[논문]수송용 연료전지 시스템 적용을 위한 기체-기체 막가습기 구조 최적화

이무석; 김경주; 신용철; 김동현; 서상훈; 김현유

수송용 연료전지 시스템 적용을 위한 기체-기체 막가습기 구조 최적화
Structural Optimization of Gas-to-gas Membrane Humidifier for Fuel Cell Vehicle 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.21 no.2, 2010년, pp.111 - 116

이무석 (코오롱중앙기술원) , 김경주 (코오롱중앙기술원) , 신용철 (코오롱중앙기술원) , 김동현 (코오롱글로텍) , 서상훈 (현대자동차) , 김현유 (현대자동차)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the structural analysis was performed to optimize the membrane humidifier with hollow fiber membrane for polymer electrolyte membrane fuel cell system. The main design factors were considered by evaluating the humidifying performance according to various structural parameters such as packing density and length. The effects of operation conditions of membrane humidifier were also elucidated experimentally. Results imply that there are optimum points for the packing density and length of humidifier. It was also found that among operation conditions, relative humidity of wet exhaust gas and temperature of dry inlet gas have major effects on the humidifying performance.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기체-기체 막가습기에서 가습기 성능에 영향을 주는 인자를 공정인자와 구조인자로 분류하여 Table 2에 나타내었다. 본 연구에서는 공정인자와 구조인자 중 주요 인자를 선정하여 가습성능에 미치는 영향을 실험적으로 규명하였다.
본 연구에서는 실제 다양한 구조의 가습기 테스트 샘플을 제작함으로써 수송용 연료전지 가습 시스템 최적화에 필요한 구조인자 영향을 실험적으로 규명하였고 가습성능에 영향을 미치는 주요 운전인자에 따른 가습성능의 변화를 파악할 수 있었다.
본 연구에서는 실제 수송용 연료전지 시스템 적용을 위해 경제성 확보가 가능한 탄화수소계 중공사막을 적용한 가습기를 제조하였다. 이때 가습기의 성능 최적화를 위한 핵심 구조 인자를 파악하고자 다양한 구조의 테스트 샘플을 설계 제작하여 구조 인자에 따른 가습성능의 변화 및 운전 조건에 따른 가습성능을 분석하였다.
수송용 가습기의 경우 낮은 압력 강하 특성을 요구하므로 가습기 길이 최적화는 가습기 설계시 또 다른 고려 사항이 될 수 있다. 본 연구에서는 주어진 가습기 직경(30mm)에 대해 다양한 길이의 가습기를 제작, 테스트하였다.
가습기의 핵심 기능을 발현하는 분리막의 형태는 크게 평막형과 중공사형으로 분류할 수 있으며, 평막형에 비해 중공사형은 동일 설치 공간에 더 큰 유효 막면적의 가습기 설계가 가능하므로 현재 상업적으로 널리 사용되고 있다. 이러한 중공사형 막 가습기는 분리막을 경계로 중공사 내부 혹은 외부에 가습원이 공급될 수 있으며 본 연구에서는 수송용 시스템에 적합한 outinde-in 흐름 방식의 기체-기체 중공사형 막가습기에 관해 살펴보았다.
이때 밀집도는 가습기 케이스 내부 부피에 대한 중공사막이 차지하는 부피의 비로 정의된다. 제작된 테스트용 가습기는 1～3kW급의 소형 가습기로 수송용 가습기 설계의 기초 인자를 도출하고 해석하는 목적으로 사용되었다. 가습성능은 폐습윤 공기의 수분이 송풍기를 통해 공급되는 건조 공기로 얼마나 이동했는지를 의미하는 approach dew point temperature (ADT)로 해석하였다.

제안 방법

측정 인자로 습도, 온도, 유량, 압력이 있으며 각각을 가습기 전후에서 자동 기록하였다. 가습기 구조 특성 해석이 가능하도록 다양한 길이의 가습기 케이스를 제작하였다. 케이스 내에 충진되는 중공사막의 밀집도(packing density)를 조절하여 중공사막을 포팅하였다.
제작된 테스트용 가습기는 1～3kW급의 소형 가습기로 수송용 가습기 설계의 기초 인자를 도출하고 해석하는 목적으로 사용되었다. 가습성능은 폐습윤 공기의 수분이 송풍기를 통해 공급되는 건조 공기로 얼마나 이동했는지를 의미하는 approach dew point temperature (ADT)로 해석하였다. 즉, ADT는 폐습윤 공기 이슬점 온도와 가습기를 거쳐 스택으로 공급되는 가습 공기의 이슬점 온도 차이로 정의된다.
경제성 확보가 가능한 비대칭 탄화수소계 중공사막을 개발하였고 가습기의 다양한 구조 인자 및 운전 인자를 도출하여 그에 따른 가습기 성능 변화를 해석하였다.
막가습기 개발을 위한 기본 성능 평가를 위해 가습성능 측정 장치를 설계, 제작하였다. 측정 인자로 습도, 온도, 유량, 압력이 있으며 각각을 가습기 전후에서 자동 기록하였다.
불소계 소재 대체를 위해 폴리이미드계 고분자를 택하였으며 본 연구에서는 중공사막을 제조하기 위해 건습식 방사(dry-jet wet spinning)에 의해 중공사막을 제조하였다. 기공 형성은 비용매 유도 상분리(nonsolvent induced phase separation; NIPS) 메카니즘에 의해 이루어진다^6,7).
본 연구에서는 실제 수송용 연료전지 시스템 적용을 위해 경제성 확보가 가능한 탄화수소계 중공사막을 적용한 가습기를 제조하였다. 이때 가습기의 성능 최적화를 위한 핵심 구조 인자를 파악하고자 다양한 구조의 테스트 샘플을 설계 제작하여 구조 인자에 따른 가습성능의 변화 및 운전 조건에 따른 가습성능을 분석하였다.
한편 전달 특성 극대화를 위해 치밀층 하부에는 다공성 구조를 갖는 비대칭 구조의 중공사막을 제조함으로써 중공사 단면 방향으로의 수분 흐름 저항을 최소화하였다. 중공사막의 미세 구조 분석을 위해 막 샘플의 단면 및 표면을 주사전자현미경(FESEM, Hitachi S430)으로 가속전압 5kV 조건 하에서 촬영하였다.
막가습기 개발을 위한 기본 성능 평가를 위해 가습성능 측정 장치를 설계, 제작하였다. 측정 인자로 습도, 온도, 유량, 압력이 있으며 각각을 가습기 전후에서 자동 기록하였다. 가습기 구조 특성 해석이 가능하도록 다양한 길이의 가습기 케이스를 제작하였다.
가습기 구조 특성 해석이 가능하도록 다양한 길이의 가습기 케이스를 제작하였다. 케이스 내에 충진되는 중공사막의 밀집도(packing density)를 조절하여 중공사막을 포팅하였다. 이때 밀집도는 가습기 케이스 내부 부피에 대한 중공사막이 차지하는 부피의 비로 정의된다.
한편 가습기 운전 조건이 가습성능에 미치는 영향을 해석하기 위해, Table 3과 같이 공기 유량(Q1), 중공사 내부 유입 공기의 온도(T1) 및 중공사 외부로 흐르는 습윤 공기의 상대 습도(RH3)에 따른 가습성능을 살펴보았다.

성능/효과

Fig. 3에서와 같이 가습기의 중공사막 가닥수를 증가시켜 PD를 변화시키며 가습성능을 살펴본 결과 PD의 증가에 따라 막면적이 증가하여 전체적으로 ADT가 감소(가습성능 증가)하는 것을 확인할 수 있다. 반면 PD값 40% 이상에서는 막면적 증가 효과가 감소함을 알 수 있다.
실험 결과 가습기의 PD값 및 L값의 증가에 따라 가습성능이 향상되나 한계치가 존재하여 지속적인 성능 향상이 발생되지 않고 각각 최적값이 존재하는 것이 파악되었다. 한편, 외부 습윤 공기의 습도가 높을 수록, 내부 유입 공기의 온도가 낮을 수록 가습성능에 유리하고 유입유량이 증가할 수록 수분 전달에 필요한 접촉 시간의 감소로 가습성능은 감소하였다.
특히 PD값이 낮을 때 이러한 길이 효과가 명확해지는 것을 확인할 수 있다. 이로 부터 최적 PD값과 L값을 찾을 경우 상대적으로 적은 유효 막면 적으로도 높은 효율을 나타낼 수 있음을 추론할 수 있다. 실제로 Fig.
이는 중공사 내부의 온도 상승이 중공사막 외표면과 접촉되는 습윤 공기의 상대 습도 저하를 유발하여 가습성능에 영향을 미친 것으로 생각된다. 즉, 온도 상승에 따른 막에서의 수분 확산계수 증가 효과보다 상대 습도 저하로 인한 분압차 감소 효과가 더 컸음을 의미한다. 특히 이러한 현상은 수송용 분야와 같이 고유량 시스템에서 더 큰 영향을 미치므로 송풍기에 의한 온도 상승은 가습성능 면에서 불리함을 알 수 있다.
실험 결과 가습기의 PD값 및 L값의 증가에 따라 가습성능이 향상되나 한계치가 존재하여 지속적인 성능 향상이 발생되지 않고 각각 최적값이 존재하는 것이 파악되었다. 한편, 외부 습윤 공기의 습도가 높을 수록, 내부 유입 공기의 온도가 낮을 수록 가습성능에 유리하고 유입유량이 증가할 수록 수분 전달에 필요한 접촉 시간의 감소로 가습성능은 감소하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고분자 전해질 연료전지는 어디에 적합한가?	고분자 전해질 연료전지는 높은 에너지 전환 효율로 인해 대표적인 무공해 자동차인 연료전지 자동차의 동력 장치로 적합하다. 이때 스택 성능의 최적화를 위해 실제 운전 중 적용되는 넓은 출력 영역에서 고분자 전해질 막이 일정 수준 이상 습윤될 수 있도록 가습기를 도입하고 있다1).
	연료전지 가습 방법은 무엇으로 분류되는가?	즉, 술폰산기는 수분에 의해 수화됨으로써 이온 전도성이 활성화 된다2). 한편 연료전지 가습 방법에는 내부 가습과 외부 가습으로 분류된다. 외부 가습 방법에는 버블링 방식, 액적 분무 방식, 막가습 방식 등이 있다3).
	고분자 전해질 연료전지의 스택 성능의 최적화를 위해 가습기를 도입하는 이유는?	이때 스택 성능의 최적화를 위해 실제 운전 중 적용되는 넓은 출력 영역에서 고분자 전해질 막이 일정 수준 이상 습윤될 수 있도록 가습기를 도입하고 있다1). 이는 고분자 전해질 연료전지에 사용되는 전해질 막과 촉매층에 술폰산기(sulfonic acid group)를 포함한 이온 전도체가 사용되기 때문이다. 즉, 술폰산기는 수분에 의해 수화됨으로써 이온 전도성이 활성화 된다2).

참고문헌 (7)

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

원문보기 상세보기
W. Merida, D.A. Harrington, J.M. Le Canut, and G. McLean, "Characterisation of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) failure via electrochemcal impedance spectroscopy",, J. of Power Source, Vol. 161, 2006, pp. 264-274

상세보기
하태훈, 김한상, 민경덕, "고분자전해질형 연료전지용 막 가습기의 가습 성능 실험 및 모델링", 한국자동차공학회 2006년도 춘계학술대회논문집, 2006, pp. 1766-1771.
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.

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D. Kadylak, P. Cave, and W. Merida, "Effectiveness correlations for heat and mass transfer in membrane humidifiers", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, 2009, pp. 1504-1509.

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M. Henmi and T. Yoshioka, "Hollow fiber membrane based on polyacrylonitrile with a high degree of polymerization and its properties", Journal of Membrane Science, Vol. 85, 1993, pp. 129-138.

상세보기
H. Ohya, S. Shiki, and H. Kawakami, "Fabrication study of polysulfone hollow fiber microfiltration membranes: Optimal dope viscosity for nucleatio and growth", Journal of Membrane Science, Vol. 326, 2009, pp. 293-302.

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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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