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.

50W급 연료전지 파워팩 개발

손동언(Son, Dongun),정은미(Jung, Eunmi),심태희(Shim, Taehee),송하영(Song, Hayoung),황상문(Hwang, Sangmoon) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

직접메탄올 연료전지는 액체 메탄올 저장의 이점을 가지고 있어 이동형 전원 등의 응용에 적합하며, 최근 군사용 통신 전원이나 노트북용 전원으로 사용하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 그러나 연료전지 스스로는 초기 기동을 할 수 없고 부하의 응답 특성에 빠르게 대응하기 어렵다. 따라서 연료전지와 배터리를 하이브리드로 구성하면 이러한 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지에 대한 부하가 안정되어 수명 연장에도 긍정적인 효과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 직접메탄올 연료전지와 리튬 이차전지를 연계하여 하이브리드 시스템을 구성하고자한다. 시뮬레이션을 통해 채널 형상에 따른 유동 및 차압을 해석하였으며, Single Cell, Short Stack 및 Stack의 특성을 평가하였다. 또한 하이브리드 시스템은 연료전지 스택, 연료전지 운전 장치, 리튬 이차전지, BMS, PCM, DC/DC Converter 등을 구성하여 시스템의 특성 등을 관찰하고자한다.

Preparation of Hollow Titanium Nitride Supported Pt catalysts for Electro chemical reactions

김윤희,김지율,이현경,장현성,주지봉 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-

연료전지 기술은 높은 에너지 전환효율, 친환경적 전기생산 등의 장점으로 차세대 에너지 기술로 각광을 받고 있는 기술이다. 연료전지 기술 중 메탄올을 연료로 이용한 직접 메탄올 연료전지는 메탄올 산화 반응과 산소 환원 반응으로 전기를 생산한다. 직접 메탄올 연료전지의 산화전극에서 메탄올 산화 시 생성되는 일산화탄소에 의하여 백금 기반 촉매가 피독되고, 장기운전으로 지지체인 탄소가 부식되어 백금 촉매의 응집 현상으로 전기적 성능이 낮아진다고 보고되고 있다. 본 연구에서는 전기화학반응 중 일어나는 부식에 강하고 전기전도도가 높은 중공형 질화 티타늄을 합성하여 직접 메탄올 연료전지의 전극 촉매 탄소지지체를 대체하고자 한다. 중공형 이산화티타늄 나노구조체를 암모니아 환경에서 고온으로 열처리하여 중공형질화 티타늄을 제조하였다. 뿐만 아니라, 다양한 온도에서 제조한 이산화티타늄의 결정성이 질화 티타늄 형성에 미치는 영향을 조사하였다. 최종적으로 백금을 담지후 합성된 촉매를 이용하여 메탄올 전기산화 반응을 진행하여 우수한 전기화학적 성능을 보이는 것을 확인하였다.

KS C 8569 기반의 연료전지시스템 성능평가 및 측정불확도에 관한 연구

차정은(Jung-Eun Cha),이남진(Nam Jin Lee),서동준(Dong-Jun Seo),최영우(Young-Woo Choi),윤영기(Young Ki Yoon),김선화(Sun-Hwa Kim) 대한기계학회 2022 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2022 No.3

ATO nanoparticle에 담지된 백금 촉매의 전기화학적 알콜 산화 반응에 관한 연구

이국승(Lee, Kug-Seung),박인수(Park, In-Su),정대식(Jung, Dae-Sik),박희영(Park, Hee-Young),성영은(Sung, Yung-Eun) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.11

직접 알콜 연료전지는 액체인 알콜을 직접 연료전지에 공급하여 연소시킴으로써 높은 효율을 갖는 휴대용전원으로 주목받는 장치이다. 직접 알콜 연료전지에 담지체로 사용되는 탄소 소재는 넓은 표면적과 우수한 전기전도도를 가지고 있다는 장점 있으나 금속 촉매와의 상호작용이 약하여 촉매 활성에 영향을 주지 못한다. 산화물을 담지체로 사용할 경우 이러한 금속-담지체 간의 상호작용으로 인한 촉매활성 증가 및 입자성장 억제의 효과를 기대할 수 있다. 본 연구에서는, 안티몬 도핑된 주석산화물 (Sb-doped SnO2 : ATO nanoparticle)을 직접 메탄올 연료전지용 담지체어 적용하였으며 합성 과정은 다음과 같다. SnC14 5H2O SbC13, NaOH, HCl 수용액 혼합물을 삼구 플라스크에 넣고 100?C 온도에서 환류(reflux) 시킨 후 세척 및 건조하여 Air 분위기에서 열처리하였다. 합성된 산화물 수용액에 폴리올 방법으로 합성된 백금 콜로이드를 담지하였으며, 세척과 건조를 통하여 산화물에 담지된 백금 촉매를 촉매를 합성하였다. 촉매의 구조분석을 위해 XRD, TEM을 사용하였으며, 전극촉매로서의 활성을 평가하기 위해 cyclic voltammetry을 평가하였다. 본 연구에서는 백금의 담지량에 따른 Costripping voltammetry특성과 메탄올 및 에탄올 산화 반응 특성에 대하여, 탄소를 담지체로 사용한 Pt/C 촉매와 비교 평가하였다. 알콜 산화반응 평가결과, 주석산화물에 담지한 촉매가 탄소를 담지체로 사용한 촉매보다 우수한 활성을 나타내었으며 활성증가는 메탄올에 비해 에탄올 산화 반응의 경우 크게 증가하였다.

DMFC에서 온도 및 유량이 성능에 미치는 영향에 관한 연구

김홍건(Kim, Hong-Gun),곽이구(Kwac, Lee-Ku),강영우(Kang, Young-Woo),김태진(Kim, Tae-Jin),곽상희(Kwak, Sang-Hee),안계혁(An, Kay-Hyeok),박경세(Park, Gyung-Se) 한국신재생에너지학회 2009 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.06

직접메탄올형 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell)는 휴대용으로 사용할 수 있는 소형 전원용으로 주로 개발되고 있으며, 다양한 용도로 사용이 가능하다. 하지만 직접메탄올연료전지에서 전해질로 많이 쓰이는 Nafion막은 이를 통한 메탄올 크로스오버(Crossover) 때문에 연료전지의 성능을 제한시키고 있다. 본 연구에서는 Nafion 117를 사용하여 전극 면적 100cm2 의 DFMC용 MEA를 제작하고, 공기 유량을 3ml/mim으로 고정하고, 메탄올 유량을 2,3 ml/min로 각각 공기극와 연료극에 공급하여 온도변화(50, 60, 70, 80?C)에 따른 성능을 확인하였다. DMFC의 적당 반응 온도는 70?C로 생각되고, 유량은 메탄올 2ml/min, 공기 3ml/min유량 공급시가 성능이 높게 나오는 결과를 얻으나 일정시간 지나면 성능이 메탄올 3ml/min, 공기 3ml/min유량 공급시 보다 성능이 떨어지는 현상이 일어나기 때문에 70?C 반응온도에 메탄올 3ml/min, 공기 3ml/min의 유량 공급이 본 논문에서 최적화된 성능을 내는 조건으로 사료된다.

직접 메탄올 연료전지용 막-전극 접합체의 설계 인자에 관한 연구

조재형,황상엽,김수길,안동준,임태훈,하흥용 한국청정기술학회 2007 청정기술 Vol.13 No.4

막 전극 접합체(membrane electrode assembly, MEA)의 설계인자 즉, 구성요소들이 직접 메탄올 연료 전지의 성능에 미치는 영향을 알아보았다. MEA에서의 촉매층과 고분자 분리막의 계면저항을 줄이기 위하여 직접 코팅법을 사용하여 제조한 MEA 구조와 조성의 최적화를 실시하였으며, 기체 확산층, 촉매량, 고분자 전해질 분리막의 두께가 직접메탄올 연료전지의 성능에 미치는 영향을 알아보고, 전기화학적 분석법을 사용하여 성능향상 요인을 분석하였다. 본 연구를 통해 직접코팅법으로 제조한 MEA의 구조와 조성에 따른 성능 변화 특성을 파악할 수 있었으며, 연료극과 공기극에 총 4㎎/㎠ (Pt 기준)의 촉매를 사용하였을 때, 80℃ 1기압의 운전 조건하에서는 최고성능 147 ㎽/㎠, 60℃, 1기압의 운전 조건하에서는 최고성능 100㎽/㎠을 확보하였다. Direct coating of catalyst layer on the Nafion® membrane has been optimized in the process of fabrication of membrane electrode assembly (MEA) to enhance the performance of direct methanol fuel cell (DMFC). In this method, the contact resistance at the interface of the catalyst layer and the membrane was found to be low. The effect of catalyst loading, thickness of membrane and the gas diffusion layer (GDL) with or without the presence of micro-porous layer (MPL) on the performance of the MEA was also investigated. The MEA fabricated by the above-mentioned method exhibited a performance of 147 ㎽/㎠ and 100 ㎽/㎠ at 80 and 60 , respectively, with the catalysts loading of 4 ㎎/㎠.

CrN 코팅 STS 금속분리판의 부식 특성과 DMFC 성능 평가

이세희(Lee, Se-Hee),박영철(Park, Young-Chul),임성엽(Lim, Seongyop),김상경(Kim, Sang-Kyung),정두환(Jung, Doo-Hwan),최세영(Choi, Se-Young),백동현(Peck, Dong-Hyun) 한국신재생에너지학회 2010 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.06

본 연구는 스테인리스 스틸(STS)을 직접메탄올 연료전지(DMFC)용 바이폴라 플레이트에 적용하기 위한 것이다. 약산성의 연료전지 환경에서 부식저항성을 향상시키고자 오스테나이트계 STS 316L과 페라이트계 STS 430에 UBM(unbalanced magnetron) DC sputter로 CrN 코팅막을 제작하였다. CrN이 코팅된 스테인리스 스틸은 부식특성, 접촉 저항 및 접촉각 등을 측정하여 무 코팅의 스테인리스 스틸과 특성을 비교하였다. 그리고 이들 재료의 연료전지(DMFC) 적용 가능성을 알아보기 위하여 단위전지로 제작하여 연료전지 성능 등을 측정하고 평가하였다. 무 코팅 스테인리스 스틸(STS 316L, STS 430)과 CrN 코팅 스테인리스 스틸의 부식저항 특성은 동전위와 정전위 실험으로 조사하였다. 동전위 부식 실험은 -0.4~1.0 V로 0.001 M의 황산용액 또는 메탄올을 첨가하여 질소 또는 공기의 환경에서 실험을 실시하였으며, 정전위 부식 실험은 0.4 V 또는 0.6 V에서 진행하였다. 연료전지의 단전지 측정은 실제 DMFC의 운전조건에서 실시하였다. 부식실험과 단전지 실험 전/후 메탈 바이폴라 플레이트의 조직 변화는 SEM을 통해 관찰하였고, 부식산화물의 화학적 조성과 메탈 바이폴라의 표면은 EDS를 이용하여 측정하였다.

Pt-TiO₂ 나노구조에서의 UV에 의한 메탄올 산화반응연구

한상범(Han, Sang-Beom),송유정(Song, You-Jung),이종민(Lee, Jong-Min),박경원(Park, Kyung-Won) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.06

이 논문은 DMFC와 태양전지의 하이브리드형 연료전지에 적합한 TiO₂구조에 대한 연구로서, DMFC에 사용되는 귀금속 Pt의 사용량을 줄이기 위해 Pt를 TiO₂광촉매 지지체에 함침 시켜 UV가 조사될 때 Pt의 활성을 극대화시키기 위한 연구이다. TiO₂는 Rutile결정 구조를 이루었으며, 반응 시간에 따라 나노막대 모양을 형성하였다. NaBH₄ 환원법을 통해 Pt를 함침 시켜 전극을 제조하였다. 이 전극들은 UV가 입사되지 않을 때보다 UV가 입사될 때 메탄올 산화성능이 주목할 만큼 향상되었다. 특히 긴 막대모양의 TiO₂에 백금이 잘 분산된 촉매의 메탄올 산화반응 성능이 크게 향상되었다. 이러한 Pt/TiO₂의 주목할 만한 성능 향상은 UV가 조사될 때 빛에 의해 생성된 TiO₂의 hole들에 의해 메탄올 산화반응이 향상된 것으로 사료된다.

휴대용 직접 메탄올 연료전지 시스템 개발

문고영(Moon, Go-Young),김혁(Kim, Hyuk),유황찬(Yoo, Hwang-Chan),노태근(Noh, Tae-Geun),이원호(Lee, Won-Ho) 한국신재생에너지학회 2007 신재생에너지 Vol.3 No.1

Direct Methanol Fuel Cell, DMFC is a potential power source for portable IT application. DMFC works at low temperature (<100?C) without fuel processing. Methanol has high energy density, fuel economy, and easiness to handle. This paper focuses high efficient catalyst to increase utilization in the electrode, new membrane reducing methanol crossover, new material parts, and optimization of system integration. Lightweight and small-sized DMFC based on new materials, efficient stack, and improved system control will be applied to the 50W prototype system for the notebook computer.