[논문]600 W급 연료전지(PEMFC)의 설계 및 제작

김주곤; 정현열; 소비 토마스; 손병락; 이동하

doi:10.7836/kses.2014.34.4.017

600 W급 연료전지(PEMFC)의 설계 및 제작
Design and Development of 600 W Proton Exchange Membrane Fuel Cell 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.34 no.4, 2014년, pp.17 - 22

김주곤 (대구경북과학기술원 웰니스융합연구센터) , 정현열 (영남대학교 정보통신공학과) , (루이빌대학교, 기계공학과) , 소비 토마스 (대구경북과학기술원 웰니스융합연구센터) , 손병락 (대구경북과학기술원 웰니스융합연구센터) , (루이빌대학교, 기계공학과) , 이동하 (대구경북과학기술원 웰니스융합연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The design of a fuel cells stack is important to get optimal output power. This study focuses on the evaluation of fuel cell system for unmaned aerial vehicles (UAVs). Low temperature proton exchange membrane (LTPEM) fuel cells are the most promising energy source for the robot applications because of their unique advantages such as high energy density, cold startup, and quick response during operation. In this paper, a 600 W open cathode LTPEM fuel cell was tested to evaluate the performance and to determine optimal operating conditions. The open cathode design reduces the overall size of the system to meet the requirement for robotic application. The cruise power requirement of 600 W was supported entirely by the fuel cell while the additional power requirements during takeoff was extended using a battery. A peak of power of 900 W is possible for 10 mins with a lithium polymer (LiPo) battery. The system was evaluated under various load cycles as well as start-stop cycles. The system response from no load to full load meets the robot platform requirement. The total weigh of the stack was 2 kg, while the overall system, including the fuel processing system and battery, was 4 kg.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 무인항공기에 적용할 수 있는 600 W급의 전원장치를 고분자 전해질 연료전지 통하여 개발하였다. 연료전지 시스템은 Ultra-light Fuel Cell System Part와 H₂ Generator Reactor Cartridge Part으로 제작되었다.
본 연구에서는 소형 무인항공기의 전원공급을 위한 소형 · 경량화 연료전지 시스템의 설계, 제작 및 실험을 진행하였다.
무인항공기를 위한 소형 · 경량화 연료전지 시스템은 수소 발생기를 장착한 시스템과 수소가스 탑재형의 두 가지 형태로 개발을 진행하였다. 이 연구발표에는 수소 발생기 장착한 시스템의 성능 평가에 한해서 결과를 발표 하고자 한다. 개발 중인 트라이콥터형 무인항공기 연료전지 시스템의 초경량화를 위한 MBOP 설계 및 제작, 초 경량화 연료전지 부품 (End plates, Miniature values, Sensors, Pumps, System control electronics, reactor, andsoon)을 NaBH₄카트리지를 이용해서 시스템 크기와 무게의 감소를 구현하였다.

제안 방법

5 kg이며, NaBH₄ 연료는 비행시간에 따라서 0. 5kg에서 3.1 kg 증가됨에 따라서 비행시간을 43분에서 264분까지 증대될 수 있도록 설계하였다.
Table 2에서는 각 부품들로의 무게, 총무게, 비행시간, 에너지 (wh), Power, Specific Energy (wh/kg)를 비교 분석을 통해 연구한 연료전지 시스템을 성능을 분석하고자 한다. 총 비행에 필요한 전원을 600 W 공급하기 위해서 전원시스템의 각 부품들 무게는, 연료전지 스택 1.
개발 중인 트라이콥터형 무인항공기 연료전지 시스템의 초경량화를 위한 MBOP 설계 및 제작, 초 경량화 연료전지 부품 (End plates, Miniature values, Sensors, Pumps, System control electronics, reactor, andsoon)을 NaBH4 카트리지를 이용해서 시스템 크기와 무게의 감소를 구현하였다.
2의 오른쪽 그림과 같이 연료탱크를 설치해서 연료를 저장을 하고 저장된 연료는 필요시 수소 발생 반응기 (hydrogen generation reactor)에 공급이 되어서 바로 수소가 두개의 팬이 달린 연료전지 스택에 공급되도록 설계하였다. 그리고 초기 전원공급용으로 리튬이온 배터리를 설치해서 초기 구동을 위한 전원이 공급되도록 디자인하였다.
또한, 수소 발생기를 장착한 시스템을 위하여 NaBH₄ 기반의 2가지 타입의 연료탱크 제작하고 수소유량측정센서 및 컨트롤러와의 커뮤니케이션 전용 알고리즘 개발하였다. 지속적인 H₂ 변환정보와 이에 따른 유량의 변화에 따라 조절되는 하이브리드 알고리즘을 설계하였다.
무인항공기를 위한 소형 · 경량화 연료전지 시스템은 수소 발생기를 장착한 시스템과 수소가스 탑재형의 두 가지 형태로 개발을 진행하였다.
1 kg 증가됨에 따라서 비행시간을 43분에서 264분까지 증대될 수 있도록 설계하였다. 배터리만의 전력 공급으로 체공시간이 짧은 단점을 극복하고 최적의 전원공급이 될 수 있도록 새로운 디자인의 초경량 전원공급 시스템을 개발하고 성능 평가를 통한 검증을 수행하였다.
3). 수소 발생기를 장착한 시스템을 위하여 NaBH₄를 Fig. 2의 오른쪽 그림과 같이 연료탱크를 설치해서 연료를 저장을 하고 저장된 연료는 필요시 수소 발생 반응기 (hydrogen generation reactor)에 공급이 되어서 바로 수소가 두개의 팬이 달린 연료전지 스택에 공급되도록 설계하였다. 그리고 초기 전원공급용으로 리튬이온 배터리를 설치해서 초기 구동을 위한 전원이 공급되도록 디자인하였다.
연료전지 스택부분은 앞쪽 아랫면에 위치하도록 설계하였고 팬을 통해서 공기를 양극 쪽에 공급함으로 전기화학 반응이 일어남과 동시에 냉각효과를 일으키도록 설계를 하였다 (Fig.2). 연료전지 스택 뒤면 부분은 수소를 발생 시키는 반응기 부분을 설치하였다 (Fig.
4에서는 연료전지 시스템의 Block Diagram을 보여주고 있다. 주요 부품의 흐름도는 NaBH₄ 연료를 수소 발생 장치에 공급을 해서 수소를 공급시키고, 발생된 수소는 600W 연료전지 스택에 공급이 되고 발생된 전원이 무인 비행기에 추진 전력으로 쓰이도록 설계를 하였다.
기반의 2가지 타입의 연료탱크 제작하고 수소유량측정센서 및 컨트롤러와의 커뮤니케이션 전용 알고리즘 개발하였다. 지속적인 H₂ 변환정보와 이에 따른 유량의 변화에 따라 조절되는 하이브리드 알고리즘을 설계하였다.
개발된 연료전지 시스템은 전류를 21 A∼28 A까지 증가시켰을 때 스택의 전압은 23 V를 유지하면서 최대 전력은 630 W까지 나타내었다. 총 무게 4 kg의 전원장치로 약 1시간가량의 정찰 활동을 할 수 있고, 연료량은 비행시간에 따라서 0.5 kg에서 3.1 kg 증가됨에 따라서 비행시간을 43분에서 264분까지 증대될 수 있도록 설계하였다. 배터리만의 전력 공급으로 체공시간이 짧은 단점을 극복하고 최적의 전원공급이 될 수 있도록 새로운 디자인의 초경량 전원공급 시스템을 개발하고 성능 평가를 통한 검증을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구를 위해 제작한 초 경량화된 PEM 연료전지 시스템은 Ultra-light Fuel Cell System Part(Fig. 5)와 H2 Generator Reactor Cartridge Part (Fig. 6)으로 구성된다.
본 연구에서는 무인항공기에 적용할 수 있는 600 W급의 전원장치를 고분자 전해질 연료전지 통하여 개발하였다. 연료전지 시스템은 Ultra-light Fuel Cell System Part와 H₂ Generator Reactor Cartridge Part으로 제작되었다. 개발된 연료전지 시스템은 전류를 21 A∼28 A까지 증가시켰을 때 스택의 전압은 23 V를 유지하면서 최대 전력은 630 W까지 나타내었다.

성능/효과

개발된 연료전지 시스템은 전류를 21 A∼28 A까지 증가시켰을 때 스택의 전압은 23 V를 유지하면서 최대 전력은 630 W까지 나타내었다.
본 연구에서 개발된 무인항공기에 들어가는 전원시스템은 최소 4 kg 이하의 시스템을 장착함으로써 비행시간은 증가와 단위 무게 당에너지 효율의 증대를 가능하게 하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 2차 전지는 무게 당 에너지 밀도의 한계를 극복하지 못하는 문제점을 가지고 있는데 이런 문제를 해결하기 위한 시스템은 무엇인가?	무인항공 및 기타 무인화 로봇기술의 주요 에너지원인 기존의 2차 전지는 무게 당 에너지 밀도의 한계를 극복하지 못하는 문제점을 가지고 있다 [9-10]. 신재생에너지원 중 수소 연료 전지 시스템은 이런 문제점을 해결할 수 있는 차세대 전원시스템으로 여겨지고 있다. 국내외 주요 기관 및 기업들은 이미 초 경량화된 무인 공중/지상 로봇 시스템의 시험 비행 및개발을 진행 중이다.
	기존의 2차 전지의 문제점은 무엇인가?	무인 지상로봇 기술, 탐사로봇 기술, 다중 로봇 협업등 기존의 로봇시장의 확대가 예상 되고 있으며, 이를 위한 새로운 에너지원 개발에 대하여 전 세계적으로 관심이 증대되고, 연구개발이 활발하게 이루어지고 있다 [1-8]. 무인항공 및 기타 무인화 로봇기술의 주요 에너지원인 기존의 2차 전지는 무게 당 에너지 밀도의 한계를 극복하지 못하는 문제점을 가지고 있다 [9-10]. 신재생에너지원 중 수소 연료 전지 시스템은 이런 문제점을 해결할 수 있는 차세대 전원시스템으로 여겨지고 있다.
	기존의 2차 전지 대비, 최대 4배 이상 임무 수행이 가능한 연료전지 시스템은 어느 분야로 적용이 가능한가?	기존의 2차 전지 대비, 최대 4배 이상 임무 수행이 가능한 연료전지 시스템은 무인화 정찰기, 무인화 지상로봇, 무한궤도를 장착한 탐사로봇,공격형 살상로봇, 고속 주행을 통한 근접 임무용, 환경감시용, 수중 잠수정 정찰 및 어뢰 탐사정, 정보수집 및 국방용까지 다양한 분야로 적용이 가능하다. 이를 위한 연료전지 시스템의 핵심 기술을 보유하기 위한 지속 연구개발이 필요하다.

참고문헌 (12)

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Kim K, Kim T, Lee K, Kwon S, Fuel cell system with sodium borohydride as hydrogen source for unmanned aerial vehicles, Journal of Power Sources, Vol. 196, pp. 9069-9075, 2011

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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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