• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.06a
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• pp.287-287
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• 2009

연료전지는 전기에너지와 열에너지를 동시에 사용 할 수 있기 때문에 에너지 효율이 높고 유해 배기물이 거의 없으므로 친환경적이다. 따라서 환경문제가 대두되고 있는 오늘날, 고효율 친환경의 연료 전지는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 보일러와 계통선에서 열과 전기를 공급받는 기존방식에 비해 연료전지 코제너레이션 시스템의 경우 20%이상 에너지 절감율을 향상시킬 수 있다. 기존 10kW이하의 소용량 발전설비의 경우 대형 발전소와 같은 수준인 30%이상의 전기 효율을 기대할 수 없으나 고분자 전해질 연료전지를 적용할 경우 1kW급에서도 35%의 전기 효율을 기대할 수 있으며 열회수까지 고려할 경우 80%에 가까운 열효율을 달성할 수 있다.(4)연료전지 시스템은 연료전지 스택 이외에, 연료변환장치, 급기설비, 열 및 물관리 설비, 전력변환장치 그리고 제어 장치 등으로 구성된다. 연료전지 시스템 성능은 연료전지 스택의 성능에 가장 의존적인데 연료전지 스택의 성능은 같은 스택이라도 운전 및 제어 방법에 따라서 다양하게 변할 수 있다. 실제로 연료전지 스택 자체의 전기 변환 효율은 최대 40% 까지로 매우 높으나, 다양한 운전 조건에 따라 효율이 30~40% 수준에서 변화는 것이 현실이다. 때문에 시스템을 설계할 때에는 종합화된 시스템 측면에서의 운전까지 고려한 설계와 성능 해석이 필요하다. 그간 연료전지를 활용한 가정용 열병합 발전분야에서는 시스템 설계를 위한 시뮬레이션 기반 성능 해석에 관한 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만 연료전지 스택의 경우 간이화된 성능 모델식을 사용하여 이로 인한 성능 예측모델의 오차가 크게 발생하여 전체 시스템 최적화의 저해요인으로 작용하여왔다. 따라서 본 연구에서는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템을 자체적으로 설계 개발하였으며 이 중 연료전지 스택의 성능모델을 실험기반으로 구축하였다. 먼저 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 설계는 크게 네 단계로 구분되며 이는 1) 시스템 개념 설계, 2) 연료전지 스택 설계, 3) 주변장치 설계, 4) 제어시스템 설계로 이뤄진다. 연료전지 스택의 성능 모델은 고분자연료전지의 성능에 가장 민감하게 영향을 미치는 온도 및 습도의 변화에 따른 다양한 스택 성능을 예측 가능하도록 개발하였으며 이는 간단한 이론 모델의 구조에 실험 데이터를 기반으로 모델 파라미터를 도출하는 기법으로 이뤄졌다.

• New & Renewable Energy
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• v.1 no.4 s.4
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• pp.25-29
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• 2005

연료전지 차량이 기존의 내연기관 차량과 동등한 성능을 확보하기 위해서는 80kW 이상의 용량을 가진 스택이 탑재되어야 하며, 별도로 차량 구조를 변경시키지 않고 탑재하기 위해서는 높은 출력밀도를 가진 연료전지 스택의 개발이 필요하다. 현대 자동차가 독자 기술로 개발하고 있는 연료전지 스택은 출력 80kW, 출력밀도 1.0kW/l를 목표로 하고 있으며 지난 1년간의 과제 수행을 통해 어느 정도 성능을 만족하는 스택을 개발하였다. 앞으로는 연료전지 스택의 내구성 및 냉시동성을 개선하기 위해 많은 연구가 수행될 예정이다.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 1999.05a
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• pp.233-238
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• 1999

고분자 연료전지 (polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC)) 시스템은 연료전지 스택, 연료공급부, 공기공급부, 냉각부, 운전 제어부, 전자부하 및 데이터 획득부 그리고 인버터 등으로 구성된다. 이 가운데 가장 중요한 구성요소인 고분자 연료전지 스택의 성능은 전극과 전해질막 접합체의 성능뿐만 아니라 스택의 구조와 유로형상에도 크게 의존한다. 따라서 보다 고성능의 전해질막과 전극을 개발하고 소형화, 경량화가 가능한 스택의 구조와 유로형상을 찾는 것이 고분자 연료전지 스택의 개발에 있어 매우 중요하다.(중략)

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2009.11a
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• pp.170-170
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• 2009

AIP(Air Independent Propulsion)시스템에 적용되는 연료전지 스택의 경우 연료의 이용율을 극대화시키는 것이 매우 중요하다. 일반적인 연료전지 스택은 물배출과 성능의 안정화를 위해 이론적 요구량보다 양론적으로 많은 양을 공급하여, 반응에 사용되지 않고 배출되는 연료 가스가 많아 이용율이 낮다. 여러 단으로 구성되어 전 단에서 사용하고 남은 연료 가스를 다음 단에 재공급하여 사용하는 케스케이드 구조의 연료전지 스택을 적용하게 되면 연료이용율을 90% 이상으로 높일 수 있다. 그러나 연료전지 스택에서 반응에 의해 발생한 물과 응축된 가습수가 재공급되면 연료전지 스택의 성능과 내구성에 악영향을 주는 플러딩현상이 발생하게 된다. 반면 반응수와 응축수를 제거할 때 스택에 재공급되는 연료 가스의 가습수가 같이 제거되면 낮은 가습도로 스택에 공급되는 문제점도 있다. 따라서 연료 가스의 가습도를 잘 유지하면서 액화된 물만 원활하게 제거할 수 있는 기액분리기의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 CFD(Computational Fluid Dynamics)해석을 활용하여 다양한 디자인의 기액분리기를 설계하고 실험을 통해 각 디자인의 장단점을 분석하였다. 결과를 바탕으로 최적의 기액분리기를 개발하고 제작 및 평가를 통해 성능을 검증하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.11a
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• pp.122-129
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• 2005

연료전지 차량이 기존의 내연기관 차량과 동등한 성능을 확보하기 위해서는 80kW 이상의 용량을 가진 스택이 탑재되어야 하며, 별도로 차량 구조를 변경시키지 않고 탑재하기 위해서는 높은 출력밀도를 가진 연료전지 스택의 개발이 필요하다. 현대 자동차가 독자 기술로 개발하고 있는 연료전지 스택은 출력 80kW, 출력밀도 1.0kW/l를 목표로 하고 있으며 지난 1년간의 과제 수행을 통해 어느 정도 성능을 만족하는 스택을 개발하였다. 앞으로는 연료전지 스택의 내구성 및 냉시동성을 개선하기 위해 많은 연구가 수행될 예정이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.145.2-145.2
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• 2010

탄소복합소재 분리판의 연료전지 성능을 시험하기 위해 소형 고분자연료전지 스택을 제작하였으며 연료전지 운전에 따른 성능변화를 측정하여 탄소복합소재 분리판이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 자체 설계한 가스유로로 디자인된 분리판과 MEA를 적층한 스택의 초기 성능과 장기간 운전에 따른 전압 감소를 측정하였다. 또한 장시간 운전 동안 각 셀의 전압 거동도 함께 측정하였으며 비교를 위해 흑연 분리판을 이용하여 제작한 스택의 성능도 함께 시험하였다. 스택에서 각 셀의 성능은 단위전지에서의 성능과 유사하게 나타나 분리판과 스택의 구조가 셀의 성능을 충분히 보여줄 만큼 적절히 디자인된 것을 알 수 있었으며, 장시간 운전 동안 전류가 증가함에 따라 스택의 성능 감소도 점차 증가하였으며 두 종류의 스택이 유사한 성능 감소를 보여 자체 제작한 탄소복합소재 분리판이 흑연 분리판과 유사한 성능을 보임을 알 수 있었다.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2011.11a
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• pp.683-684
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• 2011

연료전지시스템을 항공기 동력원으로 사용하기 위해서는 요구되는 출력에 필요한 스택성능과 한정된 부피 내 연료전지시스템을 탑재하기 위한 운전장치 구성, 그리고 무게를 최소화하기 위한 부품 및 재료 선정이 필요하다. 스택의 기본성능은 MEA(Membrane electrode assembly)와 기체확산층 구조, 분리판 디자인 및 운전조건 등에 의해 결정된다. 스택의 기본성능은 연료전지시스템을 구성하는 운전장치 구성 및 성능에 의해 달라지기 때문에 어떠한 운전장치를 어떠한 구성으로 설계하는가에 따라서 성능이 변한다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 연료전지시스템을 항공기 동력원으로 사용하기 위해서 고려되어야할 스택과 운전장치의 구성이 성능에 미치는 영향과 운전환경(스택 경사, 고도)이 연료전지 스택성능에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.79.2-79.2
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• 2010

FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)는 연료전지스택의 각 셀에서 반응하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 차량을 구동하는 시스템이다. 이러한 연료전지 셀이 정상적인 발전이 되지 않을 경우 비정상적인 전압이 발전되고 이것을 방치한다면 연료전지 스택의 영구적인 고장을 야기할 수 있다. 이를 방지하기 위해 SVM(Stack Voltage monitor) 제어기는 각 셀의 전압을 측정하고 그 정보를 상위 제어기인 FCU(Fuel cell Control Unit)에 전달한다. 이에 FCU는 연료전지스택의 고장을 운전자에게 알리고 연료전지스택의 발전을 멈추게 한다. 기존에 SVM 제어기는 각 셀마다 분압저항을 통하여 측정하며 이 전압의 차를 이용하여 셀 전압을 계산하는 방식이었다. 이는 상위 셀로 갈수록 오차가 커지는 문제가 있고 다수의 CPU 및 DC/DC 컨버터가 적용이 필요하여 복잡한 구성과 가격이 높은 문제가 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 cell monitoring IC를 적용하였고 좀 더 정밀한 측정과 간단한 인터페이스를 구성할 수 있었다. 본 연구에서는 기존 SVM 제어기보다 안정되고 정밀한 SVM 제어기의 개발에 대해 기술하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.79.1-79.1
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• 2010

현재까지의 연료전지 스택 고장 진단 방법은 스택의 전류와 각 셀 전압값을 측정하고 그 측정된 값을 계산함으로써 스택의 고장 여부를 판단하는 것이었다. 이러한 방법은 수백개 이상의 스택의 셀 전압을 2~4개 단위로 측정하기 때문에 백개 이상의 측정 채널이 필요하다. 또한, 스택 진단 시스템을 복잡하게 하여 신뢰성을 저하시킬 뿐만 아니라 가격 상승을 유발한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 THDA(전고조파왜율 분석) 방법을 제안하였다. THDA는 스택에 교류 전류를 주입하고 스택 양단의 전압을 측정하여 주입된 교류 전류의 THD를 구함으로써 연료전지 스택의 상태를 진단하는 방법이다.

• Clean Technology
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• v.7 no.4
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• pp.243-250
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• 2001

The fuel cell has been continuously studied as environment-compatible alternative energy technology. Lately the basic techniques about stacking and widening are considered to be important for practical use. Although phosphoric acid fuel cell (PAFC) is the most progressed one in the fuel cell technologies, few studies about temperature profile of the stack which can be the basic data for the fuel cell design have been reported yet. In this study, the temperature profile of PAFC stack was simulated. The temperature profiles of stack were obtained at various operating conditions, and when stack is operated the proper position to measure the temperature could be predicted. Also we can propose more effective cooling design. The standard deviation of the temperature profile of the proposed design was is about 50% smaller.