화석연료의 고갈과 대기오염의 문제성을 극복하기 위한 여러 방법이 대두되고 있는데, 수소 연료는 현재의 화석 연료를 대체할 에너지원으로서의 가능성이 크다. 미래의 대체 에너지원으로서 수소를 이용하는 자동차 및 각종 동력 시스템이 미국, 일본, 독일 등 선진국 중심으로 활발히 진행 중이다. 특히 연료전지 시스템은 수소 연료의 이용 측면에 있어서 많은 장점을 가지고 있기 때문에 빠른 진전을 이루고 있다. ...
화석연료의 고갈과 대기오염의 문제성을 극복하기 위한 여러 방법이 대두되고 있는데, 수소 연료는 현재의 화석 연료를 대체할 에너지원으로서의 가능성이 크다. 미래의 대체 에너지원으로서 수소를 이용하는 자동차 및 각종 동력 시스템이 미국, 일본, 독일 등 선진국 중심으로 활발히 진행 중이다. 특히 연료전지 시스템은 수소 연료의 이용 측면에 있어서 많은 장점을 가지고 있기 때문에 빠른 진전을 이루고 있다. 연료전지는 연소반응 없이 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지를 자동차 동력기관으로 적용할 경우 카르노 사이클의 제한이 없고 현재의 내연기관에 비해 효율이 높으며 조용하고 안정적이다. 연료전지의 연료로서는 수소, 메탄올, 천연가스, 가솔린 등이 될 수 있으나 최종적으로 수소가 연료전지에 들어가므로 순수한 수소가 가장 적합하다. 수소를 제외한 연료는 탄소성분을 함유하고 있어 이산화탄소의 배출을 피할 수 없으며 고순도의 수소를 얻기 위해 개질기가 필요하다. 수소를 연료로 사용하면 배기가스가 순수한 물만 배출되므로 완전 무공해이다. 연료전지 하이브리드화할 경우 고부하시 battery로 연료전지의 출력을 보조함으로써 작은 연료전지를 사용할 수 있다. 현재의 시점에서 연료전지의 가격이 고가이기 때문에 연료전지 하이브리드화는 초기 비용을 줄일 수 있다. 또한 제동시의 에너지를 회수하여 battery에 저장할 수 있고, 연료전지 시스템의 효율이 높은 영역에서 연료전지를 작동하게 하는 등의 장점이 있다. 그러나 하이브리드화는 시스템이 복잡해지고, 무게가 증가하고, 구동에 많은 에너지가 소모되며 복잡한 제어 전략을 필요로 한다. 본 연구에서는 고분자 전해질 막인 Nafion 117을 전처리하고, Electro chem.사의 상용 전극을 사용하여 hot press 방법으로 MEA를 제작하였으며, graphite를 사용하여 수소, 산소, 냉각셀의 형상을 가공하였다. 단위 전지를 제작하여 가습 조건 및 온도의 변화에 따른 성능 실험을 하였다. 이를 기본으로 15cell 연료전지 스택을 제작하였다. 연료전지 스택의 가습 조건, 온도 변화에 따른 성능 실험을 하였으며, 초기 작동시의 출력 특성, 일정 전류에서 시간에 따른 스택의 성능과 온도의 변화, 운전 조건 및 시간의 변화에 따른 각 cell의 성능변화, 스택 표면의 온도 분포 분석을 하였다. 자동차에 적용 고려하여 battery와 연료전지 하이브리드 시스템을 제작하였으며, 연료전지의 성능 변화에 따른 DC-DC converter의 출력 특성 및 효율에 대한 실험, load의 변화에 따른 하이브리드 시스템의 출력 변화 및 battery의 충·방전의 변화에 따른 SoC 및 전체적인 시스템의 효율 계산 및 고찰을 하였다. 동력계를 통한 연료전지 battery 하이브리드 시스템의 출력 특성 및 모터 출력 특성, 하이브리드 시스템의 효율적인 제어 등에 대한 실험을 하였다. 현재 운행되고 있는 승용차의 출력은 75kW정도이다. 본 연구에서 연료전지 하이브리드 시스템의 출력은 승용차에 비하여 매우 낮다. 시스템의 규모 및 모터의 종류 제어 방법 등에서 자동차에 적용하는 데는 차이점이 발생할 것이다. 그러나 기본적인 시스템의 구성 및 제어 방법, 실험의 방법은 유사하며 자동차 적용을 위한 활용 가능성은 크다. PEM 연료전지 스택을 제작하기 위해 전극면적 290㎠의 단위전지를 제작 실험 결과 전지의 온도가 65℃, 수소 가습 온도 75℃에서 산소 가습 온도가 45℃일 때 가장 좋은 성능을 보였으며, 냉각수 출구의 압력을 조절해 줌으로써 전체적인 연료전지의 온도분포를 균일하게 할 수 있어 연료전지 성능 향상을 기대할 수 있다. 수소 가습의 온도를 75℃로 하고, 산소 가습의 온도를 70℃로 하였을 때 스택의 온도가 60℃에서 가장 좋은 성능을 보였다. 연료전지 전압에 비례하여 연료전지의 출력을 제어하는 하이브리드 시스템을 제작하였다. 하이브리드 시스템의 출력이 낮은 경우 연료전지의 출력으로 battery를 충전하고, 하이브리드 시스템의 출력이 높은 경우 연료전지와 battery에서 전력을 공급한다. 연료전지 전압이 7V이상, battery와 DC-DC converter의 전압차이가 1.68V이상에서 하이브리드 시스템이 작동하게 함으로써 DC-DC converter의 효율이 높은 영역에서 작동하게 하였다.
화석연료의 고갈과 대기오염의 문제성을 극복하기 위한 여러 방법이 대두되고 있는데, 수소 연료는 현재의 화석 연료를 대체할 에너지원으로서의 가능성이 크다. 미래의 대체 에너지원으로서 수소를 이용하는 자동차 및 각종 동력 시스템이 미국, 일본, 독일 등 선진국 중심으로 활발히 진행 중이다. 특히 연료전지 시스템은 수소 연료의 이용 측면에 있어서 많은 장점을 가지고 있기 때문에 빠른 진전을 이루고 있다. 연료전지는 연소반응 없이 화학적 에너지를 직접 전기에너지로 변환하는 장치이다. 연료전지를 자동차 동력기관으로 적용할 경우 카르노 사이클의 제한이 없고 현재의 내연기관에 비해 효율이 높으며 조용하고 안정적이다. 연료전지의 연료로서는 수소, 메탄올, 천연가스, 가솔린 등이 될 수 있으나 최종적으로 수소가 연료전지에 들어가므로 순수한 수소가 가장 적합하다. 수소를 제외한 연료는 탄소성분을 함유하고 있어 이산화탄소의 배출을 피할 수 없으며 고순도의 수소를 얻기 위해 개질기가 필요하다. 수소를 연료로 사용하면 배기가스가 순수한 물만 배출되므로 완전 무공해이다. 연료전지 하이브리드화할 경우 고부하시 battery로 연료전지의 출력을 보조함으로써 작은 연료전지를 사용할 수 있다. 현재의 시점에서 연료전지의 가격이 고가이기 때문에 연료전지 하이브리드화는 초기 비용을 줄일 수 있다. 또한 제동시의 에너지를 회수하여 battery에 저장할 수 있고, 연료전지 시스템의 효율이 높은 영역에서 연료전지를 작동하게 하는 등의 장점이 있다. 그러나 하이브리드화는 시스템이 복잡해지고, 무게가 증가하고, 구동에 많은 에너지가 소모되며 복잡한 제어 전략을 필요로 한다. 본 연구에서는 고분자 전해질 막인 Nafion 117을 전처리하고, Electro chem.사의 상용 전극을 사용하여 hot press 방법으로 MEA를 제작하였으며, graphite를 사용하여 수소, 산소, 냉각셀의 형상을 가공하였다. 단위 전지를 제작하여 가습 조건 및 온도의 변화에 따른 성능 실험을 하였다. 이를 기본으로 15cell 연료전지 스택을 제작하였다. 연료전지 스택의 가습 조건, 온도 변화에 따른 성능 실험을 하였으며, 초기 작동시의 출력 특성, 일정 전류에서 시간에 따른 스택의 성능과 온도의 변화, 운전 조건 및 시간의 변화에 따른 각 cell의 성능변화, 스택 표면의 온도 분포 분석을 하였다. 자동차에 적용 고려하여 battery와 연료전지 하이브리드 시스템을 제작하였으며, 연료전지의 성능 변화에 따른 DC-DC converter의 출력 특성 및 효율에 대한 실험, load의 변화에 따른 하이브리드 시스템의 출력 변화 및 battery의 충·방전의 변화에 따른 SoC 및 전체적인 시스템의 효율 계산 및 고찰을 하였다. 동력계를 통한 연료전지 battery 하이브리드 시스템의 출력 특성 및 모터 출력 특성, 하이브리드 시스템의 효율적인 제어 등에 대한 실험을 하였다. 현재 운행되고 있는 승용차의 출력은 75kW정도이다. 본 연구에서 연료전지 하이브리드 시스템의 출력은 승용차에 비하여 매우 낮다. 시스템의 규모 및 모터의 종류 제어 방법 등에서 자동차에 적용하는 데는 차이점이 발생할 것이다. 그러나 기본적인 시스템의 구성 및 제어 방법, 실험의 방법은 유사하며 자동차 적용을 위한 활용 가능성은 크다. PEM 연료전지 스택을 제작하기 위해 전극면적 290㎠의 단위전지를 제작 실험 결과 전지의 온도가 65℃, 수소 가습 온도 75℃에서 산소 가습 온도가 45℃일 때 가장 좋은 성능을 보였으며, 냉각수 출구의 압력을 조절해 줌으로써 전체적인 연료전지의 온도분포를 균일하게 할 수 있어 연료전지 성능 향상을 기대할 수 있다. 수소 가습의 온도를 75℃로 하고, 산소 가습의 온도를 70℃로 하였을 때 스택의 온도가 60℃에서 가장 좋은 성능을 보였다. 연료전지 전압에 비례하여 연료전지의 출력을 제어하는 하이브리드 시스템을 제작하였다. 하이브리드 시스템의 출력이 낮은 경우 연료전지의 출력으로 battery를 충전하고, 하이브리드 시스템의 출력이 높은 경우 연료전지와 battery에서 전력을 공급한다. 연료전지 전압이 7V이상, battery와 DC-DC converter의 전압차이가 1.68V이상에서 하이브리드 시스템이 작동하게 함으로써 DC-DC converter의 효율이 높은 영역에서 작동하게 하였다.
The environmental problems caused by vehicle and the limitation of fossil fuels are demanding new engine. Hydrogen fuel cell powered vehicle is considered as a solution of these problems. Fuel cells are devices that change chemical energy directly into electrical energy without combustion. Using fue...
The environmental problems caused by vehicle and the limitation of fossil fuels are demanding new engine. Hydrogen fuel cell powered vehicle is considered as a solution of these problems. Fuel cells are devices that change chemical energy directly into electrical energy without combustion. Using fuel cell as automotive engine, there is no Carnot cycle efficiency limitation and the efficiency will increase about two times than that of internal combustion. Because fuel cells have no moving part, fuel cells are very quiet and reliable. Hydrogen, methanol, natural gas, gasoline can be fuels of fuel cells, but the last form of fuels must be hydrogen to be used in fuel cells especially in the PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). Because such fuels except hydrogen have carbon, it is impossible to avoid exhaust gas of carbon dioxide. When hydrogen is used as fuel of fuel cells, the exhaust is pure water only and there is no need of fuel processor. Hybridization of fuel cell enables to reduce the size of fuel cell by using battery when power demand is high such as higher load or acceleration and to operate fuel cell system more efficiently It enables to reduce initial cost of vehicle manufacturing because the cost of expensive fuel cell can be reduced. When the power demand is low, fuel cell provides required power. The use of battery allows fast start-up of fuel cell and allows capture of regeneration energy. The disadvantages of hybridization are complexity of system, weight increase, complexity of control system and extra battery cost. MEA is assembled using hot pressing process Polymer electrolyte is Nafion 117 and electrode is 20% platinum on Vulcan X-72 carbon(from Electro-Chem.). Active cell area is 289㎠. Graphite is used for bipolar plate. Fuel cell stack is evaluated at different humidification and temperature. The potential-current and power-current were analysed. Temperature distribution of fuel cell stack was analysed. The conditions of humidification and fuel cell temperature are very important factor of PEM fuel cell. If the temperature of humidification is very much lower or higher than stack temperature, the performance of fuel cell is low. The voltage drop of particular cell affects performance of stack. Hybrid system is consisted of fuel cell, battery, DC-DC converter and motor. Voltage, current and power of battery, FC, DC-DC converter are measured. By using electronic load the responses, performance and power of hybrid system are analysed. Battery assists and compensates for the total system power for the instance of low fuel cell power. In this study, the power of fuel cell hybrid system is smaller than that of car. There are differences to apply this system to the car according to the size of system, control method and types of motor. But configuration of basic system, control method and experimental method are similar and possibility of application to the car is very high. At the operational conditions of cell temperature of 65℃ and hydrogen humidifying temperature of 75℃, unit cell shows the best performance when oxygen temperature is 45℃. The performance of fuel cell can be increased by controlling of coolant outlet pressure that makes distribution of fuel cell temperature uniform. At the operational conditions of stack temperature of 75℃ and hydrogen humidifying temperature of 70℃, fuel cell stack shows the best performance when oxygen temperature is 45℃. When the required power of hybrid system is low, battery is charged by fuel cell power When the required power of hybrid system is high, fuel cell and battery supply power. To operate DC-DC converter efficiently, the voltage difference between battery and DC-DC boost converter must be higher than 1.68V and fuel cell stack voltage must be higher than 7V in fuel cell hybrid system.
The environmental problems caused by vehicle and the limitation of fossil fuels are demanding new engine. Hydrogen fuel cell powered vehicle is considered as a solution of these problems. Fuel cells are devices that change chemical energy directly into electrical energy without combustion. Using fuel cell as automotive engine, there is no Carnot cycle efficiency limitation and the efficiency will increase about two times than that of internal combustion. Because fuel cells have no moving part, fuel cells are very quiet and reliable. Hydrogen, methanol, natural gas, gasoline can be fuels of fuel cells, but the last form of fuels must be hydrogen to be used in fuel cells especially in the PEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell). Because such fuels except hydrogen have carbon, it is impossible to avoid exhaust gas of carbon dioxide. When hydrogen is used as fuel of fuel cells, the exhaust is pure water only and there is no need of fuel processor. Hybridization of fuel cell enables to reduce the size of fuel cell by using battery when power demand is high such as higher load or acceleration and to operate fuel cell system more efficiently It enables to reduce initial cost of vehicle manufacturing because the cost of expensive fuel cell can be reduced. When the power demand is low, fuel cell provides required power. The use of battery allows fast start-up of fuel cell and allows capture of regeneration energy. The disadvantages of hybridization are complexity of system, weight increase, complexity of control system and extra battery cost. MEA is assembled using hot pressing process Polymer electrolyte is Nafion 117 and electrode is 20% platinum on Vulcan X-72 carbon(from Electro-Chem.). Active cell area is 289㎠. Graphite is used for bipolar plate. Fuel cell stack is evaluated at different humidification and temperature. The potential-current and power-current were analysed. Temperature distribution of fuel cell stack was analysed. The conditions of humidification and fuel cell temperature are very important factor of PEM fuel cell. If the temperature of humidification is very much lower or higher than stack temperature, the performance of fuel cell is low. The voltage drop of particular cell affects performance of stack. Hybrid system is consisted of fuel cell, battery, DC-DC converter and motor. Voltage, current and power of battery, FC, DC-DC converter are measured. By using electronic load the responses, performance and power of hybrid system are analysed. Battery assists and compensates for the total system power for the instance of low fuel cell power. In this study, the power of fuel cell hybrid system is smaller than that of car. There are differences to apply this system to the car according to the size of system, control method and types of motor. But configuration of basic system, control method and experimental method are similar and possibility of application to the car is very high. At the operational conditions of cell temperature of 65℃ and hydrogen humidifying temperature of 75℃, unit cell shows the best performance when oxygen temperature is 45℃. The performance of fuel cell can be increased by controlling of coolant outlet pressure that makes distribution of fuel cell temperature uniform. At the operational conditions of stack temperature of 75℃ and hydrogen humidifying temperature of 70℃, fuel cell stack shows the best performance when oxygen temperature is 45℃. When the required power of hybrid system is low, battery is charged by fuel cell power When the required power of hybrid system is high, fuel cell and battery supply power. To operate DC-DC converter efficiently, the voltage difference between battery and DC-DC boost converter must be higher than 1.68V and fuel cell stack voltage must be higher than 7V in fuel cell hybrid system.
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