[논문]연료전지 자동차용 복합형 가습시스템에 관한 연구

김현유; 권혁률; 서상훈; 박용선; 안병기

연료전지 자동차용 복합형 가습시스템에 관한 연구
An Integrated Humidification System for a Fuel Cell Vehicle 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.21 no.6, 2010년, pp.547 - 552

김현유 (현대자동차) , 권혁률 (현대자동차) , 서상훈 (현대자동차) , 박용선 (현대자동차) , 안병기 (현대자동차)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we suggested an integrated humidification system for a fuel cell electric vehicle (FCEV) as an efficient method of humidification under the various driving condition of the fuel cell vehicle and system. It is improving air humidification system combined the existing membrane humidifier and water injection. As a result, we verified it through experiments and the vehicle test and could get a result of improvement of humidification performance. The results show that an integrated humidification system is a useful method for FCEV applications.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연료전지 차량 및 시스템의 다양한 운전조건에서의 효율적인 가습을 위한 방안으로 기존 막가습기에 물 분사하는 방식, 즉, 복합형 가습 시스템을 제시하였으며, 실험을 통하여 이를 검증하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 이러한 연료전지 차량 및 시스템의 다양한 운전조건에서 효율적인 가습을 위한 방안으로 막가습기와 물 분사 방식을 혼합한 복합형 가습시스템을 제시하였으며, 실험을 통하여 이를 검증하였다.
본 연구에서는 이를 위한 방법으로 기존 막가습기에 연료극 측에서 생성되는 응축수를 분사하는 것을 모사한 물 분사 방식을 제안하였으며, 실험을 통하여 검증하였다. 연료극 측에서 생성되는 응축수를 분사할 경우, 응축수를 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 응축수에 의해 스택 배출 공기의 온도를 낮출 수 있어 가습성능 향상을 도모할 수 있다.

제안 방법

공기유량의 경우, SR(stoichiometry ratio) 2.0을 기준으로 하였으며, 분사되는 물의 양은 1, 2g/sec를 기준으로 하였다. 기본 실험 및 측정은 일반적인 막가습기 성능 측정 방법으로 스택 배출 공기의 온도 및 상대습도(RH) 변화에 따른 스택 입구 공기의 온도 및 상대습도를 측정함으로써 비교 평가 하였다.
0을 기준으로 하였으며, 분사되는 물의 양은 1, 2g/sec를 기준으로 하였다. 기본 실험 및 측정은 일반적인 막가습기 성능 측정 방법으로 스택 배출 공기의 온도 및 상대습도(RH) 변화에 따른 스택 입구 공기의 온도 및 상대습도를 측정함으로써 비교 평가 하였다. 스택 배출 공기의 온도는 60℃～90℃까지 변화시켰으며, 각 온도에 대해 상대습도는 30%～90%까지 변화시켜 시험을 실시하였다.
즉, 연료전지 스택의 운전온도 상승 및 이에 따른 차량 시험 조건을 만족하기 위한 막가습기의 가습성능 향상 방안으로 기존 막가습기에 물 분사 하는 방식, 즉, 복합형 가습시스템을 제시하였고 실험을 통하여 검증하였다. 또한 본 연구에서는 이에 앞서, 기존 막가습기의 여러 조건 하에서의 기본성능 및 이에 따른 성능맵을 도출하였다.
기본 실험 및 측정은 일반적인 막가습기 성능 측정 방법으로 스택 배출 공기의 온도 및 상대습도(RH) 변화에 따른 스택 입구 공기의 온도 및 상대습도를 측정함으로써 비교 평가 하였다. 스택 배출 공기의 온도는 60℃～90℃까지 변화시켰으며, 각 온도에 대해 상대습도는 30%～90%까지 변화시켜 시험을 실시하였다.
위의 결과들 즉, 막가습기 성능 평가 및 막가습기/물 분사 성능 평가를 바탕으로 하여 복합형 가습시스템의 냉각 효과를 확인하기 위하여 실제 연료전지 차량에서 냉각 장치를 활용한 성능 테스트를 실시하였다. 실제 연료전지 차량 평가에 있어서는, 평가의 용이를 위하여, 물 분사 대신 인터쿨러를 적용하였으며, 인터쿨러 적용을 통하여 스택 배출 공기와 냉각수와의 열교환을 통한 스택 배출 공기의 온도를 낮추어 평가를 진행하였다. 그리고 그 결과를 Table 3에 나타내었다.
위의 결과들 즉, 막가습기 성능 평가 및 막가습기/물 분사 성능 평가를 바탕으로 하여 복합형 가습시스템의 냉각 효과를 확인하기 위하여 실제 연료전지 차량에서 냉각 장치를 활용한 성능 테스트를 실시하였다. 실제 연료전지 차량 평가에 있어서는, 평가의 용이를 위하여, 물 분사 대신 인터쿨러를 적용하였으며, 인터쿨러 적용을 통하여 스택 배출 공기와 냉각수와의 열교환을 통한 스택 배출 공기의 온도를 낮추어 평가를 진행하였다.
연료극 측에서 생성되는 응축수를 분사할 경우, 응축수를 이용할 수 있을 뿐만 아니라, 응축수에 의해 스택 배출 공기의 온도를 낮출 수 있어 가습성능 향상을 도모할 수 있다. 즉, 연료전지 스택의 운전온도 상승 및 이에 따른 차량 시험 조건을 만족하기 위한 막가습기의 가습성능 향상 방안으로 기존 막가습기에 물 분사 하는 방식, 즉, 복합형 가습시스템을 제시하였고 실험을 통하여 검증하였다. 또한 본 연구에서는 이에 앞서, 기존 막가습기의 여러 조건 하에서의 기본성능 및 이에 따른 성능맵을 도출하였다.

대상 데이터

특히 막가습기는 막의 화학적 수분이동 능력을 활용하여 기체-기체 혹은 기체-액체 형태로 공기를 가습하여 연료전지 반응에 필요한 가습된 공기를 공급하는 장치이다. 막가습기의 주요 구성품으로는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 가습막 모듈(①), 하우징(②), 매니폴드(③)등으로 구성되어 있다.

성능/효과

1) 평가를 통하여 막가습기의 성능맵을 도출할 수 있었으며, 막가습기의 경우, 스택 배출 공기의 온도가 낮고 상대습도가 높을수록 더 우수한 가습성능을 발휘한다.
2) 막가습기/물 분사 성능 평가 결과, 2g/sec 물 분사 시, 최대 32.5%의 가습 성능 향상 결과를 얻을 수 있었다.
3) 차량에 인터쿨러를 설치하여, 스택 배출 공기의 온도를 낮추고 상대습도를 증가시킨 결과, 스택으로 공급되어지는 공급 공기의 상대습도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 이를 통하여, 실제 차량에 있어서 스택 배출 공기의 온도를 낮추는 것이 효과가 있음을 알 수 있었으며, 본 논문에서 제시한 복합형 가습시스템 적용시, 큰 효과가 있을 것임을 알 수 있다.
4) 차량의 시험 조건을 만족시키기 위해서는, 연료 전지 스택의 운전온도 상향이 필수적이며, 이를 위해서는 막가습기의 가습성능 향상이 필수적이다. 따라서, 본 연구 결과를 토대로, 향후 막가습기의 가습성능 향상을 위한 기술적 개선 방향을 확인할 수 있었다.
Table 1에서 보는 바와 같이, 스택 배출 공기의 온도 및 RH가 90℃, 30%일 때, 스택 배출 공기에 1g/sec 또는 2g/sec의 물을 분사하였을 경우, 막가습기 단독 운전 대비, 절대습도가 0.04kg/kg에서 각각 0.048kg/kg, 0.053kg/kg으로 가습성능이 20%, 32.5% 향상됨을 실제 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 이는 스택 배출 공기에 물 분사를 할 경우, 스택 배출 공기의 온도 저하에 따른 상대습도 증가로 인하여 막가습기의 가습성능이 향상되었을 뿐만 아니라, 물 분사에 의한 추가적인 수분 공급으로 인하여 또한 막가습기의 가습성능이 향상되었음을 나타내는 결과이다.
Table 2에서 보는 바와 같이, 인터쿨러 적용을 통하여 스택 배출 공기의 온도를 10oC 낮출 수 있었으며, 이 때, 스택으로 공급되어 지는 공급 공기의 상대습도가 47% → 63%로 16%증가하는 것을 확인할 수 있었다.
결국, 차량 적용 평가를 통하여, 본 논문에서 제시한 기존 막가습기 시스템에 물 분사 하는 방식, 즉, 물 분사를 통하여 스택 배출 공기의 온도를 낮추고 상대습도를 높임으로서 막가습기의 가습성능을 향상시키는 복합형 가습시스템 적용 시, 큰 효과가 있을 것임을 알 수 있다.
3) 차량에 인터쿨러를 설치하여, 스택 배출 공기의 온도를 낮추고 상대습도를 증가시킨 결과, 스택으로 공급되어지는 공급 공기의 상대습도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 이를 통하여, 실제 차량에 있어서 스택 배출 공기의 온도를 낮추는 것이 효과가 있음을 알 수 있었으며, 본 논문에서 제시한 복합형 가습시스템 적용시, 큰 효과가 있을 것임을 알 수 있다.
또한, Fig. 4를 통하여 알 수 있는 것은 막가습기의 경우, 스택 배출 공기의 절대습도가 동일할 때, 즉 스택 배출 공기 내에 포함된 수분의 양이 같을 경우, 온도가 낮고 상대습도가 높으면 높을수록 막 가습기의 성능 측면에 있어서는 더 유리함을 알 수 있다. 이는 스택 배출 공기의 온도가 높고 상대습도가 낮은 것보다, 온도가 낮고 상대습도가 높은 것이 막가습기를 통한 수분 전달에 있어서 더 효율적이라는 것을 의미한다.
5% 향상됨을 실제 실험을 통하여 확인할 수 있었다. 이는 스택 배출 공기에 물 분사를 할 경우, 스택 배출 공기의 온도 저하에 따른 상대습도 증가로 인하여 막가습기의 가습성능이 향상되었을 뿐만 아니라, 물 분사에 의한 추가적인 수분 공급으로 인하여 또한 막가습기의 가습성능이 향상되었음을 나타내는 결과이다.
성능맵의 경우는 실제 시험을 통하여 측정한 여러 값들을 이용하여 스택 배출 공기의 온도와 상대습도에 따른 스택 입구 공기의 절대습도 값을 계산하여 구하였으며, 이를 연속상의 그래프로 표현하였다. 즉, 이를 통하여 스택 배기 공기의 온도 및 상대습도에 따라서 실제 스택으로 들어가는 공기 중에 포함된 물 양을 구할 수 있는 막가습기 자체의 성능맵을 구할 수 있었다. 예를 들어, 스택 배기 공기의 온도 및 상대습도 값이 90℃, 30%일 경우, 스택으로 들어가는 공기의 절대습도는 0.

후속연구

4) 차량의 시험 조건을 만족시키기 위해서는, 연료 전지 스택의 운전온도 상향이 필수적이며, 이를 위해서는 막가습기의 가습성능 향상이 필수적이다. 따라서, 본 연구 결과를 토대로, 향후 막가습기의 가습성능 향상을 위한 기술적 개선 방향을 확인할 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	외부가습 방식에는 어떤 방식이 있는가?	연료전지 가습시스템의 경우, 크게 내부가습과 외부가습 방식으로 나눌 수 있다. 외부가습 방식에는 버블링 방식, 액적 분무 방식, 막가습기 방식 등이 있다2,5,6). 하지만, 연료전지 자동차의 경우 패키지 측면에 제한이 있기 때문에 상대적으로 부피가 작은 막가습기가 적용되고 있다.
	연료전지 가습시스템은 어떻게 나눌 수 있는가?	연료전지 가습시스템의 경우, 크게 내부가습과 외부가습 방식으로 나눌 수 있다. 외부가습 방식에는 버블링 방식, 액적 분무 방식, 막가습기 방식 등이 있다2,5,6).
	공기공급시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	그리고 아래 Fig. 1과 같이 공기필터, 소음기, 공기블로워, 가습기 등으로 구성되어진다. 공기필터는 스택의 내구성을 저하시키는 수 마이크로미터 이상의 미세 먼지와 SO2와 같은 화학물질을 제거해 주는 역할을 하며, 소음기는 공기 블로워에서 발생되는 소음을 저감시켜주는 역할을 한다.

참고문헌 (8)

김영민, 임태원, 이종현, 안병기, 임세준, "In-Situ분석법에 의한 연료전지 특성 연구", 한국수소 및 신에너지학회논문집, Vol. 20, No. 3, 2009, pp. 208-215.

원문보기 상세보기
이무석, 김경주, 신용철, 김동현, 서상훈, 김현유, "수송용 연료전지 시스템 적용을 위한 기체-기체 막가습기 구조 최적화", 한국수소 및 신에너지학회논문집, Vol. 21, No. 2, 2010, pp. 111-116.

원문보기 상세보기
James Larminie, Andrew Dicks, "Fuel Cell Systems Explained", John Wiley & Sons, Ltd., 2003, pp. 77-80, p. 290.
김태희, 이정훈, 이호, 임태원, 박권필, "저전류/저가습 조건에서 고분자전해질 막 열화", 한국수소 및 신에너지학회논문집, Vol. 18, No. 2, 2007, pp. 157-163.

원문보기 상세보기
하태훈, 김한상, 민경덕, "고분자전해질형 연료전지용 막 가습기의 가습 성능 실험 및 모델링", 한국자동차공학회 2006년도 춘계학술대회논문집, 2006, pp. 1766-1771.
F.N. Buchi and S. Srinivasan, "Operating proton exchange membrane fuel cells without external humidification of the reactant gases-fundamental aspects", J. of Electrochemical Society, Vol. 144, No. 8, 1997, pp. 2767-2772.

상세보기
S.K. Park and I.H. Oh, "An analytical model of Nafion membrane humidifier for proton exchange membrane fuel cells", J. of Power Source, Vol 188, 2009, pp. 498-501.

상세보기
T.H. Ha, H.S. Kim and K.D. Min, "Experimental and modeling study of humidification performance of membrane humidifier for pem fuel cell", J. of KSAE, 2006, pp. 1766-1771.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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