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KS C 8569 기반의 연료전지시스템 성능평가 및 그 운영에 관한 고찰
차정은(Jung-Eun Cha),이남진(Nam Jin Lee),최영우(Young-Woo Choi),윤영기(Young Ki Yoon),김원배(Won Bae Kim) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4
연료전지는 수소와 산소로부터 전기화학 반응을 통해 직접 전기를 생산하는 발전장치로, 연료전지 시스템은 연료전지 스택, 연료변환기, 주변기기(MBOP: Mechanical Balance of Plant, EBOP: Electrical Balance of Plant) 및 제어기술을 포함한다. 연료전지 보급이 확대되면서, 안전과 성능 검증을 위한 표준이 요구되었으며, 이에 따라 표준서 KS C 8569는 2015 년 고분자연료전지(PEMFC) 시스템에 대하여 KS 제정을 시작으로 2019 년에는 직접 메탄올 연료전지(DMFC)시스템을, 2020 년에는 고체고분자연료전지(SOFC)시스템을 포함함으로써 현재의 표준서가 완성되었다. KS C 8569는 발전효율, 열효율, 기동/정지 특성, 부하변동 등을 포함하는 성능평가와 온도상승, 절연, 계통 보호, 내전기환경시험 등의 안정성 평가, 그리고 배출가스, 소음측정 등 환경성 평가로 구분되며, 총 49 개 상세항목으로 구성되어 있다. 초반 4 개 기업의 정지형, 즉 건물용 PEMFC 연료전지시스템의 KS 인증을 시작으로 현재 SOFC까지 포함하여 13 여개 기업으로 확장되었다. 또한, 초반에 1 kW 급 이하의 시스템이 대부분이었으나 2017 년 이후부터는 5 kW이상, 최근에는 10 kW 시스템이 주력을 이루고 있다. 하지만, 지금의 표준서는 기존의 정지형에서 이동형을 결합한 것으로 평가내용이 혼재되고, 이동형의 기본성능 (직류), 내열, 충격, 진동, 냉온 등의 안전성 검사 기준이 미흡하다. 또한, 정지형의 경우 10kW 급 이하로 규정되어 있어서 100 kW 이하의 과도기적인 시장 제품에 적합하지 못하다. 따라서, KS C 8569를 재정비하고, 국제표준과의 부합화를 통하여 국내 연료전지 산업 육성과 더불어 수출전략 고도화 가능성을 모색해야한다. The fuel cell is one of the power generating systems converting the chemical energy of hydrogen and oxygen into electricity through a pair of redox reactions, which mainly consists of a fuel reformer, cell stack, and an inverter. With the expansion of the supply of fuel cell systems, test standards and certifications have been required to verify the safety and performance of fuel cells. Starting with KS certification for polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) systems in 2015, KS C 8569 has been completed by including direct methanol fuel cell (DMFC) systems in 2019 and solid oxide fuel cell (SOFC) systems in 2020. This certification is divided into the performance assessment including power generation efficiency, thermal efficiency, start-up/shut-down characteristics, stability evaluation for the increase in temperature, electric resistance test, and the environmental assessment such as emissions and noise measurements. Initially, four fuel cell system manufacturers obtained KS certification for the stationary system, and now it has been expanded to a total of 13 companies including SOFC and DMFC system manufacturing companies. Besides, most of the systems were 1 kW or lower in the beginning, however since 2017, the capacity has increased to 5 kW or higher, and 10 kW systems have recently become the main focus. However, this standard has been revised to add the mobile fuel cell system standard to the existing stationary fuel cell standard, which lacks basic performance (direct current), heat resistance, shock, vibration, cold and hot tests that conform to the mobile fuel cell system standard. In addition, stationary fuel cell systems are not suitable for transition market products under 100 kW because they are defined as less than 10 kW. Accordingly, KS C 8569 should be reviewed to suit international standards and transitional market products to promote the domestic fuel cell industry and seek the possibility of upgrading its export strategy.
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소용량 건물용 연료전지시스템 블로워의 가혹조건 평가에 관한 연구
김강수(Kangsoo Kim),이덕권(Deokkwon Lee),이정운(Jungwoon Lee),김은정(Eunjung Kim),김인찬(Inchan Kim),김영규(Younggyu Kim),신헌용(Hunyong Shin) 한국가스학회 2012 한국가스학회지 Vol.16 No.6
연료전지는 우수한 도시가스 인프라로 안정적인 에너지공급이 가능하고, 연료 다변화가 가능한 신에너지 기술이다. 연료전지 상용화를 위해 시스템의 성능 및 신뢰성뿐만 아니라, 가격의 저감이 필수적이다. 소용량 건물용 연료전지시스템에서 가격비중이 매우 높은 보조기기의 가격저감 연구의 일환으로, 국내 제작된 블로워의 안전 성능을 평가하고 개선방향을 모색하고자 하였다. 본 연구에서는 실제 연료전지시스템의 작동환경과 가장 유사한 환경에서 블로워의 성능 및 가혹조건 평가를 수행하였다. 블로워를 70℃ 온도조건에서 장기 가동 시 유량성능, 기밀성능 및 열적거동의 상관관계를 파악하여, 블로워의 성능 저하에 영향을 미치는 모터열화, 다이어프램 재질 및 토출구 구조 등의 주요인자를 도출하였다. The fuel cell is one of the renewable energy sources. And it is a new source of energy that can be applied to various fuels and continuously supported by the excellent city-gas infrastructure. It is important to improve performances and reliabilities, and reduce the cost of fuel cell systems for commercialization. And, some safety performances of blower domestically produced are evaluated and some improvements are researched to save the cost of fuel cell systems. In this paper, the performance and worst stress condition of blowers are evaluated in operating environment similar to the fuel cell systems. Actually, the correlation of flow, leakage and thermal behavior are evaluated in the worst stress condition at 70℃ and, some major factors of blower degradation such as a motor deterioration, material and structures of the outlet are examined.
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Hyun, D.S.,Hwang, H.J.,Kim, D.U.,Hwang, S.,Yun, Y.H.,Oh, B.S. Pergamon Press ; Elsevier Science Ltd 2013 INTERNATIONAL JOURNAL OF HYDROGEN ENERGY - Vol.38 No.21
When installed in stationary fuel cell/battery hybrid systems, sealed nickel-metal hydride (Ni-MH) battery packs have low rates of charging behavior at high temperatures. They can also be charged with surplus power from fuel cell system when they are part of a small-capacity fuel cell/battery hybrid system. Test results indicate that when subjected to high temperatures and low rates of charging current, a Ni-MH battery experiences a sharp reduction in discharge capacity but does not experience an increase in voltage. To solve these problems, we have applied a new charging algorithm based on this pulse charging method to a Ni-MH battery. The pulse charging method reduces the charging time by 2 hrs and has a charging efficiency of over 97%. The charging current factor (β) in this pulse charging method should influenced the controlling the charging rate to the battery with applied voltages. The results show a 27% increase in efficiency with the new charging method compared to the system efficiency of the conventional constant-voltage charging method. Such a pulse charging method is expected to increase the lifespan of a Ni-MH battery by inhibiting gas generation.
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김민석(Kim, Minseok),이선호(Lee, Sunho),전희권(Jun, Heekwon),배준강(Bea, Junkang) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
For stationary 1kW-class fuel cell systems to be used widely, it is essential to achieve dramatic improvements in system durability as well as cost reduction. In order to address this engineering challenge, it is important to develop innovative technologies associated with BOP components. According to this background, in 2009, the Korean Government and Korea Institute of Energy Technology Evaluation and Planning(KETEP) launched into the strategic development project of BOP technology for practical applications and commercializations of stationary fuel cell systems, named Technology Development on Cost Reduction of BOP Components for 1kW Stationary Fuel Cell Systems to Promote Green-Home Dissemination Project. The objectives of this project are to develop fundamental technologies to meet these requirements, and to improve the performance and functionality of BOP components with reasonable price. The project consortium consists of Korea's leading fuel cell system manufacturers, BOP component manufacturers which technologically specialized, and several research institutions. This paper is to provide a summary of the project, as well as the achievements made through the 1st period of the project(2009~2010). Several prototypes of BOPs - Cathode air blowers, burner air blowers, preferential oxidation air blowers, fuel blowers, cooling water pumps, reformer water pumps, heat recovery pumps, mass flow meters, valves and power conditioning systems - had been developed through this project in 2010. As results of this project, it is expected that a technological breakthrough of these BOP components will result in a substantial system cost reduction.
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이정운 ( Jung Woon Lee ),김영규 ( Young Gyu Kim ) 한국공업화학회 2011 공업화학전망 Vol.14 No.2
안전이란 위험 원인이 없는 상태 또는 위험 원인이 있더라도 인간이 위해를 받는 일이 없도록 대책이 세워져 있고, 그런 사실이 확인된 상태를 의미한다. 단지, 재해나 사고가 발생하지 않고 있는 상태를 안전이라고는 할 수 없으며, 잠재 위험의 예측을 기초로 한 대책이 수립되어 있어야만 안전이라고 할 수 있다. 그동안 수소·연료전지 분야의 기술개발 연구와 보급에 막대한 비용을 집중적으로 투자하여 왔으나, 그 반면에 안전기술에 대한 연구 투자는 상대적으로 저조하여 제품상용화를 위한 상호 연계성이 제한적인 실정이다. 기술개발, 안전, 교육·홍보 등의 각 요소가 상호연계 될 때 연료전지에 대한 국민의 수용성을 높여주어 연료전지의 보급 및 산업화가 촉진될 것이다. 이러한 시점에서 여러 신재생에너지원 중 에너지 지속성이 가장 우수한 연료전지의 빠른 기술개발 속도에 발맞추어 건물용 연료전지시스템의 안전에 대한 필요성과 대책이 요구되어진다. 본고에서는 국내 건물용 연료전지시스템의 안전에 대한 필요성 및 국내 안전기술 개발현황에 대하여 기술하고자 한다.
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1kW급 건물용 연료전지시스템 블로워의 안전성능 평가방법에 관한 연구
이정운(Lee, Jungwoon),서원석(Seo, Wonseok),김영규(Kim, Younggyu) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06
우리나라는 기후변화 대응을 준비하기위해 2008년도에 수립한'국가에너지기본계획(2008-2030)'에 따라 2030년까지 신재생에너지 비중을 2.4%에서 11%까지 달성을 목표로 정하고 신재생에너지 분야를 성장시키기 위해 국가기술개발 및 산업화 전략을 수립해 추진하고 있다. 이에 발맞추어 건물용 연료전지시스템의 경우, 2006년도부터 1kW급 가정용 연료전지시스템 모니터링 사업의 일환으로 3년간 210대가 도시가스사 및 지자체 등을 중심으로 설치되어 운전되어지고 있다. 특히, 2010년부터 시범보급사업이 추진되어 올해 200대를 시작으로 2011년에 300대, 2012년에 500대가 일반가정에 보급되어질 예정이다. 하지만 현재 6천만원인 연료전지시스템 가격을 실제 보급가능한 가격인 5백만원 이하로 저감시키는 것이 현 시점에서 가장 시급한 문제로 대두되어지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 그린홈 보급확대를 위한 건물용 연료전지의 보조기기인 블로워의 가격저감을 위한 연구의 일환으로 블로워의 안전성능 평가방법을 개발하여 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 평가방법을 제시함으로서, 국내 블로워 제조사의 설계방향을 제시하고 연료전지시스템의 안전성을 확인하고자 한다. 특히, 내구성, 기밀, 가혹조건시험 및 소음, 진동, 습도, 온도와 같은 내주위환경시험 등의 평가결과를 제조사에 feedback하여 안전성능 개선에 이바지하고자 한다.
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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.
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