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문제 정의
- 마지막으로 스택의 발열 특성에 대한 이해를 바탕으로 연료전지 차량의 운전 전략 및 냉각 시스템 사양 선정에 대한 활용 방안을 제시하고자 한다.
가설 설정
- 냉각수 방열량은 냉각수 공급 유량 및 스택 입·출구 온도차를 이용하여 식 (2)로부터 계산하였다. 이 때 연료전지 스택은 단열 시스템으로 가정하였다. 그리고 운전 온도별 냉각수 밀도는 1.
제안 방법
- 1) 스택 운전 온도 및 냉각수 공급 유량을 변화시켜 스택의 출력 성능을 평가하고 스택 운전 가능 영역 및 발열량을 도출하였다.
- 결과를 이용하여 냉각수 유량 증가에 따른 스택 승온 시간 변화를 평가하였다. 전류밀도 0.
- 이상) 금속분리판을 적용하였다. 그리고 상용품인 막-전극 접합체(MEA)와 carbon felt type의 가스확산층(GDL)을 사용하여 Fig. 2와 같이 15셀 스택을 제작하였다.
- 20A/cm2 범위에서 평가하였다. 그리고 운전 조건별로 각각 10분씩 정전류 유지하여 스택 운전 온도 및 전압 안정성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 금속분리판을 적용한 대면적 스택을 이용하여 스택 운전 온도 및 냉각수 유량을 변화 시켜 스택의 출력 및 냉각수의 방열량을 계산하였다. 그리고 이론 발열량과 비교하여 생성수의 상태를 판단하고 스택의 발열 특성을 분석하였다. 또한 생성수 상태 변화를 확인하기 위해 중성자 가시화 기법을 이용하여 스택 내부의 물량 변화를 측정하였다7,8).
- 3) 운전 온도가 낮을수록 액체 상태의 반응물 생성 증가로 스택 발열량이 증가한다. 그리고 중성자 가시화로 이를 확인하였다.
- 스택 발열 특성 평가를 위해 스택 운전 온도(냉각수 입구 온도 기준)를 45～75℃의 온도 범위에서 10℃ 간격으로 조절하여 스택의 BOL 출력 성능을 평가하였다. 냉각수는 초순수를 이용하였으며 0.8LPM 간격으로 2.4～7.2LPM의 유량 범위에서 스택의 발열 특성을 평가하였다.
- 그리고 이론 발열량과 비교하여 생성수의 상태를 판단하고 스택의 발열 특성을 분석하였다. 또한 생성수 상태 변화를 확인하기 위해 중성자 가시화 기법을 이용하여 스택 내부의 물량 변화를 측정하였다7,8).
- 본 연구에서는 금속분리판을 적용한 대면적 스택을 이용하여 스택 운전 온도 및 냉각수 유량을 변화 시켜 스택의 출력 및 냉각수의 방열량을 계산하였다. 그리고 이론 발열량과 비교하여 생성수의 상태를 판단하고 스택의 발열 특성을 분석하였다.
- 0으로 고정하였다. 상대습도는 anode, cathode 각각 입구 50%로 고정하였다. 또한 운전 압력은 anode 측의 운전 압력을 cathode측 보다 높게 유지하였다.
- 스택 발열 특성 평가를 위해 스택 운전 온도(냉각수 입구 온도 기준)를 45～75℃의 온도 범위에서 10℃ 간격으로 조절하여 스택의 BOL 출력 성능을 평가하였다. 냉각수는 초순수를 이용하였으며 0.
- 운전 온도 감소에 따른 스택 내부 물량 증가 확인을 위해 Fig. 6의 결과와 같이 중성자 방사선 촬영 기법을 이용하여 가시화 하였다. 단, 분리판은 당사에서 개발한 대면적(반응면적 300cm2 이상) 흑연 분리판을 이용하였으며 MEA와 GDL의 사양은 동일하고 단셀을 이용하여 측정하였다7,8).
- 운전 온도(45～75℃) 및 스택 입 출구 온도차(0～30℃)에 따른 스택 출력 성능 및 냉각수 방열량을 평가하였다. 스택 입 출구 온도차는 냉각수 유량(2.
- . 이에 스택 운전 온도만을 65℃에서 45℃로 감소시킨 경우에 분리판 채널 및 MEA, GDL 내에 축적된 셀 내부 물량(water content)을 측정하여 비교하였다. 축적된 물량 증가로 그 두께가 증가하는 경우 MEA 반응면의 색은 흑색에서 적색으로 점차 변화하게 된다.
대상 데이터
- 6의 결과와 같이 중성자 방사선 촬영 기법을 이용하여 가시화 하였다. 단, 분리판은 당사에서 개발한 대면적(반응면적 300cm2 이상) 흑연 분리판을 이용하였으며 MEA와 GDL의 사양은 동일하고 단셀을 이용하여 측정하였다7,8). 중성자 영상 장치 분해능은 200μm로 스택 내부 액적의 크기가 그 이상인 경우에만 분석이 가능하다.
- 스택 평가는 스택 공급 냉각수 유량 및 냉각수 온도 조절이 가능하고 전자부하 용량이 최고 5kW인 평가 장치를 이용하였다.
- 연료전지 스택의 구성 부품 중 분리판은 당사에서 개발중인 대면적(반응면적 300cm2 이상) 금속분리판을 적용하였다. 그리고 상용품인 막-전극 접합체(MEA)와 carbon felt type의 가스확산층(GDL)을 사용하여 Fig.
성능/효과
- 2) 연료전지는 반응물인 물의 액체 또는 기체 상태에 따른 증발 잠열차이 만큼 발열량 차이가 발생한다.
- 3) 운전 온도가 낮을수록 액체 상태의 반응물 생성 증가로 스택 발열량이 증가한다. 그리고 중성자 가시화로 이를 확인하였다.
- 4) 연료전지 차량 상온 시동 시 스택 냉각수 유량을 높여 물의 증발 잠열을 이용한 승온 시간 단축이 가능하다.
- 5) 스택 운전 온도를 65℃ 이상 유지하는 것이 스택 발열량 및 냉각 시스템의 라디에이터 방열 성능에 유리하다.
- 2LPM으로 증가시키고 운전 온도를 25℃에서 55℃까지 승온시켰다. 그 결과 Fig. 9와 같이 냉각수 유량이 3배 증가시 승온 시간이 약 25% 단축되는 것을 확인하였다.
- 그 결과 스택 운전 온도 45～65℃ 구간에서 스택 출력 성능은 1% 이내로 유사하므로 운전 온도별 스택 발생열의 차이는 크지 않다. 그러나 냉각수 방열량은 운전 온도가 감소할수록 15% 이상 증가하는데 이는 연료전지 반응물이 liquid 상태로 점차 많이 생성됨을 예상할 수 있다.
- 축적된 물량 증가로 그 두께가 증가하는 경우 MEA 반응면의 색은 흑색에서 적색으로 점차 변화하게 된다. 평가 결과 Fig. 6과 같이 스택 운전 온도가 65℃에서 45℃로 감소한 경우 셀 내부 물량이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 그 양을 정량화한 경우8) Table 2의 분석 결과와 같이 200μm 이상의 액적의 양이 2배 이상 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 2LPM)에 따른 스택 발생열 및 냉각수 방열량을 나타내었다. 평가 결과 냉각수 유량 증가에 따라 냉각수 방열량이 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 냉각수 채널내 유속이 증가하여 방열에 유리하고 스택 평균 운전 온도 감소로 연료전지 반응물의 상태가 liquid로 존재할 가능성이 크기 때문이다.
- 평가 결과 운전 온도 및 전류 밀도에 따른 스택 출력 특성 및 운전 가능 영역 도출이 가능하다. 전류 밀도 0.
후속연구
- 7) 스택에서 요구되는 냉각수 방열량으로부터 냉각수필요 공급량 및 입 출구 온도차를 유도하여 연료전지 차량 냉각수 펌프 사양 선정에 활용할 수 있다.
- 연료전지 차량 주행시 다양한 운전 조건과 그에 따른 스택 출력 및 냉각 시스템 방열 성능이 요구된다. 이에 본 실험 결과를 이용할 경우 냉각 시스템 사양 선정 및 스택 운전 조건 선정에 활용할 수 있다.
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