 수소에 대해여 0.81V 의 개방전압과 0.35V 에서 16.4 ㎽/㎠의 최대전력밀도를 나타내었으며, 수소발생기는 15 분 동안 11.6 ㎖의 수소를 생성하였다. 튜브형 고분자전해질 연료전지와 수소발생기가 결합된 일회용 전원소자는 아무런 주변장치 없이 10 분 동안 1.06 ㎽ (0.46V)의 일정한 전력을 발생하였으며, 3 개가 직렬로 연결된 고분자전해질 연료전지는 10 분 동안 LED(2.5 ㎽@1.8V)를 동작시켰다. This paper presents a disposable power generator for microfluidic devices; the power generator has a tubular PEMFC and a H₂ generator. The tubular PEMFC has a tubular MEA (diameter: 1.52 ㎜) that is supported by a spiral wire electrode. The H₂ generator supplied H₂ to the tubular PEMFC; H₂ was generated via the reaction of Al foil (27 ㎎) and 5 M NaOH (0.12 ㎖). The open circuit voltage and power density of a unit cell of the tubular PEMFC were 0.81 V and 16.4 ㎽/㎠ (0.35 V), respectively. The H₂ generator generated 11.6 ml H₂ for 15min. The power generator was continuously operated for 15 min at 0.64 ㎽ (0.71 V) and for 10 min at 1.06 ㎽ (0.46 V). We experimentally verified that it is feasible to use the proposed power generator as a power source for microfluidic devices; in the experiment, an LED (2.5 ㎽; 1.8 V) was lit for 10 min by using three serially connected TPEMFCs and one H₂ generator.

LSTM을 이용한 고분자전해질 연료전지의 상태 예측 모델 개발

김경현(Kyunghyun Kim),김재연(Jaeyeon Kim),박태현(Taehyun Park),송창희(Changhee Song),심규환(Gyuhwan Sim),차석원(Suk Won Cha) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6

고분자전해질 연료전지 시스템에서 Cathode에서 생성된 물이 고여서 전극의 기공을 막게 되는 Flooding과 막 내부의 수분이 낮아져서 수소 이온 전도도가 감소 되는 Drying이 존재한다. 위 두 현상은 연료전지 성능 저하 및 내구도 저하에 크게 기여하기 때문에 미리 예측하여 발생을 저지시켜야 한다. 하지만 Flooding과 Drying에 관한 판단 지표가 명확하지 않기에 연료 전지시스템의 현재 및 미래 상태에 대한 예측에 어려움이 있다. 본 연구에서는 Flooding과 Drying이 발생할 때 연료전지의 상태 및 작동 조건에 대한 데이터를 축적하기 위해 연료전지 샘플 셀을 제작하고, 실험 프로토콜을 구축하여 테스트를 진행한다. 유로 가시화 기술을 통해 Flooding과 Drying의 발생 여부를 판단하고, 레이블링과 Feature 생성 등 데이터 전처리 알고리즘을 개발하여 지도학습(Supervised Learning)을 위한 데이터 베이스를 구축한다. 축적된 지도학습 데이터를 기반으로 시계열 문제에 효과적인 LSTM(Long Short-Term Memory)의 심층인공신경망 모델을 활용하여 Flooding 및 Drying 진단 및 예측 모델을 개발한다. 예측 정확도 향상을 위해 Feature engineering 및 기계학습의 하이퍼 파라미터 최적화를 수행한다.

공기극과 연료극의 복합 황불순물에 의한 고분자 전해질막 연료전지의 성능에 미치는 영향

이수(Soo Lee),진석환(Seok-Hwan Jin) 한국유화학회 2012 한국응용과학기술학회지 Vol.29 No.4

고분자 전해질막 연료전지는 연료극의 연료와 공기극의 공기에 각각 H2S와 SO2이 포함되어 있을 때 그 성능이 심각하게 감소한다. 본 연구는 고분자전해질막 연료전지의 공기극과 연료극에 1 ppm에서 10 ppm의 불순물 가스를 공급하여 전기적 성능측정을 통해 복합적인황불순물이 단위전지에 미치는 영향을 확인하였다. 최적의 운전조건에서 불순물가스를 피독하였을 때 SO2와 H2S의 농도가 증가할수록 성능이 급격히 감소하였다(단위전지 온도 65 ℃, 상대습도 100%). 그리고 황의 흡착은 MEA의 백금 촉매층 표면서 일어나며, 불순물 가스가 MEA에 누적되는것을 확인하였다. 1, 3, 5, 및 10 ppm 4회의 연속적인 피독 후 연료전지의 성능이 0.71 V에서 0.54V(76 %)로 감소하였다. Polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) performance degrades seriously when sulfur dioxide and hydrogen sulfide are contaminated in the fuel gas at anode and air source at cathode, respectively. This paper reveals the effect of the combined sulfur impurity poisoning on both PEMFC cathode and anode parts through measuring electrical performance on single FC operated under 1 ppm to 10 ppm impurity gases. The severity of SO2 and H2S poisoning depended on concentrations of impurity gases under optimum operating conditions(65℃ of cell temperature and 100 % relative humidity). Sulfur adsorption occured on the surface of Pt catalyst layer on MEA. In addition, MEA poisoning by impurity gases were cumulative. After four consecutive poisonings with 1, 3, 5 to 10 ppm, the fuel cell performance of PEMFC was decrease upto 0.54 V(76 %) from 0.71 V.

체결압이 고분자연료전지 가스확산층에 미치는 영향

안은진,윤영기,박구곤,박진수,이원용,한학수,김창수 한국수소및신에너지학회 2006 한국수소 및 신에너지학회논문집 Vol.17 No.3

분자전해질연료전지 내의 다공성 기체확산층은 반응가스의 확산과 전자이동통로의 역할을 수행할 뿐만 아니라 전기화학반응에 의해 공기극에서 생성된 수분(기상 혹은 액상)을 반응면으로부터 분리판 채널 방향으로 이동시켜 배출시키는 중요한 역할을 한다. 따라서 물관리를 통한 성능향상을 위해서는 기체확산층의 구조 및 재료특성에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다. 실제 단위전지 체결시 기체확산층은 분리판의 리브(rib)에 의해 눌리게 되며, 그 부분의 기공 크기 분포의 변화를 야기한다. 또한 리브 전단부분에서 탄소 섬유가 손상을 입으며, 탄소 섬유를 감싸고 있는 PTFE coating이 벗겨지게 되어 표면화학적 특성이 달라진다. 본 연구에서는 단위전지 체결 시 분리판에 의해 눌리는 기체확산층의 기공 크기 분포 변화를 측정하였으며, 기공의 소수성에서 친수성으로의 변화를 알아보았다. Mercury 기공 측정기와 PMI 기공 측정기는 큰 기공 분포의 변화에, 질소의 흡/탈착을 이용한 BET 방식은 작은 크기의 기공 분포 변화 관찰에 사용되었다. 체결압에 의한 탄소섬유의 구조적 변화와 아울러 표면의 습윤 정도의 변화를 XPS와 물/알콜 uptake를 이용해 알아보았다. 이 연구를 바탕으로 물관리를 통한 연료전지 성능 향상을 위한 최적 GDL 선정에 기반이 되는 자료를 도출하였다.

막가습기와 공기극 재순환을 사용한 고분자 전해질 연료전지의 가습특성 해석

변수영(Su Young Byun),김범준(Beom Jun Kim),김민수(Min Soo Kim) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集B Vol.35 No.4

고분자 전해질막 연료전지에서 공급 기체의 가습은 연료전지의 효율과 수명 향상 측면에서 필수적이다. 기존의 고분자 전해질막 연료전지의 가습 방법으로 물 분사나 막가습기, 엔탈피 휠 등이 사용되었다. 하지만, 이러한 외부 가습 방법은 시스템 부피를 크게 하고 고출력 구간에서 가습량이 부족한 단점이 있다. 가습 장치의 효율과 전체 연료전지 시스템 효율을 높이려면, 연료전지의 고온다습한 배출기체로부터 열과 수분을 회수할 필요가 있다. 본 연구에서는 연료전지의 고온다습한 배출공기를 재순환하여 공급공기를 1 차로 가습하고 소형의 막가습기로 2 차 가습하는 복합가습에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 그리고 최적의 가습 시스템 설계를 위한 새로운 방법을 제안하였다. The humidification of reactant gases is crucial for efficiently operating PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell systems and for improving the durability of these systems. The recycle of the energy and water vapor of exhaust gas improves the system performance especially in the case of automotive application. The available humidification methods are steam injection, nozzle spray, humidification by enthalpy wheel, membrane humidifier, etc. However, these methods do not satisfy certain requirements such as compact design, efficient operation and control. In this study, a hybrid humidification system consisting of a membrane humidifier and exhaust-air recirculation units was developed and the humidification performance of this hybrid humidifier was analyzed. Finally, a new practical method for optimal design of PEM?fuel-cell humidification system is proposed.

퍼지를 이용한 연료전지 시스템의 온도제어

Fei-Fei Qin,Ya-Xiong Wang,Young-Bae Kim 대한기계학회 2015 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.춘계 No.-

고분자 전해질 연료전지의 열관리는 연료전지 작업 효율을 향상시키고 수명을 연장시키기는 매우 중요한 역할을 한다. 스택 온도가 너무 낮으면 전기 화학 반응의 속도가 늦어지고 반응에 의해 생성되는 물의 증발을 방해 한다. 그러나, 너무 높으면 온도는 촉매 낭비, 열 손실, 폐기물 방출 등 연료 전지의 수명을 줄인다. 본 논문은 고분자 전해질 연료전지(PEMFC) 열 관리를 위한 연구이다. 우선, 연료전지의 열역학 이론에 기초하여, MATLAB / Simulink를 통해 연료전지의 동적 모델을 만들었다. 실험을 통해 수학적인 시뮬레이션 모델링을 검증했다. PEMFC 동적 모델에 기초하여, 본 연구는 퍼지 논리 전략을 통하여 열 관리 제어 시스템을 설계 하였다. 이상적인 온도(PEMFC 효율 최적의 온도 곡선)와 스택 실제 온도의 오차, 그 오차의 미분 항, 및 외부 간섭 조건 전류(PEMFC 현재 스택)로 퍼지 제어기의 입력으로 구성 되었으며, 제어기의 출력은 냉각 팬의 제어전압이다. 본 연구는 열 관리를 위한 처음으로 외부 간섭 조전, 즉, 스택 전류를 제어기에 도입하여 복잡한 한 퍼지 제어기를 만들었다. 3차원 퍼지 제어기는 간단한 퍼지 제어기를 통해 발생한 정적 오류를 줄일 수 있다. 뿐만 아니라 제어 최적화 성능을 향상시켰다. 퍼지 논리 제어방법을 통해 연료전지 열 관리를 빠른 응답 시간과 작은 오차의 오버 슈트를 얻을 수 있다. 즉, 더 효율적으로 제어 성능을 향상시켰다.