화학수소화합물을 이용한 소형 무인항공기용 연료전지 시스템 연구 - I. 경량 수소 발생 및 제어 장치 Fuel cell system for SUAV using chemical hydride - I. Lightweight hydrogen generation and control system원문보기
소형 무인항공기의 동력장치로 연료전지 시스템을 적용하기 위해 화학수소화합물 수소 저장방법을 이용한 소형 수소 발생 제어장치를 설계하였다. 효율이 높은 소형/경량 수소 발생 제어장치를 설계하기 위하여 $NaBH_4$ 수용액 공급 유량에 따른 Co-B 촉매의 수소 전환율을 확인하였고, 100W 스택의 최대 수소 발생량에 적합한 Co-B 촉매양을 제안하였다. 효율적인 연료 소모를 위해 Dead-end 방식의 스택을 선택하였고, 수소 발생 제어장치 내부 압력을 이용한 펌프 on/off 제어로 수소 생성량을 제어하였다. 소형 수소 발생 제어장치를 이용한 연료전지 시스템의 각 작동구간에서 안정된 운전을 확인하였다. 장시간 운전 실험을 통하여 최대 7시간 운전이 가능하며, 임의의 비행 프로화일에 요구되는 추력 프로화일은 최소 4시간 이상 조정 가능함을 확인하였다.
소형 무인항공기의 동력장치로 연료전지 시스템을 적용하기 위해 화학수소화합물 수소 저장방법을 이용한 소형 수소 발생 제어장치를 설계하였다. 효율이 높은 소형/경량 수소 발생 제어장치를 설계하기 위하여 $NaBH_4$ 수용액 공급 유량에 따른 Co-B 촉매의 수소 전환율을 확인하였고, 100W 스택의 최대 수소 발생량에 적합한 Co-B 촉매양을 제안하였다. 효율적인 연료 소모를 위해 Dead-end 방식의 스택을 선택하였고, 수소 발생 제어장치 내부 압력을 이용한 펌프 on/off 제어로 수소 생성량을 제어하였다. 소형 수소 발생 제어장치를 이용한 연료전지 시스템의 각 작동구간에서 안정된 운전을 확인하였다. 장시간 운전 실험을 통하여 최대 7시간 운전이 가능하며, 임의의 비행 프로화일에 요구되는 추력 프로화일은 최소 4시간 이상 조정 가능함을 확인하였다.
A compact hydrogen generation device of fuel cell system using chemical hydride storage technique was designed to fit the propulsion device requirement of a small unmanned aerial vehicle(SUAV). For high efficient, compact, and lightweight hydrogen generation control device, the Co-B catalyst hydroge...
A compact hydrogen generation device of fuel cell system using chemical hydride storage technique was designed to fit the propulsion device requirement of a small unmanned aerial vehicle(SUAV). For high efficient, compact, and lightweight hydrogen generation control device, the Co-B catalyst hydrogen conversion rate by $NaBH_4$ aqueous solution flux is measured so that the proper amount of Co-B catalyst for maximum hydrogen generation of 100W stack was proposed. A compact hydrogen generation device is controlled by pump's on/off using its own internal pressure and consumes fuel in high efficiency through a dead-end type fuel cell. The fuel cell system has stable operation for a planed flight profile. The system operates up to maximum 7 hours and at least 4 hours for tough flight profiles.
A compact hydrogen generation device of fuel cell system using chemical hydride storage technique was designed to fit the propulsion device requirement of a small unmanned aerial vehicle(SUAV). For high efficient, compact, and lightweight hydrogen generation control device, the Co-B catalyst hydrogen conversion rate by $NaBH_4$ aqueous solution flux is measured so that the proper amount of Co-B catalyst for maximum hydrogen generation of 100W stack was proposed. A compact hydrogen generation device is controlled by pump's on/off using its own internal pressure and consumes fuel in high efficiency through a dead-end type fuel cell. The fuel cell system has stable operation for a planed flight profile. The system operates up to maximum 7 hours and at least 4 hours for tough flight profiles.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 연료전지에서 요구되는 수소를 발생하기 위해 필요한 촉매 양을 결정하고 수소 전환율에 영향을 미치는 인자에 대해 실험적으로 접근한다. 또 연료전지의 출력에 따른 수소 발생량 제어 방법에 대해 다루고 소형 수소 발생 제어장치를 이용한 연료전지 시스템을 설계하고 장시간 안정성을 평가하여 무인항공기의 추진시스템으로 적용에 타당한지 확인하였다.
본 연구에서는 소형 수소 발생장치를 이용한 연료전지 시스템을 무인항공기의 추진시스템으로 적용하기 위하여 안정되고 수소 전환 효율이 높은 수소 발생 제어 시스템을 설계하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 알카라인 용액에 NaBH4를 용해시켜 액체 상태로 수소를 저장하고 원하는 시점에 NaBH4 수용액을 촉매에 공급하는 방식으로 수소 발생을 제어한다.
따라서 본 연구에서는 연료전지에서 요구되는 수소를 발생하기 위해 필요한 촉매 양을 결정하고 수소 전환율에 영향을 미치는 인자에 대해 실험적으로 접근한다. 또 연료전지의 출력에 따른 수소 발생량 제어 방법에 대해 다루고 소형 수소 발생 제어장치를 이용한 연료전지 시스템을 설계하고 장시간 안정성을 평가하여 무인항공기의 추진시스템으로 적용에 타당한지 확인하였다.
본 연구에서는 연료전지 시스템을 무인항공기에 적용하기 위하여 경량의 100 W PEM 연료전지를 사용하며 대기 중의 공기로부터 산소를 얻어 자가 가습이 가능한 Horizon Fuel cell 사의 H-100 연료전지 스택을 선택하였다. 또한 안정성, 경량화에 초점을 맞추면서 수소 발생량을 효율적으로 제어할 수 있도록 설계하였다(Fig. 6).
은 본 연구팀에서 개발한 수소 발생제어 시스템의 장시간 안정성을 확인한 결과이다. 로더(loader)의 전류제어를 이용하여 7 A, 100 W 고정으로 부하를 설정하였고 7 시간동안 수행 되었다. 초기 20분 동안 출력을 점차 증가시키며 연료전지를 활성화 시키고, 출력에 따라 수소 소모양(혹은 생성량)이 증가한다.
따라서 수소 발생량에 알맞은 촉매량이 결정되어야 한다. 본 실험에서는 촉매량과 공급되는 NaBH4 수용액의 유량에 따른 수소 전환율을 분석하였다. 본 실험에 사용된 실험장치는 Fig.
또한 NaBH4 수용액이 촉매에 잘 퍼지게 하기 위하여 원통형으로 제작된 촉매를 수직으로 세워 위에서 아래로 흘려보내도록 설계하였다. 생성물인 NaBO2와 수소를 분리하는 분리통이 촉매 아래에 위치하고, 생성물을 충분히 저장할 수 있도록 용량 500 ml 으로 제작하였다. 발생된 수소는 발열반응에 의해 온도가 높고 수증기를 포함하기때문에 순수한 수소를 얻기 위해 1/16’‘ 스테인 레스 튜브 0.
수소 발생 제어 장치를 이용한 연료전지 시스템은 2.1.4절에서 언급한 촉매 및 공급 유량에 대한 수소 발생량 측정 결과를 토대로 촉매 3.4 g, 공급유량 3.2 g/min을 사용하여 실험을 수행하 였다. 수소 발생 제어장치를 통해 NaBH4 수용액의 공급유량은 제어되므로 안정된 수소 공급을 위하여 100 W 운전에 필요한 NaBH4 수용액 공급량인 3.
연료전지 및 수소 발생 시스템의 장시간 운전 안정성 확보를 위하여 수소 발생 시스템이 중간에 문제가 발생하여도 스택의 연속운전이 가능하도록 압축수소 가스를 선택적으로 공급할 수 있는 지상 실험 장치를 구축하였다(Fig. 9).
5 m를 냉각기(Cooler)로 이용하였다. 응축된 물은 분리기에서 분리하여 순수한 수소만 MFM(Mass Flow Meter)를 이용하여 측정하였다.
3333px;">2O75 wt%로 제작된 수용액을 사용하였다. 이 조건 하에서 NaBH4 수용액 유량변화에 대한 수소 발생량, 촉매량에 따른 수소 발생량에 대해 실험을 수행하였다.
운전 시작 후 4 시간이 지나면서 촉매가 점차 지지체에서 떨어져 나가 소산되어 발생 효율이 감소해 압력이 점차낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 유입 연료량을 증가시켜 적정 압력을 유지하며 지속적으로 운전을 진행하였다. 그러나 유입 연료량이 많아진 것은 곧 수소 전환율이 낮아진 것을 의미하므로 1 회 운전 시 안정되고 효율적인 운전을 위하여 약 4 시간 이 적절한 것으로 판단된다.
장시간 운용을 위하여 반응기는 축적된 생성 물을 배출할 수 있도록 설계하였다. 정확한 수소 발생량 측정을 위하여 질량유량계(MFM) 및 Wet gas meter를 사용하여 유량을 측정, 비교하여 신뢰도를 높였다.
장시간 운용을 위하여 반응기는 축적된 생성 물을 배출할 수 있도록 설계하였다. 정확한 수소 발생량 측정을 위하여 질량유량계(MFM) 및 Wet gas meter를 사용하여 유량을 측정, 비교하여 신뢰도를 높였다.
수용액을 Co-B 촉매 (7) 가 있는 수소발생장치에 공급한다. 촉매 실험결과 NaBH4 수용액은 70 ℃이상의 높은 온도에서 반응이 빠르게 일어나기 때문에 NaBH4 수용액의 반응열을 이용해 반응기의 온도를 높이지만, 물의 증발을 막기 위하여 최고온 도는 100 ℃이하로 유지되도록 설계하였다. 기체를 제외한 액체 혹은 고체 생성물(NaBO 2, NaOH, H2O)은 반응기에서 일차적으로 분리되고 발생된 수소 및 기체 상태로 존재하는 부산물은 냉각기를 거치며 온도가 낮아져 분리기 및 정화기(Purifier)에서 이온 교환 수지 및 SAP(Super Absorbent Polymer)에 의해 분리된다.
대상 데이터
2 와 같다. NaBH4 수용액의 공급 유량은 저울을 이용해 측정하고, 연속식으로 공급되는 유량을 미세제어 공급하기 위하여 마이 크로 기어 펌프(mzr-2911)를 사용하였다. 또한 NaBH4 수용액이 촉매에 잘 퍼지게 하기 위하여 원통형으로 제작된 촉매를 수직으로 세워 위에서 아래로 흘려보내도록 설계하였다.
Ni 다공성 지지체(porous foam)를 지지체로 사용하는 Co-B 촉매를 제작하기 위하여 전구체인 CoCl2(Aldrich) 수용액을 제조하였고, 환원제로 NaBH4 + NaOH 수용액을 사용하였다. Ni 다공성 지지체에 전구체 CoCl2 수용액을 충분히 적시고 환원제인 NaBH4 + NaOH 수용액을 첨가하여 Co2+가 환원되도록 하였다.
본 실험에서는 앞선 연구자의 연구결과(13)에 따라 pH 13 이상인 알카리 수용액에 NaBH4 를 용해하여 상온에서 오랫동안 저장 가능하고 촉매와 닿았을 때 빠르게 수소를 발생할 수 있도록 NaBH4 20 wt% + NaOH 5 wt% + H2O75 wt%로 제작된 수용액을 사용하였다. 이 조건 하에서 NaBH4 수용액 유량변화에 대한 수소 발생량, 촉매량에 따른 수소 발생량에 대해 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 연료전지 시스템을 무인항공기에 적용하기 위하여 경량의 100 W PEM 연료전지를 사용하며 대기 중의 공기로부터 산소를 얻어 자가 가습이 가능한 Horizon Fuel cell 사의 H-100 연료전지 스택을 선택하였다. 또한 안정성, 경량화에 초점을 맞추면서 수소 발생량을 효율적으로 제어할 수 있도록 설계하였다(Fig.
성능/효과
02 g/min까지 유량에 따라 수소 발생량이 변화된 결과이다. 20 wt% NaBH4 수용액 1 g에 발생되는 이론적 수소량은 0.513 L이며 이론적 수소 발생량과 비교했을 때 1.35 g/min에서 0.693 L/min이 발생되어야 하므로 90~100 %의 수소 전환효율을 보이는 것을 확인할 수 있다.
NaBH4 수용액 공급양 2 g/min 이상에서 촉매량이 1.2 g 보다 많다면 촉매량과 관계없이 85±5 %의 수소 전환율을 확인할 수 있는데 이결과는 NaBH4 수용액의 수소 전환율은 촉매의 형상, 접촉 시간뿐만 아니라 환경의 온도와 압력에 큰 영향을 받는 것으로 판단된다.
02 g/min 80~90 %를 진동한다. 결과적으로 공급 유량이 높아질수록 수소 전환효율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다.
무인항공기 적용에 앞서 수행된 수소 발생 제어 시스템의 장시간 안정성 평가에서 7시간동안 안정된 성능을 보였지만 Co-B 촉매 손실에 의한 수소 변환 효율을 고려했을 때 최대출력으로 1회사용 시 경제적 작동은 4시간이 적합하다고 판단 된다.
본 연구에서 설계된 수소 발생 시스템은 Co-B 촉매를 사용하며, 수소 발생양 측정 결과 발열반응으로 높아진 반응기 온도 때문에 물이 증발하여 가수분해반응을 하는 NaBH4 수용액의 수소 전환 효율에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 실험 결과 100 W 스택을 운전하기 위하여 필요한 최대 수소량 1.
수용액의 수소 전환 효율에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 실험 결과 100 W 스택을 운전하기 위하여 필요한 최대 수소량 1.4 L/min을 높은 전환율로 발생하기 위하여 NaBH4 수용액 3.2 g/min, 촉매 3.4 g 이상이 필요한 것으로 확인되었다.
2 g/min을 공급하여 실시간으로 얻어진 수소 전환율을 시간에 대해 평균을 취한 값이며 평균값으로부터 ±5 %의변동량을 가지고 있다. 실험결과 0.6 g의 촉매에 서는 매우 낮은 전환율을 보이는데 이것은 촉매의 길이가 짧아 지속적으로 공급되는 NaBH4 수용액이 모두 수소로 변환되 기 전에 유입 되는 NaBH4 수용액에 밀려 미처 변환되지 않은 것으로 판단된다. 70 % 이하의 수소 변환율은 높은 전환율을 갖는 본 연구의 목적에 부합하지 않기때문에 더 높은 유량에서 수행하지 않았다.
수소 발생 제어 장치는 발생장치 내부 압력을 이용하여 수소 발생량을 제어하며 45 kPa 이상 에서 연료공급 펌프의 작동을 멈추고, 55 kPa 이상에서 퍼지(purge)밸브를 열어 내부 압력의 증가를 막는다. 실험결과 연료전지 모든 부하영역에서 수소 발생기가 안정된 내부 압력으로 작동 되며, 안정된 출력을 확인하였다.
중간 중간에 압력 및 수소 유량이 떨어지는 문제는 NaBH4 수용액의 보충 및 생성물 배출시 발생한 것이며 배출 전에 압축수소 가스로 수소 공급 방법을 전환하여 수소 발생기에서 연료전지에 수소가 공급되지 않으므로 0 L/min으로 측정되었으며, 연료전지 운전 안정성에는 문제가 되지 않았다. 운전 시작 후 4 시간이 지나면서 촉매가 점차 지지체에서 떨어져 나가 소산되어 발생 효율이 감소해 압력이 점차낮아지는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 유입 연료량을 증가시켜 적정 압력을 유지하며 지속적으로 운전을 진행하였다.
장시간 데이터 수집을위하여 2초에 한 번씩 데이터를 수집하였기 때문에 수소 유량이 랜덤하게 수집되어 크고 작은 진폭이 나타나지만 연료전지 시스템의 안정성을 평가하는 본 실험의 목적에는 크게 문제되지 않는 것으로 판단된다. 전체적으로 40 kPa 이상 50 kPa 이하에서 운전되며 안정된 출력을 보이는 것을 확인할 수 있다. 중간 중간에 압력 및 수소 유량이 떨어지는 문제는 NaBH4 수용액의 보충 및 생성물 배출시 발생한 것이며 배출 전에 압축수소 가스로 수소 공급 방법을 전환하여 수소 발생기에서 연료전지에 수소가 공급되지 않으므로 0 L/min으로 측정되었으며, 연료전지 운전 안정성에는 문제가 되지 않았다.
전체적으로 40 kPa 이상 50 kPa 이하에서 운전되며 안정된 출력을 보이는 것을 확인할 수 있다. 중간 중간에 압력 및 수소 유량이 떨어지는 문제는 NaBH4 수용액의 보충 및 생성물 배출시 발생한 것이며 배출 전에 압축수소 가스로 수소 공급 방법을 전환하여 수소 발생기에서 연료전지에 수소가 공급되지 않으므로 0 L/min으로 측정되었으며, 연료전지 운전 안정성에는 문제가 되지 않았다. 운전 시작 후 4 시간이 지나면서 촉매가 점차 지지체에서 떨어져 나가 소산되어 발생 효율이 감소해 압력이 점차낮아지는 것을 확인할 수 있다.
즉 NaBH4의 자가 가수분해 반응은 용매의 pH가 높을수록 혹은 온도가 낮을수록 저하된다는 것을 알 수 있으며, 이는 NaBH4를 pH가 높은(pH>13) 알카라인 용액에 용해하고 저온에 저장할 경우 자가 가수분해에 의한 손실 없이 안정적으로 오랫동안 수소를 저장할 수 있다는 것을 의미한다.
후속연구
2 g 보다 많다면 촉매량과 관계없이 85±5 %의 수소 전환율을 확인할 수 있는데 이결과는 NaBH4 수용액의 수소 전환율은 촉매의 형상, 접촉 시간뿐만 아니라 환경의 온도와 압력에 큰 영향을 받는 것으로 판단된다. 따라서 수소 발생기 촉매의 형상, 온도, 압력에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
화학수소화합물 저장법의 장점은 무엇인가?
연료전지에 공급되는 수소를 저장하기 위한 방법에는 압축수소 저장법, 액체수소 저장법, 금속 수소화물 저장법, 화학수소화합물 저장법이 있다. 이중에서 화학수소화합물 저장법은 높은 에너지 밀도 및 저장이 용이하고 생성 수소의 순도가 높으며 제어가 용이한 장점을 가진다고 알려져 있다. 여러 화학 수소화합물중 NaBH 4 는 상대적으로 높은 수소 함량(10.
연료전지에 공급되는 수소를 저장하기 위한 방법은 무엇이 있는가?
연료전지에 공급되는 수소를 저장하기 위한 방법에는 압축수소 저장법, 액체수소 저장법, 금속 수소화물 저장법, 화학수소화합물 저장법이 있다. 이중에서 화학수소화합물 저장법은 높은 에너지 밀도 및 저장이 용이하고 생성 수소의 순도가 높으며 제어가 용이한 장점을 가진다고 알려져 있다.
소형/이동용 연료전지 시스템을 무인항공기에 적용한 외국의 사례는?
특히 외국에서는 소형/이동용 연료전지 시스템 개발에 이미 착수하여 제품화를 이루고 있으며 성능향상 및 신뢰도를 입증하기 위하여 무인항공기에 적용하고 장시간 체공 기록을 경쟁하고 있다. 대표적인 사례로 2003년에 미국 에어로바이런먼트(Aerovironment)사가 액체수소저장방법을 사용 하는 PEM연료전지 시스템으로 시험비행에 성공한 이후 2007년에는 화학수소화합물인 수소화붕 소나트륨(NaBH 4)을 수소 저장방법으로 사용하는 PEM연료전지 시스템을 무인기에 탑재하여 시험 비행에 성공하였다. (1,2) 또한 싱가폴의 Horizon Fuel cell사에서도 소형 연료전지 시스템 개발을 진행하였고 독일의 항공우주연구소(DLR)에서 개발한 무인항공기 ‘Hyfish‘에 적용되어 시험비행에 성공한바 있다. 이후 지속적인 연구결과 상용 제품인 ’AEROPAK‘을 개발하여 세계 각 나라의 항공우주연구소에서 소유하고 있는 소형 무인항 공기에 적용하며 시험비행을 수행하고 있다 (3,4) . 국내에서는 2007년 카이스트에서 50 W급 연료전지 무인항공기 연구를 시작 (5) 으로 KIST와 한국항 공대학교, 조선대에서 소형 수소 발생장치를 이용한 연료전지 시스템을 연구하고 있다 (6,7,8) .
참고문헌 (12)
Keun-Bae Kim, "Technical Trends for Fuel Cell Aircraft", Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol 7, Issue 2, 2009, pp. 85-105
Moaad Yacoubi, Christophe Lemone, Antoine Bourguignon and Patrick Hendrick, "Study of the propulsion system of a VTOL MUAV using fuel cells", 9th National Congress on Theoretical and Applied Mechanics, Brussels, 9-10-11, May 2012
"PRODUCTS-AEROPAK Fuel Cell Propulsion System for Unmanned Aerial Vehicles", Horizon Energy Systems, Web. 12 Feb. 2012
T.G. Kim, H.C. Shim, S. J. Kwon, "Small Fuel Cell System as a Power Source for Unmanned Aerial Vehicle", Korean Society for Precision Engineering, 2007 KSPE Spring conference, 2007, pp.733-734
Ji-seok Hong, Jin-Gu Park, Hong-Gye Sung, Seock-Jae Shin, Suk-Woo Nam, "Hydrogen generation control of PEMFC propulsion system for UAV," 2010 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology, 2010.
Kyunghwan Kim, Taegyu Kim, Kiseong Lee, Sejin Kwon, "Fuel cell system with sodium borohydride as hydrogen source for unmanned aerial vehicles", Journal of Power Sources, Vol 196, Issues 21, 1 November 2011. pp.9069-9075
Taegyu Kim, Sejin Kwon, "Design and development of a fuel cell-powered small unmanned aircraft", International Journal of Hydrogen Energy 37, 2012, pp.615-622
Sun Ja Kim, Jaeyoung Lee, Kyung Yong Kong, ChangRyul Jung, In-Gyu Min, Sang-Yeop Lee, Hyoung-Juhn Kim, Suk Woo Nam, Tae-Hoon Lim, "Hydrogen generation system using sodium borohydride for operation of a 400W-scale polymer electrolyte fuel cell stack", Journal of Power Sources 170, 2007, 412-418, 2007
S.U. Jeong, R.K. Kim, E.A. Cho. H.-J. Kim, S.-W. Nam, I.-H. Oh, S.-A. Hong, S.H. Kim, "A Study on hydrogen generation from NaBH4 solution using the high performance Co-B catalyst", Journal of Power Souces, Vol. 144, Issue 1, 1 June 2005, pp.129-134
Jin-ho Kim, "A study on the Hydrogen Storage/Production from Hydrolysis of Sodium Borohydride and Development of Direct Borohydride Liquid Fuel Cell", 2004, Ph.D thesis, KAIST
Kreevoy MM, Jacobson RW, "The rate of decomposition of $NaBH_4$ in basic aqueous solution", Ventron Alembic 15, 1979, pp2-3
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