솔라모듈 광원에 따른 수소발생과 수소연료전지 최적화 연구 = Research on hydrogen generation and hydrogen fuel cell optimization according to solar module light source

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In water electrolysis facilities for hydrogen production, the alkalinity of the electrolyte and the electrode material were found to play key roles as major factors.
In the study of electrode materials, transition metals such as Ru or Ir coated with titanium (Ti) were able to prevent overvoltage during hydrogen generation in the electrolytic cell. In addition, they were found to be contributing factors to the increase in hydrogen generation due to the rise in current density.
The short-circuit current under a fluorescent lamp (300W) and a filament lamp (300W) light source was observed to be 700mA and 680mA, respectively, when the resistance was R=0. In addition, for the solar module without power consumption, the open-circuit voltage varied depending on the light source, showing approximately 2.15V and 2.06V.
The Maximum Power Point (MPP) is a factor that determines the maximum power of a light source. When a filament light source was used, at an incident distance of 20 cm, the voltage was 1.92V, and the power generated was 930mA. At a light source distance of 30 cm, when the voltage was 1.98V, the MPP appeared at 667 mA.When the light source is closer and the light intensity is strong, the point at which the MPP appears shows a higher current at a lower voltage.
Under the condition of a 20cm incident distance of the light source, the fluorescent lamp showed a maximum power point (MPP) at 1.67V. In addition, the filament light source exhibited a maximum power point (MPP) at 1.82V.
The current flow according to the angle of incidence of the light source was 780 mA at 0°for the fluorescent source, and 686 mA for the filament. When the angle of incidence of the light source was 90°, the current flow appeared to be close to 0mA.
At a light source distance of 40cm, the current flow of the fluorescent lamp was 680 mA, and the filament was 615mA. In addition, when the distance of the light source was increased to 120cm, it was found to be inversely proportional to the square of the distance.
The type and intensity of the light source for hydrogen production affect the current flow in the electrolyzer for hydrogen production. Therefore, when using a fluorescent light source, the current flowing at the maximum voltage of 1.92V was 2650 mA. Additionally, it was observed that no current flowed in the electrolysis facility at voltages below 1.3V.
As a result of using a filament light source, the current flow at the maximum voltage of 1.92V was lower than that of the fluorescent light.
The productivity efficiency of hydrogen generation is expressed by Faraday efficiency. In the case of a filament light source, it exceeded 99% at 1.6V. For a fluorescent light source, the Faraday efficiency exceeded 98% at 1.72V. Therefore, voltage control was found to be critical for commercially and economically optimal conditions.
In the connection conditions of fuel cells in series and parallel, the open-circuit voltage was 0.92V in the case of series and appeared at 1.67V in the parallel connection. Therefore, in the operating state of series fuel cells, the optimal current flow was found to be appropriate at 1150mA.
The power consumption P(W) of a fuel cell is determined by the values of current and voltage. Therefore, when the load resistance is 0.5, the hydrogen consumption of the fuel cell is approximately 27.8ml under a current flow condition of 1,150mA, and when the load resistance is 1, the consumption is 44.6ml at a current of 1,850mA.

국문 초록 (Abstract)

수소 발생을 위한 수전해 실험에서 전극 재질로 적용되는 것 중 루테늄(Ru)이나 이리듐(Ir)에 티타늄(Ti)을 코팅한 전이금속류들은 수소 발생 시 과전압을 방지할 수 있었고, 전류밀도 상승으로 다른 전극 재질과 비교하여 수소 발생에 주요한 인자로 나타났다.
수전해 시설에서 전해질의 알칼리도가 증가할수록 전류밀도가 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다.
수소 발생의 에너지원으로 사용하는 태양전지의 효율을 평가하기 위해서 솔라모듈에서 광원의 입사거리가 30cm인 경우 형광램프(300w)와 필라멘트 램프(300w)에서 나타나는 단락전류는 R=0되도록 단락시킨 조건에서, 단락회로전류는 각각 700mA와 680mA로 흐를 때, 솔라모듈에서 전력 소모가 없는 개방회로전압이 약 2.15V와 2.06V로 나타났다,
광원 종류에 따라 최대전원점(MPP)은 광원의 최대전원을 나타낼 수 있는 지점을 결정하는 인자이다. 광원의 종류가 필라멘트는 거리가 20cm인 경우 전압이 1.92V이며, Power는 930mA로 나타났다. 광원 거리가 30cm인 경우 전압이 1.98V이고, MPP가 667mA에서 나타났다. 광원의 거리가 낮고, 빛의 세기가 강한 경우 MPP가 나타나는 지점은 전압이 낮을 때 더 높게 나타났다.

형광과 필라멘트 광원에 따른 입사거리 20cm의 조건에서 형광원을 사용한 경우 1.67V에서 최대전원점(MPP)이 나타났고, 필라멘트의 경우 1.82V에서 최대전원점(MPP)이 나타났다.
형광 광원과 필라멘트 광원에 따라 태양전지에 입사되는 각도를 20°에서 90°까지 조절하면서 전류 흐름을 측정한 결과 광원이 입사되는 각도가 증가할수록 전류의 흐름이 감소하였고, 입사각 0도에서 광원에 따라 각각 780mA와 686mA이었고, 직각인 90에서 전류의 흐름이 0mA에 가깝게 나타났다.
광전류 흐름은 광원거리가 40cm인 경우 측정한 결과 형광원은 680mA이고, 필라멘트는 615mA로 나타났다. 따라서, 광원간의 거리를 120cm까지 증가시키는 경우 광원거리 제곱에 반비례하는 것으로 나타났다.
수소 생산을 위한 수전해 시설과 연계한 경우 형광을 광원으로 사용한 경우 최대 1.92V에서 전해조의 전류는 2650mA로 나타났고, 1.3V이하에서 전해조의 전류는 흐르지 않은 조건으로 나타났다. 필라멘트의 광원을 사용한 경우 최대로 1.92V에서 전해조의 전류를 측정한 결과 형광 광원보다 낮게 나타났다.
수전해 시설에서 수소 발생에 영향을 미치는 인자는 전류 흐름이다. 형광과 필라멘트의 광원 거리가 30cm에서 적정전압 1.6V 조건에서 수소 발생량은 운전 시간과 전류 흐름 증가에 따라 비례적으로 증가하였다. 이러한 조건에서 형광원의 경우 수소 발생이 19.2ml와 필라멘트 광원에서는 17.4ml가 발생하는 것으로 나타났다.
필라멘트의 광원에서 입사거리가 30cm인 경우 전류밀도가 840mA이었고, 40cm인 경우 전류밀도가 760mA 및 50cm인 경우 전류밀도가 50cm일때, 680mA로 나타났다. 이와 같은 조건에서 수전해 시설의 운전시간이 180sec인 경우 인가전압을 1.3V에서 1.92V까지 조절하여 공급한 경우 거리가 짧을수록 전류흐름이 증가하였고, 이에 따라 수소 발생은 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다.
수소 발생의 생산성 효율 평가는 패러데이 효율에 정의되어 진다. 따라서, 필라멘트 광원의 경우는 1.6V에서 99%이상 나타났고, 형광원인 경우 1.72V일 때 98%이상 나타남으로서 가장 경제적이고, 운전 시 최적 조건을 위한 운전인자는 전압 조절이 중요한 인자로 나타났다.
전해 시설에서 전해질의 알칼리도 0.1-1%범위에서는 인가전압 1.60V인 경우 전류밀도가 850mA인 상태에서 전해질의 농도가 높은 경우 동일한 인가전압에서 운전시간이 더 적은 구간에 패러데이 효율이 92% 이상이었고, 이에 따라서 패러데이 에너지 효율은 상업적으로 만족하는 값으로 나타났다.
수전해 시설에서 전극 재질에 따른 수소 발생의 효율성의 평가를 위해서 운전시간 180sec, 인가전압 1.6V, 광원의 전류밀도 840mA의 조건에서 운전한 결과 전류밀도 증가에 따라 수소 발생량은 증가하였다. 따라서, 전극 재질은 루테늄(Ru)에 티타늄(Ti)을 코팅한 재질을 양극에 이리듐(Ir)에 티타늄(Ti)을 코팅한 재질을 음극에 전극을 사용한 경우가 가장 높게 수소가 발생하였고, 반대로 이리듐(Ir)에 티타늄(Ti)를 코팅한 재질을 양극과 루테늄(Ru)에 티타늄(Ti)를 코팅한 재질을 음극으로 사용한 재질은 비슷한 경향이 나타났지만, 루테늄(Ru)을 양극으로 사용한 경우 전극에서 발생되는 전류밀도가 가장 높아서 수소 발생 효율에 있어서 가장 우수하였고, 대조군으로 SUS와 비교한 결과와 비교하면 차이가 많이 발생하는 것으로 나타났다.
연료전지의 직렬과 병렬 연결에 따라 개방전압이 직렬의 경우는 0.92V이고, 병렬의 경우는 1.67V에서 나타났다. 따라서 직렬의 연료전지 운전 상태에서는 최적의 전류 흐름이 1150mA인 경우 적정한 것으로 나타났고, 병렬 연결 보다 우수한 것으로 나타났다.
연료전지의 소비전력P(W)은 전류와 전압에 따라 결정되어 진다. 연료전지 시스템 운전에서는 최대전력을 발생시키기 위해서 더 많은 전류를 가져오게 하는 경향이 있다. 이 결과에서 보면 전류 흐름이 일정 범위에서 벗어나게 되면, 연료전지 효율성은 감소하게 된다. 따라서 전류 흐름이 최적 조건의 발전량을 결정하기 위한 최대 작동지점을 결정하는 것이 에너지소비를 줄일 수 있다. 부하저항이 0.5인 경우 적정한 전류의 흐름이 1,150mA의 조건에서 연료전지의 수소 소비량이 약 27.8 ml로 나타났고, 부하의 저항값은 1인 경우 전류가 1,850mA에서 수소 소비량은 44.6ml로 나타났다. 적정 전류에 따라 최적의 부하저항 값을 갖는 전류 흐름을 결정하는 것이 연료전지의 수소 소비량을 줄일 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 수소에너지 개발 필요성 1
• 1.2 수소에너지 기술 개발 방향 3
• 1.3 우리나라의 수소에너지 기술 현황 5
• 1.4 국외 주요 선진 수소에너지 기술 10
• 1.5 수소연료전지 기술 현황 16
• 1.6 수소발생 수전해조 시설 현황 18
• 1.7 수소에너지 경제성 분석 19
• 1.8 수전해조 해외시장 전망 19
• 1.9 국내외 수소연료 활성화 정책 20
• 제2장 이론적 배경 23
• 2.1 태양광 발전 시스템 분류 23
• 2.2 태양광 발전 시스템 구성기기 25
• 2.3 태양전지 구성요소 26
• 2.4 태양전지 원리 28
• 2.5 태양전지 효율 30
• 2.6 태양전지 변환효율 31
• 2.7 태양전지의 전기 생산의 전력비 32
• 2.8 태양광 셀의 물리적 특성 33
• 2.9 태양광 셀의 전기적 출력특성 36
• 2.10 최대전력공급 38
• 2.11 등가회로 39
• 2.12 수소에너지 40
• 2.13 수소 제조 방법 41
• 2.13.1 탄화수소의 수증기 개발에 의한 제조 41
• 2.13.2 탄화수소 부분산화 43
• 2.13.3 메탄올로부터 수소 제조 44
• 2.13.4 식염 전해로부터 부생수소 45
• 2.13.5 물 분해에 의한 수소 제조 45
• 2.13.6 고분자 전해질을 이용한 물전해 46
• 2.13.7 광촉매 이용 수소 제조법 46
• 2.13.8 열화학사이클에 의한 물분해법 47
• 2.13.9 물의 광분해법 48
• 2.14 Faraday 법칙 48
• 2.14.1 패러데이 1법칙 49
• 2.14.2 패러데이 제2법칙 50
• 2.14.3 전해조 패러데이 효율성계산 52
• 2.15 수전해 시설 분리막 기술 54
• 2.15.1 다공막 구조와 특성 54
• 2.15.2 다공막 소재 54
• 2.15.3 이온 솔베이팅 분리막 56
• 2.15.4 박막 복합 분리막 58
• 2.15.5 음이온 교환막 59
• 2.16 수소 연료전지의 종류 및 특징 62
• 2.16.1 연료전지 전해질 종류 65
• 2.16.2 수소연료전지 이론 70
• 2.16.3 연료전지 가역적 및 출력전압 72
• 2.16.4 수소연료전지 효율 결정 79
• 2.16.5 연료전지 온도 결정 81
• 2.16.6 연료전지 압력 결정 82
• 2.17 발광 종류 및 원리 83
• 2.17.1 형광과 필라멘트 빛의 세기 84
• 2.17.2 램프의 스펙트럼 특성 84
• 2.17.3 광도비교 84
• 제3장 실험 및 방법 86
• 3.1 수전해 실험 장치 구성 86
• 3.2 태양전지 수전해 시설과 수소연료전지 공정 88
• 3.3 전해질 전기전도와 용존 수소 측정 90
• 제4장 실험 결과 및 고찰 92
• 4.1. 수소 생산의 수전해 시설 기초실험 결과 92
• 4.1.1 전해질 농도 및 전극 재질 수소 생산 특성 92
• 4.2 광원 종류에 따른 솔라모듈 전기적 특성 평가 98
• 4.2.1 광원에 따른 솔라모듈 1-V특성 평가 98
• 4.2.2 광원에 따른 솔라모듈의 최대전원점(MPP) 100
• 4.2.3 광원 종류에 따른 입사각도가 MPP점 미치는 영향 102
• 4.2.4 광원의 종류별 입사거리에 따른 광전류 밀도 변화 106
• 4.3 광원 종류에 따라 수전해 시설의 수소 발생 108
• 4.3.1 광원의 종류에 따른 수전해조의 수소 생성 108
• 4.3.2 광원의 전류 흐름에 따른 수전해조 수소 생성 112
• 4.4 수전해 시설의 패러데이 효율성 평가 114
• 4.5 수전해 시설 전해질과 전극 재질별 수소 발생량 117
• 4.5.1 수전해 시설 전해질 농도별 수소 생성량 117
• 4.5.2 수전해 시설 전해조 전극 재질에 따른 수소 발생량 120
• 4.6 수소연료전지 소비량 산정 122
• 4.6.1 수소연료전지 직렬과 병렬에 따른 전압특성 122
• 4.6.2 수소연료전지 수소 소비량 결정 125
• 제5장 결론 및 제언 127
• 참고문헌 130
• ABSTRACT 141