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김명환 ( Myong-hwan Kim ) 한국공업화학회 2021 공업화학전망 Vol.24 No.4
현재 수소전기차는 승용 및 상용 등 다양한 모빌리티 분야에서 전 세계적으로 이슈가 되고 있다. 환경규제 강화, 신기후체제 출범 등의 변화의 물결에 따라 자동차산업의 패러다임이 친환경으로 전환되고 있으며, 세계적으로 관련 기술 개발 및 보급을 위한 확대 정책이 발표되고 있다. 1990년 초 수소전기차(Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV) 기술 개발이 진행되어 1994년 독일 다임러사가 세계 최초로 NECAR1을 개발하였다. 이후 많은 완성차가 상용화를 위해 기술개발이 진행되었으며, 2013년 국내 현대차가 세계최초로 양산차인 투싼 ix 수소전기차를 출시하였다. 1년 이후 다시 일본 도요타에서 세계 최초로 전용 차체를 적용한 미라이 수소전기차가 출시되면서 초기시장이 형성되었으며, 이후 현대차는 NEXO를 2018년에 발표하였다. 전 세계적으로 가장 많이 팔린 수소전기차에 해당된다. 2021년 미라이 2세대가 더욱 진보된 기술을 바탕으로 출시되었으며, 국내 현대차에서도 2세대 수소전기차 출시를 앞두고 있다. 또한 수소승용차 뿐만 아니라 수소상용차 시장이 뜨겁게 부각되고 있으며, 각국에서 수소상용차 기술개발을 진행하고 있다. 본 기획특집에서는 각국의 수소전기차 기술개발 및 보급 정책을 소개하고 국내 기술개발 및 보급 정책의 타당성을 확인하고자 하였다.
자동차용 IAQ 모니터링 센서 성능 및 내환경성 향상기술 개발
김명환(Myong-Hwan Kim),정선경(Sun-Kyoung Jeoung),이재용(Jae-Yong Lee),유승을(Seung-Eul Yoo) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2010 No.5
차실내의 CO₂ 농도는 운전자 또는 탑승자의 호흡에 의하여 자연적으로 발생되며, 또한 지구온난화 규제 대응의 하나로 차량 에어컨 시스템에서 기존의 프레온 냉매 대신 CO₂ 냉매로의 전환이 검토되고 있으므로 CO₂ 냉매로의 전환 시 사고 또는 사용자의 오조작 등으로 인하여 일부의 CO₂ 냉매가 실내로 유출된다면 이는 차내 탑승자에게 심각한 영향을 미치게 된다. 따라서 본 논문에서는 차량의 IAQ(Indoor Air Quality) 향상 CO₂ 가스 모니터링 센서를 개발하기 위해 선진제품 CO₂ 가스센서의 성능 평가 및 내환경성(고온 작동, 저온 작동, 고온 방치, 저온 방치, 열충격, 온습도 싸이클) 평가를 실시하였다. 내환경성 평가 결과 본 실험에 사용된 선진센서의 경우 저온영역에서 보다는 고온영역에서 영향성이 큰 것으로 판단되며, 또한 습도의 영향도 큰 것으로 사료된다. 본 실험을 기반으로 고온영역 및 습도가 심한 곳에서의 영향성이 적은 센서의 개발이 필요할 것으로 판단된다.
자동차용 IAQ 모니터링 센서의 광공동 구조에 따른 성능 및 내환경성 평가
김명환(Myong-Hwan Kim),정선경(Sun-Kyoung Jeoung),이재용(Jae-Yong Lee),유승을(Seung-Eul Yoo) 한국자동차공학회 2010 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2010 No.11
차실내는 매우 제한적인 밀폐 공간으로 차실내의 탑승자에 의해 생성되는 CO₂ 가스는 그 농도가 지나칠시 차내 산소의 결핍으로 인한 활동능력, 판단력, 집중력의 저하되어 사물의 인지도가 떨어져 인체에 미치는 영향이 클 뿐 아니라 안전사고의 위험성까지 내포하고 있다. 또한 지구 온난화 규제 대응의 하나로 차량 에어컨 시스템의 냉매를 기존의 프레온 가스 대신 CO₂ 가스로의 전환이 검토되고 있어 자칫 사고 또는 사용자의 미숙한 조작으로 인한 CO₂ 냉매의 실내 누출은 차내 탑승자의 심각한 영향을 끼칠 수 있다. 따라서 차량의 실내공기질(Indoor Air Quality : 이하 IAQ)향상 CO₂ 가스 검출 센서의 개발 및 적용은 필수적이라 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 세계적으로 경쟁력 있는 차량용 IAQ 모니터링 센서 개발을 위해 자동차용 IAQ 센서로 적용가능한 영역대인 0~2000ppm의 샘플을 선정하고 온도 및 습도에 의한 영향성을 최소화하기 위해 부착된 멤브레인의 부착위치에 따른 내환경성 평가 후의 성능평가를 실시하고 데이터베이스를 구축하였다
폐건전지에서 추출한 탄소봉을 이용한 저가형 분리판 물성 연구
김명환(Myong-Hwan Kim),구영모(Youngmo Goo),유승을(Seung-Eul Yoo) 한국자동차공학회 2012 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2012 No.11
본 연구에서는 망간전지에서 추출한 탄소봉을 이용하여 분쇄, 자력선별, 비중선별, 와류선별, 비중(건식, 습식)선별, 입도분리 후 에 1차 정제된 흑연봉 스크랩을 만들었으며, 본 스크랩을 이용하여 수지 배합에 따라 제조된 다양한 분리판의 굴곡강도, 접촉저항/체적저항, 성능(I-V curve) 및 내구성을 분석하였다. 굴곡강도는 스크랩과 수지의 배합비가 50:50에서 48.5MPa로 분석되었으며, 접촉저항은 8.2mΩ?cm², 체적저항은 85S/cm, 성능은 graphite 분리판 대비 98% 수준을 보였다. 또한 1,000시간 내구성 평가에서 graphite 분리판의 전압감소는 37μV/hr로 분석되었고, 개발된 폐건전지 탄소봉 추출 컴포지트 분리판은 42μV/hr로 나타났다. 모든 연료전지 분리판의 물성 분석 결과를 보면 graphite 분리판과 비교하여 동등수준으로 컴포지트 분리판의 원소재로 사용하기에 적합한 것으로 판단된다. 본 제조공정 개발을 통하여 환경개선 효과를 계산해 보면 폐기되는 폐건전지의 재활용을 통하여 연간 7,200만원의 환경부담금 절감과 현재 컴포지트 분리판 제조를 위해 수입되는 흑연의 양을 대체할 경우 48억원의 수입대체 효과가 있을 것으로 판단된다.
연료전지용 금속분리판 내구성 향상을 위한 C-film 표면처리 기술 개발
김명환(Myong-Hwan Kim),구영모(Youngmo Goo),유승을(Seung-Eul Yoo) 한국자동차공학회 2009 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2009 No.11
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지용 금속분리판의 내구성 향상을 위한 금속첨가(W, Ti, Mo)amorphous C-film(AC-film) 및 순수 amorphous C-film(PAC-film)을 이용하여 전도성을 부여하는 표면처리 방법을 개발하였으며, stainless steel 304를 모재로 하여 금속분리판을 제작하였다. 금속첨가 AC-film의 경우 제작된 금속분리판 및 물성분석용 샘플을 이용하여 내구성, 전기화학적 부식 특성, 성능평가 및 접촉저항을 측정하였으며, 또한 순수 amorphous C-film을 이용하여 불활성조건에서 열처리 온도(300, 400, 500, 550, 600, 700℃)에 따른 접촉저항 및 체적저항을 분석하였다. 금속첨가(W, Ti, Mo) C-film의 연료전지환경에서의 부식전류밀도는 각각에 대해 6.69, 1.2, 1.0㎂/㎠로 모재인 STS 304의 25㎂/㎠에 비해 우수한 부식특성을 보였다. 초기성능에서 Mo C-film분리판의 경우 300mA/cm2에서 0.757V로 측정되었고, 이는 graphite 분리판의 0.758V와 유사한 성능을 보였다. 내구성평가에서 초기성능대비 10% 감소하는데 소요된 시간은 graphite는 2,000시간으로 나타났으며, Mo AC-film 분리판은 1,700시간으로 측정되었다. 1,500시간까지의 성능 감소율은 graphite, (W, Ti, Mo AC-film)분리판 각각에 대해 37.7, 60.3, 92.8, 45.7㎶/hr로 나타났다. 또한 PAC-film의 경우 700℃에서 열처리한 분리판에서 graphite와 동등한 접촉저항 값을 보였으며, 표면처리전 모재인 STS304에 비해 약 50배 좋은 성능을 보였다. 체적저항의 경우 600℃에서 열처리한 분리판에서 graphite와 유사한 770S/㎝의 전기전도도를 보였으며, 550℃이상에서 열처리한 분리판의 경우 연료전지용 금속분리판으로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 700℃이상의 온도에서 열처리를 할 경우 모재의 열팽창에 의해 표면처리물질 일부가 박리되는 현상을 보였다. 따라서 모재가 stainless steel일 경우에는 최적의 열처리 온도는 550℃에서 700℃사이가 될 것으로 예상된다.
5㎾급 PEMFC 스택 환경영향성 분석을 위한 부품 설계 및 적용성 연구
김명환(Myong-hwan Kim),구영모(Youngmo Goo),현정은(Jungeun Hyun),라영미(Youngmi Ra),유승을(Seung-eul Yoo) 한국자동차공학회 2011 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2011 No.5
PEMFC(Polymer electrolyte membrane fuel cell, 고분자 전해질 연료전지) 스택의 외부 환경에 대한 영향성 평가는 연료전지 자동차 사용 환경에서의 스택 내구성을 향상시키기 위해 필요하다. 그러나 다양한 실환경에서의 운전 데이터를 확보하기에는 많은 시간과 인력이 필요하다. 본 연구에서는 5㎾급 스택의 실환경 영향성 분석을 위한 FC Tester의 설계와 다양한 실환경을 모사할 수 있는 가스 heating 및 산기관 가습기를 설계 제작하여 평가 하였다. 연료전지 스택의 전류량 변화에 따른 유량 변화에서 스택에 공급되는 가스의 온도를 일정하게 유지시키기 위해서 5㎾급 shell and tube를 설계하였으며, 최고 350ℓ/min의 유량에서도 스택 입구 온도 기준으로 일정하게 온도를 유지하는 것을 확인하였다. 또한 고유량에서도 일정한 가습량을 유지하기 위해서 산기관 타입의 가습기를 설계하였으며, 기존 방식의 가습기에 비해 34% 향상된 가습 성능을 보였다. 이를 적용하여 다양한 실환경에서 스택의 영향성을 평가할 수 있는 FC Tester를 설계하였다..
연료전지용 금속분리판 내구성 향상을 위한 표면처리기술 개발
김명환(Kim, Myong-Hwan),구영모(Goo, Young-Mo),유승을(Yoo, Seung-Eul) 한국신재생에너지학회 2008 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.05
본 연구에서는 고분자 전해질 연료전지용 금속분리판의 전기화학적 부식을 방지하기 위한 금속 첨가 DLC(Diamond-like-carbon) 표면처리 방법을 개발하였으며, stainless steel 304를 모재로 하여 텅스텐 첨가 DLC, 티타늄 첨가 DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 금속분리판을 제작하였다. 제작된 금속분리판을 이용하여 내구성 평가,전기화학적 부식 특성, 성능평가 및 접촉저항 특성 등을 평가하였다. 전기화학적 부식특성의 경우 각각의 분리판에 대해 6.69, 1.2, 1.0 {mu}A/cm²로 모재인 STS 304의 25 {mu}A/cm²의 부식전류밀도에 비해 우수한 부식특성을 보였다. 또한 초기 성능에서 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 300 mA/cm²에서 0.757 V로 측정되었으며, 이는 graphite 분리판 측정 결과인 0.758 V와 유사한 성능을 보였다. 또한 내구성 평가에서 초기 성능 대비 성능 감소율이 10% 감소하는데 소요된 시간은 graphite 분리판의 경우 2,000시간으로 나타났으며, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판의 경우 1,700시간으로 측정되었다. 1,500시간 까지의 성능 감소율은 grphite,텅스텐 첨가DLC,티타늄 첨가DLC, 몰리브덴 첨가 DLC 분리판 순으로 각각에 대해 37.7, 60.3, 92.8, 45.7 {mu}V/hr로 나타났다.