PEM 연료전지 경량화를 위한 마그네슘 분리판 개발

박토순,이동우,김경환,권세진 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

이 연구에서는 PEM 연료전지의 경량화를 위한 방안으로 연료전지의 구성품 중 부피와 무게 점유율이 가장 높은 분리판의 경량화를 위해 금속 분리판을 적용하는 연구를 수행하였다. 기존의 흑연 분리판은 화학적 안정성이 높지만 강도가 약하고 가공이 어려우며 다공성 물질이기 때문에 기체 투과율을 줄이기 위하여 두껍게 제작해야 하는 단점이 있다. 따라서 흑연을 대체하기 위한 재질로 밀도가 낮고 전기전도성이 높은 마그네슘을 선택하였다. 금속 분리판 표면의 부식 및 산화 반응을 방지하기 위한 방법으로 스퍼터링을 실시하였다. 시편을 이용하여 스퍼터링 두께와 온도 조건에 따른 최적의 코팅 조건을 확립하여 마그네슘 합금 분리판의 성능평가를 위해 체결압, 채널의 깊이를 변화시켜 전류-전압 성능을 측정하였고 코팅 전.후의 마그네슘 합금 분리판의 성능을 비교하였다. In this present work, we conducted a research on the application of a metal bipolar plate to reduce the weight of PEM fuel cell bipolar plate, because it has the largest portion of weight of PEM fuel cell stack. The existing porous graphite bipolar plate is chemically stable and light in weight, but has disadvantages such as the weak strength, and the difficulty in manufacturing. In addition, it should be fabricated thick and become heavy due to its porous structure to reduce the permeability of reactant gas. Thus, this paper proposed Magnesium bipolar plates as an alternative for graphite bipolar plates. Optimal coating condition was established with a test specimen and through the single cell test it was examined the current-voltage performance of stack according to the change of the depth of channel and clamping pressure of bipolar plate, and conducted the performance comparison of the bipolar plate before and after coating.

태양광 장기체공무인기의 운용환경을 고려한 태양에너지 수집효율 분석

박토순,남윤광,고한영 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

최근 군사분야 뿐만아니라 민수분야에 까지 위성을 이용한 정보수집, 감시정찰 등을 수행하는데 소요되는 비용의 획기적인 절감과 운용효율의 증대를 위하여 미래 탈석유 대체에너지 수단이자 친환경적인 태양전지와 연료전지를 이용한 장기체공 무인기를 개발하고자 하는 다양한 연구가 시도되고 있다. 그러나, 태양전지나 연료전지를 이용한 장기체공 무인기를 개발하기 위해서는 에너지 수집능력 및 운용효율을 극대화하기 위하여 소모동력을 최소화할 수 있는 초경량 비행체 설계기술을 적용하는 것이 필수적이다. 일반적으로 초경량 비행체는 유연하지만 강성을 유지할 수 있는 복합재 등 신소재가 적용되며 비행중 날개의 심한 좌굴이 발생하게 된다. 본 연구에서는 초경량 장기체공 무인기의 비행중 날개의 좌굴에 따른 태양에너지 수집효율 저감요인에 대한 분석을 수행하였다. Recently, the various research studies have been conducted for the development of long endurance UAV using solar cells and fuel cells which are an alternative for future de-oil and the renewal eco-friendly energy system due to its merits such as the significant reduction of operational cost in use the low orbital satellite as well as the various application for civil or military area such as information collection and surveillance. However, it is necessary to apply the ultra-light airframe design technologies to minimize the energy consumption and maximize the energy harvesting capability and operational efficiency. Generally, the ultra-light airframe have to use the renewal material like composite which is flexible but has the structural stiffness and occur the severe bending of wing. This study analyzed the factors influencing on the decay of solar energy collection efficiency due to the severe bending of wing of ultra-light long endurance UAV.

장기체공 UAV용 초경량 PEM 연료전지의 성능 및 내구성 평가

박토순,남윤광,류태규 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

본 연구에서는 장기체공 UAV에 적용하기 위한 초경량 PEM 연료전지의 내구성 예측 및 평가를 위한 연구를 수행하였다. 기존의 PEM 연료전지는 화학적 안정성과 부식 내구성이 우수하여 흑연 분리판을 많이 이용해 왔지만 기계적 연신율이 약하고 가공이 어려우며 다공성 물질이기 때문에 두껍게 제작해야 하는 단점이 있다. 따라서, 최근 그라파이트의 대체 수단으로 표면처리를 이용한 초경량 금속분리판을 이용한 연료전지 스택의 개발에 많은 관심이 집중되고 있다. 본 연구는 마그네슘합금을 이용한 초경량 분리판 개발을 통한 무인기 탑재운용시 요구되는 내구성의 예측 및 확인을 위한 실험적 연구를 수행하였다. 금속은 강산성환경에서 부식에 매우 취약하기 때문에 분리판 표면의 부식 및 산화방지를 위한 표면처리가 필수적이다. 본 연구에서는 마그네슘 분리판 표면처리 방법으로 스퍼터링을 선택하여 내산성이 우수한 은(Ag)을 3 μm두께로 증착하였고 단전지 및 3-셀 스택을 제작하여 성능 및 내구성 실험을 수행하여 장기체공 무인기 개발을 위한 PEM 연료전지의 개발가능성을 연구하였다. In this present work, we conducted a research study on the prediction and the assessment of durability of a ultralight PEM fuel cell for long endurance UAV. The existing PEM fuel cell used the graphite bipolar plate due to its excellent chemical stability and corrosion resistance, but it have a critical shortcoming such as weak mechanical flexibility, unfavorable machinability, highly porosity lead to form thick plate. Therefore, recently all attention are focused on developing a ultralight metal bipolar plates as an alternative of graphite plate with proper surface treatment. In this study work, several experimental works were conducted to predict and confirm the on-board operational durability required in UAV development with ultralight magnesium bipolar plate. Because metal is prone to corrosion, it is essential that an appropriate surface treatment for prevent the corrosion and passivation be needed. In this study, the sputtering vapor deposition as an surface treatment method of the fabricated magnesium plate was selected and deposited the thin silver layer with 3 μm thickness. And then conducted performance test as well as short durability test of the single cell and 3-cell stack for confirming the applicable possibility to long endurance UAV.

장기제공 UAV용 초경량 PEM 연료전지의 제작을 위한 마그네슘 분리판의 성능평가

박토순,오지현,홍영석,류태규,권세진 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

본 연구에서는 장기체공 UAV에 적용하기 위한 마그네슘 분리판을 이용한 초경량 PEM 연전지의 제작 및 적용가능성에 대한 연구를 수행하였다. 기존의 흑연 분리판은 화학적 안정성이 높지만 강도가 약하고 가공이 어려우며 다공성 물질이기 때문에 기체 투과율을 줄이기 위하여 두껍게 제작해야 하는 단점이 있기 때문에 기계가공성이 우수한 마그네슘 분리판을 대체 재질로 선정하여 다양한 성능실험을 수행하였다. 금속은 산성환경에서 부식에 취약하기 때문에 분리판 표면의 부식 및 산화방지를 위한 표면처리가 필수적이다. 본 연구에서는 표면처리 방법으로 스퍼터링증착을 선택하여 제작된 마그네슘 시편에 내산성이 우수한 은을 3 μm두께로 증착 하였으며 비교를 위하여 알루미늄, 그라파이트 분리판을 동일규격으로 제작하여 동전위 분극실험, 접촉저항 실험, 단전지 성능 및 단기 내구성실험을 통하여 PEM 연료전지의 적용 가능성을 연구하였다. In this present work, we conducted a research study on the fabrication and the applicable possibility of a ultralight PEM fuel cell using magnesium bipolar plate for long endurance UAV. The existing graphite bipolar plate is chemically stable and light in weight, but has the susceptibility of fracture in fabrication process owing to its weak strength, and the difficulty in manufacturing. Because graphite plate should be fabricated thick and become heavy to reduce the permeability of reactant gas, several performance tests were conducted using magnesium bipolar plate selected as an alternative of graphite plate for fabrication of ultralight PEM fuel cells. Because metal is prone to corrosion, it is essential that an appropriate surface treatment for prevent the corrosion and passivation be needed. Thus, this study selected the sputtering vapor deposition of the thin silver layer on the fabricated magnesium plate and conducted several functional test of bipolar plates such as potentiodynalmic polarization test, contact resistance test and the performance test as well as short durability test of the single cells. in addition, the reference materials such as aluminum and graphite was used in same test for comparison. proposed magnesium bipolar plates as an alternative of graphite bipolar plates. With these results, the applicable possibility was reviewed to use in ultralight PEM fuel cells for long endurance UAV.

중량분석을 통한 성층권 장기체공용 경량 복합추진시스템 설계방안

박토순,홍영석,류태규,김경환,권세진 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

본 연구에서는 성층권 장기체공 무인기용 복합추진시스템의 최적설계를 위한 예비단계로서 중량분석을 통한 PEM 연료전지 기반 경량 복합추진시스템의 설계방안과 다양한 운용조건과의 상관관계에 대한 비교 연구를 수행하였다. 기존의 PEM 재생연료전지를 장기체공 무인기에 적용하기 위한 다양한 시도가 있지만 고압 수소저장 탱크의 과도한 중량과 크기로 인하여 항공기의 중량 및 크기를 크게 증가시키는 단점이 있다. 따라서 성층권에서 장기체공 하는 경량 무인기 설계를 위해서는 수소저장탱크의 초경량화가 우선되어야 하며 그 외에도 연료전지 스택과 같은 주요 구성품의 경량화 기법에 대한 연구가 필수적이다. 본 연구는 문헌조사 등을 통하여 성층권 장기체공 무인기용 복합추진시스템의 중량을 예측하고, 주요 설계변수와의 상관관계와 경량화 방안을 고찰하였다. In this present work, we conducted a research on the design methodology of hybrid propulsion systems based on weight analysis for long endurance flight in stratosphere and comparative study for the relationship with the major design parameters. There are various trials to apply the PEM regenerative fuel cell system to aerospace systems such as HALE UAV, but it has a serious disadvantage to lead the significant increasement of aircraft weight and size due to the weight and size of high pressure hydrogen storage tank. Therefore, the development of ultralight hydrogen storage tank is the top priority for the application of PEM regenerative fuel cell system to the design of light weight HALE UAV and, next, the other parts such as fuel cell stack should be smaller and lighter than that in present. In this study, the simple weight estimation methods of hybrid propulsion system based on the survey of reference are described and reviewed the coupled relationships with major design parameters including the methods for weight reduction of hybrid propulsion system and major parts.

내구성 시험을 이용한 항공기 엔진부품의 품질인증

박토순(To-Sun Park),김성규(Sung-Kyu),김철인(Chul-In Kim) 한국추진공학회 1998 한국추진공학회지 Vol.2 No.2

차세대 무인기용 분산추진시스템의 배열 및 경계층 재유입 효과 분석

박토순(Tosoon Park) 한국추진공학회 2022 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2022 No.5

최근 대기오염 물질의 배출, 비행소음, 추진효율 향상 등의 이슈 해결을 위한 신개념 항공추진시스템 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 기존 항공추진시스템의 효율향상과 연료소모율 획기적 감소, 추력대 중량비가 높은 고효율의 신개념 무인항공기 개발에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다. 이러한 신개념의 항공기 개발을 위하여 비행항력을 최소화하기 위한 기체통합형 분산 하이브리드 추진시스템의 개발이 하나의 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 미래의 첨단 무인항공기에 적용할 수 있는 기체매립형 분산 하이브리드 추진시스템의 배열 및 특징, 경계층 재유입 이득, 유체동력 균형 등을 고찰하였다. Recently, the global attention is focused on the development of the renewal aero-propulsion systems proved in the air pollution, the noise, the great operational cost, safety and risks. Especially, various study are conducting for the development of the advanced UAV which have high thrust to weight ratio through the significant reduction of fuel consumption and the upgrade of propulsion system efficiency. The body-embeded distributed hybrid propulsion system can be the representative which can reduce significantly the in-flight drag for this advanced aircraft. In this study, the arrays and features, the merits of boundary layer ingestion, the balance of fluid power of body-embeded distributed hybrid propulsion system were studied.

차세대 무인기용 경계층 재유입 분산 추진시스템의 특성연구

박토순(Tosoon Park),권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

최근 대기오염 물질의 배출, 비행소음, 과도한 운용비용, 안전성 및 위험 문제 해결을 위한 신개념 항공추진시스템 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 기존 항공추진시스템의 효율향상과 연료소모율 획기적 감소, 추력대 중량비가 높은 고효율의 신개념 무인항공기 개발에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다. 이러한 신개념의 항공기 개발을 위하여 비행항력을 최소화하기 위한 기체통합형 분산 하이브리드 추진시스템의 개발이 하나의 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 미래의 첨단 무인항공기에 적용할 수 있는 기체 매립형 분산 하이브리드 추진시스템의 구성 및 특징, 경계층 재유입 이득, 유체동력 균형 등을 연구하였다. Recently, the global attention is focused on the development of the renewal aero-propulsion systems proved in the air pollution, the noise, the great operational cost, safety and risks. Especially, various study are conducting for the development of the advanced UAV which have high thrust to weight ratio through the significant reduction of fuel consumption and the upgrade of propulsion system efficiency. The body-embeded distributed hybrid propulsion system can be the representative which can reduce significantly the in-flight drag for this advanced aircraft. In this study, the composition and features, the merits of boundary layer ingestion, the balance of fluid power of body-embeded distributed hybrid propulsion system were studied.

무인기용 하이브리드 추진시스템의 특성 및 발전전망

박토순(Tosoon Park),송제호(Jaeho Song),권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

최근 대기오염 물질의 배출, 소음, 과도한 운용비용, 안전성 및 위험 문제 해결을 위한 신개념 항공추진시스템 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 기존 항공추진시스템의 효율향상과 연료소모율감소, 수소나 태양에너지 등 신재생에너지를 이용한 친환경적인 추진시스템 개발, 전기추진과 핵추진 시스템 개발 등을 통한 추력대 중량비가 높은 고효율의 신개념 항공기 개발에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다. 이러한 신개념의 항공기 개발을 위하여 두 개 이상의 동력원을 조합하여 추진력을 얻는 하이브리드 추진시스템의 개발이 하나의 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 미래의 친환경적 첨단 무인항공기에 적용할 수 있는 하이브리드 추진시스템의 동향, 특징 및 개발방안, 발전방안 등을 고찰하였다. Recently, the global attention is focused on the development of the renewal aero-propulsion systems proved in the air pollution, the noise, the great operational cost, safety and risks. Especially, various study are conducting for the development of the advanced high power to weight ratio aircraft through the significant reduction of fuel consumption and upgrade of the propulsion efficiency, using the alternative propulsion system developments such as hydrogen and solar power system. The hybrid propulsion system can be the representative propulsion system which get the power sources by combining the merits of two or more power sources. In this study, the advancement trends, characteristics, design method which can be applied to the renewal future UAV development.

PEM 연료전지 경량화를 위한 마그네슘 분리판의 성능평가

박토순(To-Soon Park),이동우(Dong-Woo Lee),김경환(Kyung-Hwan Kim),권세진(Se-Jin Kwon) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.12

본 연구에서는 PEM 연료전지의 경량화를 위한 방안으로 밀도가 낮고 전기전도성이 높은 마그네슘 합금을 분리판에 적용하였다. 금속 분리판 표면의 부식 및 산화 방지막 형성을 위해서 스퍼터링을 이용하여 은(silver)을 증착하였다. 최적의 증착 조건 확립을 위한 내산성 평가에 있어서 미세균열이 발생하지 않는 3 ㎛를 최적 증착 두께로 선정하고, 180℃에서 코팅을 수행함으로써 증착 두께의 균일성을 향상시켰다. 단일전지 구성을 위한 분리판 형상결정을 위해서 체결압, 채널 깊이에 따른 성능을 비교평가 하였다. 제작된 분리판을 이용하여 단일전지를 구성하고, 코팅 유무 및 체결압과 채널 깊이별 전류-전압 성능을 비교평가 하였다. 코팅된 마그네슘 분리판은 최대 전력밀도 192 ㎽/㎠로, 단위 중량당 전력 밀도가 기존 금속 분리판 대비 우수함을 확인하였다. In present paper, we used magnesium alloy having a lower density and higher electrical conductivity for bipolar plate to reduce the weight of PEM fuel cell. The silver was coated to prevent corrosion and form passivation film on the metal surface with sputtering. In acid proof evaluation for setting optimal coating conditions, the homogeneity of coating thickness was improved by coating with the thickness of 3 ㎛ which not indicated any micro cracks and the temperature 180 ℃. The performance test and evaluation based on the clamping pressure and channel depth to determine the configuration of bipolar plate for assembling single cell was implemented. And then we assembled single cell with this bipolar plate and implemented the performance test to ensure and compare the current-voltage performance followed as several factors such as coating or non-coating, the change of clamping pressure, the change of channel depth, etc. As these results, the maximum power density of single cell with the coated bipolar plate was 192 ㎽/㎠ and it was confirmed that the power density per unit mass was better than existing metal bipolar plate.