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.

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.

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.

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.

1kW급 고분자 연료전지용 통합형 천연가스 개질 수소 제조 시스템의 성능 및 운전 특성

서유택(Seo, Yu-Taek),서동주(Seo, Dong-Joo),서용석(Seo, Young-Seog),노현석(Roh, Hyun-Seog),정진혁(Jeong, Jin-Hyeok),윤왕래(Yoon, Wang-Lai) 한국신재생에너지학회 2006 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2006 No.06

한국에너지기술연구원에서는 가정용 고분자연료전지 열병합 발전시스템을 위한 통합형 천연가스 연료처리 시스템을 개발해 왔다. 가정용 시스템으로서 필수적인 소형화와 고효율을 현실화하기 위해, 연료처리 시스템의 각 단위 공정 즉 수증기 개질, 수성가스 전이, 선택적 산화 공정 등을 이중 동 심관형 반응기에 통합하여 상호 열교환이 용이하도록 반응기를 설계하였다. 현재 시험 운전 중인 Prototype-I 연료 처리 시스템은 1kW급 고분자 연료전지 열병합 발전 시스템에 개질 가스를 공급하기 위해 설계되었으며, 기초 성능은 정격 부하 운전시 열효율 78% (HHV 기준), 메탄 전환율 91%이다. 개질 가스 내 일산화탄소 농도는 고분자 연료전지 전극의 피독을 피하기 위해 10ppm 이하로 유지되어야 하며, Prototype-I 연료 처리 시스템은 백금과 루테늄 촉매를 적용한 선택적 산화 반응기를 통해 개질 가스 내 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 제거하였다. 일반 가정에서는 고분자 연료전지 시스템의 부하 변동이 예상되기 때문에 연료 처리 시스템의 부하 변동 운전 특성도 살펴보았다 정격 부하에서 80%, 60%, 40%로 부하를 변동하며 운전하였고, 각 부하에서 안정한 메탄 전환율과 10ppm이하의 일산화탄소 농도를 보였다. 80%까지는 열효율이 77%로 큰 변화를 보이지 않았으며, 60%에서는 76%, 40%에서는 72%로 열효율이 감소하는 현상을 보였다 연료 처리 시스템의 일일 시동-정지 운전시 내구성을 테스트 중이다. 현재까지 50여회의 일일-시동 정지를 시도하였다 시동 후 약 세 시간가량의 정력 부하 운전을 실시한 후 부하 변동을 실시하였고, 총 운전 시간 8시간 정도 운전한 후 시스템을 정지하였다 메탄 전환율과 일산화 탄소 농도, 열효율을 모니터링 하고 있으며, 현재까지 초기 성능을 그대로 유지하고 있다. 앞으로 일일시동-정지 운전 시험을 지속하면서 초기 시동 특성 및 부하 변동에 따른 응답 특성 개선, 그리고 연료전지와의 연계 운전을 실시할 예정이다

열경제학 해석에 의한 도시가스 연료를 사용하는 1-㎾급 고분자연료전지 시스템 고장진단에 관한 연구

서석호(Seok-Ho Seo),오시덕(Si-Doek Oh),오환영(Hwanyeong Oh),최윤영(Yoon-Young Choi),이원용(Won-Yong Lee),곽호영(Ho-Young Kwak) 한국신재생에너지학회 2021 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.7

2019년 자가용 연료전지의 신규 설비용량은 613 kW이고 총 누적 자가용 설비용량(4,792 kW)의 약 12.8%를 차지할 정도로 보급이 확산되고 있지만 자가용 연료전지의 발전량은 2019년 연료전지 총 발전량(2,285 GWh)의 약 1.2%(27.8 GWh)로 사업용 연료전지에 비하여 미비한 실정이다. 그러나 2019년 1월에 발표한 「수소경제활성화 로드맵」에 따라 2040년까지 총 누적 설비용량 기준 2.1 GW 이상의 가정·건물용 연료전지 시스템이 보급될 전망이며 이런 자가용 연료전지 시스템의 확대·보급을 위해서 시스템의 내구성 및 신뢰성 확보가 전제되어야 하며 이를 위한 고장감지·진단 기술의 필요성이 증가되고 있다. 본 연구에서는 열경제학 해석 방법을 이용하여 도시가스를 연료로 사용하는 1kW급 고분자연료전지 시스템에 대하여 정상상태와 고장모사상태(공기블로워 성능저하에 따른 공기 유량 부족, 배관 누기에 따른 수소 유량 부족, PrOx 공기 유량 부족 등)의 온도, 압력, 유량 측정 결과를 활용하여 스택에서의 전기효율과 시스템의 전기단가를 각각 계산하였다. 또한 이를 통하여 모사된 각 고장이 스택에서의 전기효율과 시스템 전기단가에 미치는 영향을 평가하여 고장감지 변수로서 스택에서의 전기효율과 시스템 전기단가를 사용할 수 있음을 확인하였으며 이를 이용한 PEMFC 시스템의 운전 가이드라인을 제공하였다.

저온 수소연료 주입을 통한 연료전지의 운전 특성

조민제(Minje Cho),김관엽(Kwanyeop Kim),나타니엘 갈소(Nathaniel Garceau),백종훈(Jonghoon Baik),김서영(Seoyoung Kim) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

무인항공기의 동력원으로써 연료전지의 적용은 기존 동력원과 비교하여 소음이 적고, 장기 체공을 가능하도록 하는 최선의 대안이라 할 수 있다. 하지만, 연료의 용량은 비행시간과 밀접한 관련이 있으며 부피가 큰 기체연료는 연료전지 장기 비행에 한계를 가지고 있다. 본 연구팀은 액체수소를 생산, 저장하는 연구를 진행하여 왔으며, 생산된 액체수소를 연료로 하는 연료전지 파워팩의 개발, 이를 무인항공기의 동력원에 적용하는 것을 목표로 하고 있다. 이를 위해서 낮은 온도의 액체상태로 저장된 수소를 연료전지 구동에 적용하였을 때 미치는 영향에 대하여 알아보고자, 기체수소의 온도를 조절하여 선행연구를 진행하였다. 실제 저장용기에서 빠져나온 액체수소는 순간적으로 기화되지만, 기화된 수소는 상온에는 못 미친다. 본 실험에서는 저장용기에서 기화된 수소와 유사한 온도의 기체수소 온도를 설정하고자 열교환기를 이용한 실험 장치를 자체 제작하였으며, 상온에서 작동되었을 때의 연료전지 시스템의 성능 거동과 비교하였다. 실험 후 저온의 수소온도는 연료전지 시스템운전에 크게 영향을 끼치지 않는다는 결론을 얻을 수 있었다. 또한 특정 저온 범위에서는 상온에 비하여 비교적 좋은 거동을 나타내는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 연료전지 시스템 전체 발열과 관련 있는 것으로 추정된다.

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.

5kW급 연료승압 블로워 시작품 성능 개선을 위한 안전성능 평가

이정운,백재훈,남태호,이승국,이연재 한국공업화학회 2016 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2016 No.1

2013년 연료전지 보정 계수가 고분자 전해질 연료전지의 경우 6.35로 확정되어 건축물 설치에 적용되면서 국내 건물용 연료전지 시장이 성장할 수 있는 발판이 마련 되었다. 하지만 건물용 연료전지 시스템의 높은 가격은 연료전지의 보급 활성화에 걸림돌로 작용하고 있다. 이에 시스템 가격 저감을 위해 연료전지 시스템의 각 부품을 모듈화를 통한 공용화를 가능한 빨리 달성하여 건물용 연료전지 보급 활성화의 디딤돌을 놓는 것이 필요한 상황이다. 특히 기존 제품 가격의 40%를 차지하는 공기 공급계, 연료 공급계 및 열 회수계의 개발을 통한 가격 저감을 이루는 것이 가장 큰 효과를 보일 것으로 판단된다. 본 연구에서는 5kW급 건물용 연료전지 시스템에 적용될 국산 연료승압 블로워의 시작품에 대한 안전성능을 평가하여 핵심 부품의 국산화 달성에 이바지하고자 한다. 특히, 블로워 단품 평가에 그치지 않고 시스템에 적용되는 후단 부하 환경 하에서 블로워의 안전성능을 평가하여 시스템의 안정성을 높이고자 한다. ^**본 연구는 산업통상자원부의 재원으로 에너지기술평가원이 주관하는 에너지기술개발사업(20153010031950)의 일환입니다.