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문제 정의
- 본 연구에서는 달성 목표인 무게 20 kg 이하를 충족하기 위해 연료전지 시스템의 전력구조 중에 가장 무게가 작아질 수 있는 구조로 Fig. 1과 같이 설계하였다. 스택에서 발생하는 전력은 부하 및 주변장치(BOP) 소모 전력으로 사용되며, 여유 전력은 에너지 저장모듈에 저장된다.
- 본 연구에서는 소부대 작전운용환경에서 군 통신장비 등의 이차전지 충전이 가능한 배낭 형태의 경량화 DMFC 시스템을 개발하였다. 에너지 저장모듈의 용량은 95 Wh 이상의 배터리로 선정하였고, 연료인 메탄올에 의한 배관의 내화학성, 내부식성을 시스템에 고려하여 SUS316, Silicon 재질의 배관을 사용하였다.
- 본 연구에서는 소부대작전 운용환경에서 편제 장비인 지휘통제 및 통신장치 등의 2차 전지를 충전할 수 있는 배낭 형태의 경량화 DMFC 시스템의 설계 및 제작을 수행하였다. 본 시스템은 전력 수급과 보급이 차단된 고립 작전 환경에서 개인 병사의 편제장비에 전원공급이 가능하여 작전효율성, 임무지속성, 생존성을 향상시킬 수 있다.
- 추가적으로 요인에 따른 경량화 연료전지 스택의 내구성을 평가하기 위해 진동 및 기울기 시험을 수행하였다. 진동시험의 경우 수송 및 운용 환경 하에서 장비의 내구성(체결부의 느슨함, 기구물의 손상이나 갈라짐, 간헐적인 전기적 접촉 현상)을 확인하기 위해 수행되었고, 기울기시험은 군 작전환경에서 연료 전지 전원팩의 기울어짐에 대한 내구성을 검증하기 위해 수행되었다. 시험 결과 6면 진동시험과 Roll & Lateral (연속 15°[±1°]/ Lateral 연속 5°[±1°]) 기울기 시험 후에도 스택이 정상적으로 운전함을 확인하였다.
가설 설정
- 에너지 저장모듈은 스택의 전력생성이 지연되는 초기 기동 간주변장치(BOP)에 전력을 공급한다. 주변장치의 소모 전력을 60 W, 전력변환기의 효율은 90%로 가정하여, 출력요구사항(300W@28Vdc)을 만족하기 위한 스택 출력은 470 W로 산정되었다. 에너지 저장모듈로 Li-polymer 배터리를 선정하고, 운용구간을 20-100%로 설정하였고, 주변장치에 필요한 정확한 전력량을 예상하기 어려워 에너지저장모듈의 용량은 1C rate 방전을 기준으로 95 Wh 이상의 배터리로 선정하였다.
제안 방법
- MEA는 경량화 설계한 단면형 금속 분리판의 무게를 고려하여 최소 면적으로 설계하였고, 65셀의 MEA를 적층하여 스택을 제작하였다. MEA는 충격강도가 약한 흑연계열 분리판 대신에 금속 분리판을 채용하여 스택이 외부 충격에 견딜 수 있도록 설계하였으며, 본 연구에서는 금속 분리판에 가스켓을 직접 사출 성형(injection molding)한 가스켓 일체형 금속 분리판을 개발하여 적용하였다. 이를 바탕으로 환경시험 조건 중진동분야의 내구성 시험인 포장상태 요동 후 육안검사를 실시하여 기준을 통과하였다.
- 금속 재질은 POSCO에서 저온형 연료전지 전용으로 개발한 스테인레스계 소재인 STS-470FC를 사용하였다. 개발한 경량 금속 분리판을 DMFC 스택에 적용함으로써 카본스택 대비 기계적 강도 증가, 기존의 두께 2.3 mm의 분리판에서 두께를 0.1 mm 감소시켜 부피 절감과 약 50%의 무게 절감을 달성하고자 하였으며, 프레스 성형을 통해 대량 생산이 가능하여 가격 절감 효과를 목표로 설계하였다.
- 4와 같이 시스템 부피(30 L 이하) 를 만족할 수 있도록 설계/제작하였다. 개인병사의 소부대작전 환경을 고려한 배낭형태의 전원팩은 부피감소를 위해 주요 구성품과 주변 장치를 최적화 배치/설계하였으며, 배선 및 배관의 길이 또한 최단 거리로 설계하였다. 제작된 연료전지 시스템은 Fig.
- 이차전지 충전을 위한 경량화 DMFC 스택을 제작하기 위한 경량 금속 분리판을 설계 및 제작하였다. 경량 금속 분리판 제작을 위한 금형은 Fig. 6과 같이 단순 Prototype 구조로 2단 성형을 할 수 있는 금형 구조로 설계 제작 진행하였고, 향후 양산 금형 제작의 기본 모태가 되는 공정을 설정하였다. 본 금형을 통한 성형 한계 깊이 설정 및 spring-back 경향 등을 예측하였으며, 예비 model성형 테스트를 통한 성형 가능성 및 스프링 백 경향에 대한 예비검증을 실시하였다.
- 경량 금속 분리판을 기반으로 설계/제작된 경량화 DMFC 스택의 성능 및 환경시험을 수행하여 요구 조건을 충족하였다. 특히 스택의 성능 시험 결과 전체 시스템의 요구전력인 300 W를 출력하는데 필요한 스택출력 450 W를 24% 초과한 561W를 출력하여 목표치를 만족하였을 뿐만 아니라, 스택의 부피 및 무게를 감소시킬 수 있는 잠재성을 내포하고 있다.
- 3의 배낭형태의 하우징을 설계하였다. 냉각모듈에서 배출되는 고온 공기(30-60℃)가 외부로 배기하기 위해 배기통을 설계하였고, 연료카트리지는 교환/교체가 용이하도록 탈착 가능한 형태로 설계하였다. 통합전력제어모듈은 전력변환기의 방열을 위해 배낭 전면에 배치하였고, 주변장치는 배관 경로를 고려하여 최적 배치하였다.
- 뿐만 아니라 다수의 시도에 걸친 다단 성형으로 최적 성형 공정 및 공법을 위해 유로 및 입출구 형상 성형을 구분하여 성형 시 각각의 간섭이 최소화되게 금형 설계에 반영하였다. 또한 다단 성형으로 보상이 불가능한 부분은 정형 공정을 넣어 보상하는 개념으로 적용하였다. 연료극, 공기극 분리판 성형용 금형은 black holding 힘을 확대 하는 구조로 설계하고, 내부 core만 교체하여 성형 하는 공용 금형 구조로 설계하였고, 기본 금형 구조는 수동 이송 금형을 기본으로 하였다.
- 1 mm) 2종의 무코팅 경량의 금속 분리판을 개발하였으며, 금형의 성형 패턴의 영향으로 인해 발생하는 thinning, crack, 파단을 방지하기 위해 성형 코어를 원활히 교체 가능한 순차 성형 방식을 적용하였다. 또한, 성형 공정의 최적화를 위해 spring-back 보정 공정을 테스트 할 수 있도록 비드부품 교환이 용이한 구조로 금형을 설계 하였다. 뿐만 아니라 다수의 시도에 걸친 다단 성형으로 최적 성형 공정 및 공법을 위해 유로 및 입출구 형상 성형을 구분하여 성형 시 각각의 간섭이 최소화되게 금형 설계에 반영하였다.
- 스택 매니폴드는 매니폴드에서 유로로 유체가 일정한 양으로 공급될 수 있게 모델 형상에 대한 전산모사가 수행되었다. 매니폴드와 금속 분리판에 공급되는 유로의 개수와 형태에 따라 압력 강하 및 속도분포, 유량분배 등에 대한 해석을 수행하였다. Fig.
- 6과 같이 단순 Prototype 구조로 2단 성형을 할 수 있는 금형 구조로 설계 제작 진행하였고, 향후 양산 금형 제작의 기본 모태가 되는 공정을 설정하였다. 본 금형을 통한 성형 한계 깊이 설정 및 spring-back 경향 등을 예측하였으며, 예비 model성형 테스트를 통한 성형 가능성 및 스프링 백 경향에 대한 예비검증을 실시하였다. 테스트 공정으로는 1차 성형 후 2차 성형을 실시하는 다단성형 방식을 채택하였고, 다단 성형을 통해 체적 보상 공정이 성형성 개선 효과가 있음을 확인하였다.
- 본 연구에서 설계와 제작을 수행한 경량 금속 분리판의 실제 형상을 Fig. 11의 3D 모델링을 통해 전산모사에 적용하였고, 해당 모델을 통해 금속 분리판 유로 내부의 압력강하를 도출하기 위한 유동해석을 수행하였다. 유동해석의 수치계산 효율을 높이기 위해, 경량 금속 분리판 스택 매니폴드 해석은 분리판 채널 형상을 직선채널로 단순화하였고, 이를 통해 수치계산에 요구되는 격자수를 절감하는 동시에 동일한 압력강하 값을 도출하였다.
- 본 연구에서는 제작한 성형 금속을 사용하여 100 N/cm2 이하의 접촉저항을 만족시키는 분리 판을 Fig. 7과 같이 설계하였다. 분리판 유로의 면 형상은 성형의 용이성을 위해 양면이 아닌 단면형으로 설계하였다.
- 볼트의 체결토크는 실제 스택 제작시 도입한 체결압인 35 lbf·in을 도입하였고, 볼트의 체결 토크로부터 전달되는 하중의 값을 계산하고, 하중을 볼트의 단면적으로 나누어 볼트면에 전달되는 체결압을 계산하였다.
- 7과 같이 설계하였다. 분리판 유로의 면 형상은 성형의 용이성을 위해 양면이 아닌 단면형으로 설계하였다. DMFC 분리판의 재질은 스택의 경량화를 위해 카본이 아닌 금속 분리판을 적용하여 설계하였다.
- 뿐만 아니라 Plug & Play 기능 요구사항을 만족하기 위해 WA001, TW001 에 기능 구현용 신호를 추가하여 설계하였다.
- 또한, 성형 공정의 최적화를 위해 spring-back 보정 공정을 테스트 할 수 있도록 비드부품 교환이 용이한 구조로 금형을 설계 하였다. 뿐만 아니라 다수의 시도에 걸친 다단 성형으로 최적 성형 공정 및 공법을 위해 유로 및 입출구 형상 성형을 구분하여 성형 시 각각의 간섭이 최소화되게 금형 설계에 반영하였다. 또한 다단 성형으로 보상이 불가능한 부분은 정형 공정을 넣어 보상하는 개념으로 적용하였다.
- 소부대 작전 운용 환경에서의 이차전지 충전에 최적화된 DMFC 스택의 제작을 위해, 재질 선정 후 금속스택 제작을 위해 MEA, 금속 분리판, Current collector를 설계한 후 Fig. 8과 같이 실제 제작하였다. MEA는 경량화 설계한 단면형 금속 분리판의 무게를 고려하여 최소 면적으로 설계하였고, 65셀의 MEA를 적층하여 스택을 제작하였다.
- 스택 매니폴드는 매니폴드에서 유로로 유체가 일정한 양으로 공급될 수 있게 모델 형상에 대한 전산모사가 수행되었다. 매니폴드와 금속 분리판에 공급되는 유로의 개수와 형태에 따라 압력 강하 및 속도분포, 유량분배 등에 대한 해석을 수행하였다.
- 통계적으로 DMFC의 최적 성능 도출이 빈도수가 높은 스택 온도인 60°C 조건 하에서 정격 스택출력 시험을 실시하였다. Table 3에는 해당 스택 요구 규격 및 시험 결과를 정리하였다. 스택 요구 규격 및 시험 결과를 정리하였다.
- 통합전력제어모듈은 전력변환기의 방열을 위해 배낭 전면에 배치하였고, 주변장치는 배관 경로를 고려하여 최적 배치하였다. 스택은 절연 및 외부환경의 영향성을 감소시키기 위한 모듈하우징을 설계하였다.
- 시스템 운전 알고리즘은 물질전달과 열전달을 기반으로 경량화 DMFC 시스템을 구축하고, 환경조건에 맞추어 설계하였다. 연료전지 시스템의 72시간 연속운전시 사용자의 편의성과 비상상황을 대비하여 정상, 에러 등의 상태를 구분하였고, 연료전지 시스템의 안정적인 운전특성을 확보하기 위해 농도제어, 온도제어, 유량제어 등의 기능을 구현하여 연료전지 시스템의 초기기동시간을 단축할 수 있게 하였다.
- 또한 다단 성형으로 보상이 불가능한 부분은 정형 공정을 넣어 보상하는 개념으로 적용하였다. 연료극, 공기극 분리판 성형용 금형은 black holding 힘을 확대 하는 구조로 설계하고, 내부 core만 교체하여 성형 하는 공용 금형 구조로 설계하였고, 기본 금형 구조는 수동 이송 금형을 기본으로 하였다.
- 시스템 운전 알고리즘은 물질전달과 열전달을 기반으로 경량화 DMFC 시스템을 구축하고, 환경조건에 맞추어 설계하였다. 연료전지 시스템의 72시간 연속운전시 사용자의 편의성과 비상상황을 대비하여 정상, 에러 등의 상태를 구분하였고, 연료전지 시스템의 안정적인 운전특성을 확보하기 위해 농도제어, 온도제어, 유량제어 등의 기능을 구현하여 연료전지 시스템의 초기기동시간을 단축할 수 있게 하였다.
- 경량화 DMFC 시스템에는 작전수행환경에서 발생할 수 있는 충격을 흡수하기 위해 시스템 밑부분에 폼 및 댐퍼를 적용 배치하였다. 연료전지의 연료 공급 및 생성물을 유입/유출하는 기액 분리기는 시스템의 중앙에 위치시켰고, 여유 공간 확보를 위해 소형 주변장치를 기액 분리기 양측에 위치한 판에 고정하였다. 열교환 모듈에서 배출 되는 뜨거운 공기(30-60℃)를 배기하기 위해 팬과 배기구(duct)를 설계하였으며, 연료공급을 위한 연료카트리지는 시스템 측면에 여닫이 형태로 구성하여 장탈착이 용이하도록 설계하였다.
- 연료전지의 연료 공급 및 생성물을 유입/유출하는 기액 분리기는 시스템의 중앙에 위치시켰고, 여유 공간 확보를 위해 소형 주변장치를 기액 분리기 양측에 위치한 판에 고정하였다. 열교환 모듈에서 배출 되는 뜨거운 공기(30-60℃)를 배기하기 위해 팬과 배기구(duct)를 설계하였으며, 연료공급을 위한 연료카트리지는 시스템 측면에 여닫이 형태로 구성하여 장탈착이 용이하도록 설계하였다. 통합전력제어모듈은 하우징 상부에 배치하여 연료전지 시스템 운전시 발생하는 열에 의한 손상을 방지 하였고, 통합전력제어모듈에서 발생하는 열은 방열판과 팬을 통해 시스템 상부에 위치한 후드를 통해 열이 외부로 방출되도록 설계하였다.
- 의 스택을 제작하여 단위스택(5셀) 및 전체 스택의 운전 누적 시간을 측정하였다. 운전 누적 시간 시험을 위해 단위 셀의 경우 2 V 정전압 운전 조건에서 시험을 진행하였고, 65셀 스택의 경우 26 V의 정전압 운전 조건에서 시험을 진행하였다. 시험 결과 단위 셀의 장기운전시 700 h의 운전시간이 누적될 때마다 약 15%의 성능저하율을 나타내는 것이 확인되었다.
- 각 모듈별 인터페이스는 연결기를 사용하여 체결에 용이하도록 하였다. 원형연결기는 견고성이 뛰어나지만, 제한요구 사항인 무게(20 kg)에 영향을 줄 수 있으므로 D형연결기를 사용하였다. 뿐만 아니라 Plug & Play 기능 요구사항을 만족하기 위해 WA001, TW001 에 기능 구현용 신호를 추가하여 설계하였다.
- 개발된 연료전지 시스템은 소부대 작전운용 환경에 적합한 성능을 확인하기 위해 성능시험을 수행하였고, 성능시험 결과를 Table 1에 정리하였다. 위 성능 시험은 점검케이블을 성능 평가 장치의 J1단자에 연결한 후, 점검케이블을 TP1, TP2 단자에 차례대로 연결한 후 DMM을 사용하여 전압을 측정하는 절차로 진행하였다. 성능시험 결과 최종 출력 전압 28.
- 한국에서는 2010년 글라이더형 연료전지 추진비행체의 이차전지 충전용 연료전지의 요구성능에 대한 분석을 수행하였다2). 위 연구에서는 endurance 8시간 동안 연료전지와 이차전지로 함께 구동하는 최대 파워 1,793 W의 비행체의 최적 무게를 도출하였다. 도출 결과 7.
- 11의 3D 모델링을 통해 전산모사에 적용하였고, 해당 모델을 통해 금속 분리판 유로 내부의 압력강하를 도출하기 위한 유동해석을 수행하였다. 유동해석의 수치계산 효율을 높이기 위해, 경량 금속 분리판 스택 매니폴드 해석은 분리판 채널 형상을 직선채널로 단순화하였고, 이를 통해 수치계산에 요구되는 격자수를 절감하는 동시에 동일한 압력강하 값을 도출하였다. 분리판 채널 형상 단순화는 Darcy’s law를 기반으로 수행하였으며, 단순화 오차는 약 4% 이내로 도출되었다.
- Prototype 성형에서는 높이 10%, 폭 20%를 축소하여 1차적으로 예비 성형 후 2차 성형에서 본 성형인 목표 유로 형상을 성형하였으나 최종 시제품 확정 금형에서는 높이 20%, 폭 10%를 축소하여 2단다단 성형을 실시하였다. 이는 critical to quality (CTQ) 항목인 유로 및 가스켓 높이, 유로 반응 평탄부 확보를 목적으로 이와 같은 개념적 접근을 실시하여 금형 설계에 적용하였다.
- 볼트의 체결토크는 실제 스택 제작시 도입한 체결압인 35 lbf·in을 도입하였고, 볼트의 체결 토크로부터 전달되는 하중의 값을 계산하고, 하중을 볼트의 단면적으로 나누어 볼트면에 전달되는 체결압을 계산하였다. 이때 계산한 체결압을 구조해석의 경계조건으로 적용하여 응력해석 시뮬레이션을 수행하였다.
- MEA는 충격강도가 약한 흑연계열 분리판 대신에 금속 분리판을 채용하여 스택이 외부 충격에 견딜 수 있도록 설계하였으며, 본 연구에서는 금속 분리판에 가스켓을 직접 사출 성형(injection molding)한 가스켓 일체형 금속 분리판을 개발하여 적용하였다. 이를 바탕으로 환경시험 조건 중진동분야의 내구성 시험인 포장상태 요동 후 육안검사를 실시하여 기준을 통과하였다.
- 이에 따라 금형의 성형성 평가를 위해 1차 및 2차에 걸친 2회의 forming 다단 성형을 실시하였다. Prototype 성형에서는 높이 10%, 폭 20%를 축소하여 1차적으로 예비 성형 후 2차 성형에서 본 성형인 목표 유로 형상을 성형하였으나 최종 시제품 확정 금형에서는 높이 20%, 폭 10%를 축소하여 2단다단 성형을 실시하였다.
- 이와 같은 다단 순차 성형을 기본 개념으로 단면형 분리판(T0.1 mm) 2종의 무코팅 경량의 금속 분리판을 개발하였으며, 금형의 성형 패턴의 영향으로 인해 발생하는 thinning, crack, 파단을 방지하기 위해 성형 코어를 원활히 교체 가능한 순차 성형 방식을 적용하였다. 또한, 성형 공정의 최적화를 위해 spring-back 보정 공정을 테스트 할 수 있도록 비드부품 교환이 용이한 구조로 금형을 설계 하였다.
- 제작한 65 cell 성형 금속 분리판 스택의 성능 시험을 수행하였다. 통계적으로 DMFC의 최적 성능 도출이 빈도수가 높은 스택 온도인 60°C 조건 하에서 정격 스택출력 시험을 실시하였다.
- 연료전지 시스템의 안정적인 동작을 위해서는 메탄올 공급, 메탄올 농도제어, 공기 공급 등을 고려한 주변장치를 장착해야 한다. 주변장치의 우선 고려사항은 내화학성, 성능요구조건, 경량/ 소형, 저전력, 사용 전원, 제어방식, 온도조건 순으로 선정하였다. 주 연료로 메탄올을 사용하므로, 내화학성을 가지고 있는 주변장치를 우선 선정해야 한다.
- 53 V의 출력을 나타내어 요구출력조 건을 달성함을 확인하였다. 추가적으로 요인에 따른 경량화 연료전지 스택의 내구성을 평가하기 위해 진동 및 기울기 시험을 수행하였다. 진동시험의 경우 수송 및 운용 환경 하에서 장비의 내구성(체결부의 느슨함, 기구물의 손상이나 갈라짐, 간헐적인 전기적 접촉 현상)을 확인하기 위해 수행되었고, 기울기시험은 군 작전환경에서 연료 전지 전원팩의 기울어짐에 대한 내구성을 검증하기 위해 수행되었다.
- 통계적으로 DMFC의 최적 성능 도출이 빈도수가 높은 스택 온도인 60°C 조건 하에서 정격 스택출력 시험을 실시하였다.
- 냉각모듈에서 배출되는 고온 공기(30-60℃)가 외부로 배기하기 위해 배기통을 설계하였고, 연료카트리지는 교환/교체가 용이하도록 탈착 가능한 형태로 설계하였다. 통합전력제어모듈은 전력변환기의 방열을 위해 배낭 전면에 배치하였고, 주변장치는 배관 경로를 고려하여 최적 배치하였다. 스택은 절연 및 외부환경의 영향성을 감소시키기 위한 모듈하우징을 설계하였다.
- 열교환 모듈에서 배출 되는 뜨거운 공기(30-60℃)를 배기하기 위해 팬과 배기구(duct)를 설계하였으며, 연료공급을 위한 연료카트리지는 시스템 측면에 여닫이 형태로 구성하여 장탈착이 용이하도록 설계하였다. 통합전력제어모듈은 하우징 상부에 배치하여 연료전지 시스템 운전시 발생하는 열에 의한 손상을 방지 하였고, 통합전력제어모듈에서 발생하는 열은 방열판과 팬을 통해 시스템 상부에 위치한 후드를 통해 열이 외부로 방출되도록 설계하였다.
대상 데이터
- 분리판 유로의 면 형상은 성형의 용이성을 위해 양면이 아닌 단면형으로 설계하였다. DMFC 분리판의 재질은 스택의 경량화를 위해 카본이 아닌 금속 분리판을 적용하여 설계하였다. 금속 재질은 POSCO에서 저온형 연료전지 전용으로 개발한 스테인레스계 소재인 STS-470FC를 사용하였다.
- 8과 같이 실제 제작하였다. MEA는 경량화 설계한 단면형 금속 분리판의 무게를 고려하여 최소 면적으로 설계하였고, 65셀의 MEA를 적층하여 스택을 제작하였다. MEA는 충격강도가 약한 흑연계열 분리판 대신에 금속 분리판을 채용하여 스택이 외부 충격에 견딜 수 있도록 설계하였으며, 본 연구에서는 금속 분리판에 가스켓을 직접 사출 성형(injection molding)한 가스켓 일체형 금속 분리판을 개발하여 적용하였다.
- DMFC 분리판의 재질은 스택의 경량화를 위해 카본이 아닌 금속 분리판을 적용하여 설계하였다. 금속 재질은 POSCO에서 저온형 연료전지 전용으로 개발한 스테인레스계 소재인 STS-470FC를 사용하였다. 개발한 경량 금속 분리판을 DMFC 스택에 적용함으로써 카본스택 대비 기계적 강도 증가, 기존의 두께 2.
- 주 연료로 메탄올을 사용하므로, 내화학성을 가지고 있는 주변장치를 우선 선정해야 한다. 무게/부피 제한요구사항인 무게/부피를 고려하여 경량/소형의 주변장비를 선정하였고 에너지저장모듈, 통합전력제어모듈의 부피/무게를 줄이기 위해 전력소모가 작은 부품을 선정하였다. 주변장치는 전력소모를 최대 우선순위로 하여 최대한 적합한 부품을 선정하였다.
- 설계된 DMFC용 단면형 금속 분리판을 적용한 경량화 DMFC 스택을 제작하였다. 경량화 DMFC 스택의 구성품에 사용된 재질정보를 Table 2에 정리하였다.
- 경량화 DMFC 스택의 구성품에 사용된 재질정보를 Table 2에 정리하였다. 스택의 체결판(end plate)의 경우 스택의 경량화를 위해 일반적으로 사용하는 stainless steel (sus) 대신 알루미늄(aluminum)을 재질로 선정하였다. 전류집전체(current collector)의 재질로는 전기 전도성이 우수한 구리(copper)를 선정하였고, 분리판 가스켓의 재질로는 내약품성, 고강성, 내충격성, 투명성 및 고유동성의 강점을 지닌 polypropylene (PP)를 사용하였으며, 막전극접합체 가스켓(MEA gasket)은 내약품성이 뛰어나고 온도 특성이 안정한 polytetrafluoroethylene (PTFE)를 선정하였다.
- 주변장치의 소모 전력을 60 W, 전력변환기의 효율은 90%로 가정하여, 출력요구사항(300W@28Vdc)을 만족하기 위한 스택 출력은 470 W로 산정되었다. 에너지 저장모듈로 Li-polymer 배터리를 선정하고, 운용구간을 20-100%로 설정하였고, 주변장치에 필요한 정확한 전력량을 예상하기 어려워 에너지저장모듈의 용량은 1C rate 방전을 기준으로 95 Wh 이상의 배터리로 선정하였다.
- 본 연구에서는 소부대 작전운용환경에서 군 통신장비 등의 이차전지 충전이 가능한 배낭 형태의 경량화 DMFC 시스템을 개발하였다. 에너지 저장모듈의 용량은 95 Wh 이상의 배터리로 선정하였고, 연료인 메탄올에 의한 배관의 내화학성, 내부식성을 시스템에 고려하여 SUS316, Silicon 재질의 배관을 사용하였다.
- 이차전지 충전을 위한 경량화 DMFC 스택을 제작하기 위한 경량 금속 분리판을 설계 및 제작하였다. 경량 금속 분리판 제작을 위한 금형은 Fig.
- 장기운전 시험의 경우 전극면적 101 cm2의 스택을 제작하여 단위스택(5셀) 및 전체 스택의 운전 누적 시간을 측정하였다. 운전 누적 시간 시험을 위해 단위 셀의 경우 2 V 정전압 운전 조건에서 시험을 진행하였고, 65셀 스택의 경우 26 V의 정전압 운전 조건에서 시험을 진행하였다.
- 스택의 체결판(end plate)의 경우 스택의 경량화를 위해 일반적으로 사용하는 stainless steel (sus) 대신 알루미늄(aluminum)을 재질로 선정하였다. 전류집전체(current collector)의 재질로는 전기 전도성이 우수한 구리(copper)를 선정하였고, 분리판 가스켓의 재질로는 내약품성, 고강성, 내충격성, 투명성 및 고유동성의 강점을 지닌 polypropylene (PP)를 사용하였으며, 막전극접합체 가스켓(MEA gasket)은 내약품성이 뛰어나고 온도 특성이 안정한 polytetrafluoroethylene (PTFE)를 선정하였다.
이론/모형
- 분리판 채널 형상 단순화는 Darcy’s law를 기반으로 수행하였으며, 단순화 오차는 약 4% 이내로 도출되었다.
성능/효과
- Fig. 15와 같이 응력 해석 결과 스택에 볼트를 35 lbf·in의 토크로 체결하였을 시 볼트 직경 5 mm, 6 mm의 두 경우 모두 체결시 극한 압축 강도 이하의 응력분포가 나타나는 것을 확인하였고, 체결 볼트의 직경이 커질수록 응력집중 현상이 더 작게 일어나는 것을 관찰할 수 있었다.
- 이에 따라 금형의 성형성 평가를 위해 1차 및 2차에 걸친 2회의 forming 다단 성형을 실시하였다. Prototype 성형에서는 높이 10%, 폭 20%를 축소하여 1차적으로 예비 성형 후 2차 성형에서 본 성형인 목표 유로 형상을 성형하였으나 최종 시제품 확정 금형에서는 높이 20%, 폭 10%를 축소하여 2단다단 성형을 실시하였다. 이는 critical to quality (CTQ) 항목인 유로 및 가스켓 높이, 유로 반응 평탄부 확보를 목적으로 이와 같은 개념적 접근을 실시하여 금형 설계에 적용하였다.
- 경량화 DMFC 시스템의 요구 조건인 무게 20 kg 이하를 충족시키기 위해 카본 재질의 분리판 대신 금속 분리판을 채택하였고, 경량화 금속 분리판의 제작을 위한 맞춤형 금형을 제작하여 체적 보상 공정이 성형성 개선 효과가 있음을 확인하였다.
- 구조해석 시뮬레이션 결과 end plate와 분리판 모두 극한압축강도 이하의 최대 응력값을 나타내어, 파손은 일어나지 않을 것으로 예상할 수 있었고, 볼트 직경이 6 mm인 경우가 변형량이 작게 나타나기 때문에 5 mm인 볼트 직경에 비해 더욱 적합한 볼트 직경임을 확인할 수 있었다.
- 위 연구에서는 endurance 8시간 동안 연료전지와 이차전지로 함께 구동하는 최대 파워 1,793 W의 비행체의 최적 무게를 도출하였다. 도출 결과 7.06 kg의 연료전지 및 이차전지의 총 시스템 무게가 최적의 무게임을 도출하였다.
- 이 때 분리판 변형량의 경우, 볼트의 직경이 커지더라도 분리판 유로가 형성되는 중심부분에서의 변형은 큰 차이가 일어나지 않음을 관찰할 수 있었다. 따라서 응력분포와 변형량 분포 시뮬레이션 결과를 종합하였을 때, 볼트 직경이 6 mm인 경우가 변형량이 작게 나타나기 때문에, 볼트 직경을 6 mm로 설계하는 것이 타당함을 확인할 수 있었다.
- 매니폴드의 유동분포 시뮬레이션 데이터를 분석한 결과, 파이프에서 매니폴드로 진입시 유동면적의 증가로 인해 실속(stall)이 발생함을 확인하였다. 실속 현상은 운동에너지를 잃은 유체 입자가 분리되어 떨어져 나가는 유동 박리(separation) 현상과 유동이 역방향으로 감기는 와류(vortex)를 발생시켜, 채널 간 유량분배 편차를 발생시키는 것을 추가적으로 확인할 수 있었다.
- 14에 나타낸 채널 간 유량 분배는 공기극의 경우 전체적으로 대칭적인 형태를 나타내고 좌/우측 끝에 가까운 채널일수록 매니폴드의 실속(stall) 현상으로 인해 상대적으로 적은 연료가 유입되었다. 반면 연료극의 경우 비대칭적인 형태를 나타낼 뿐만 아니라 중심부에 위치한 3, 4번 채널로 가장 많은 연료가 유입됨을 확인할 수 있었다. 공기 극은 좌/우측 끝에 가까운 채널일수록 매니폴드의 실속현상의 영향을 많이 받아 상대적으로 적은 연료가 유입되었는데, 특히 7번 채널의 연료 유입량은 이상적인 유량에 비해 약 50%에 불과하였다.
- 본 연구에서는 소부대작전 운용환경에서 편제 장비인 지휘통제 및 통신장치 등의 2차 전지를 충전할 수 있는 배낭 형태의 경량화 DMFC 시스템의 설계 및 제작을 수행하였다. 본 시스템은 전력 수급과 보급이 차단된 고립 작전 환경에서 개인 병사의 편제장비에 전원공급이 가능하여 작전효율성, 임무지속성, 생존성을 향상시킬 수 있다.
- 설계 및 제작한 경량화 DMFC 스택의 금속 분리판 및 스택의 유동해석 및 구조해석을 수행하였으며 시뮬레이션 결과 메탄올 연료사용량 목표치인 345 mL/h의 메탄올이 연료극 매니폴드로 유입될 경우 공기극 유로의 압력강하가 연료극 유로의 압력강하와 비교하였을 때 약 2배 더 큰 결과를 나타냄을 확인하였다. 분리판 유로 내부 유량의 경우 매니폴드의 실속현상에 의한 영향에 의해서 공기극의 경우 좌/우측 끝에 가까운 채널 일수록 상대적으로 적은 연료가 유입되었고, 연료극의 경우 중심부에 위치한 채널로 가장 많은 연료가 유입됨을 확인할 수 있었다.
- 실속 현상은 운동에너지를 잃은 유체 입자가 분리되어 떨어져 나가는 유동 박리(separation) 현상과 유동이 역방향으로 감기는 와류(vortex)를 발생시켜, 채널 간 유량분배 편차를 발생시키는 것을 추가적으로 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 연료극 매니폴드의 유동분포 결과와 비교분석을 통해, 공기극 매니폴드는 연료극 매니폴드에 비해 폭이 2배 이상 넓기 때문에 파이프에서 매니폴드로 공기가 유입될 때 실속현상이 더욱 심화되어 나타남을 확인할 수 있었다. 이때 매니폴드와 연결된 채널의 위치가 각각 다른 이유로 채널마다 연료가 유입되는 속도의 편차가 나타났다.
- 43 Pa로, 매니폴드로 대부분의 압력 강하는 분리판 유로에서 나타나는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 이와 같은 분리판 유로에서의 압력강하는 채널 단순화 과정에서 나타낸 압력분포와 비슷한 경향을 보이는 것을 시뮬레이션 결과를 통한 검증 작업을 통해 확인할 수 있었다.
- 설계 및 제작한 경량화 DMFC 스택의 금속 분리판 및 스택의 유동해석 및 구조해석을 수행하였으며 시뮬레이션 결과 메탄올 연료사용량 목표치인 345 mL/h의 메탄올이 연료극 매니폴드로 유입될 경우 공기극 유로의 압력강하가 연료극 유로의 압력강하와 비교하였을 때 약 2배 더 큰 결과를 나타냄을 확인하였다. 분리판 유로 내부 유량의 경우 매니폴드의 실속현상에 의한 영향에 의해서 공기극의 경우 좌/우측 끝에 가까운 채널 일수록 상대적으로 적은 연료가 유입되었고, 연료극의 경우 중심부에 위치한 채널로 가장 많은 연료가 유입됨을 확인할 수 있었다.
- 위 성능 시험은 점검케이블을 성능 평가 장치의 J1단자에 연결한 후, 점검케이블을 TP1, TP2 단자에 차례대로 연결한 후 DMM을 사용하여 전압을 측정하는 절차로 진행하였다. 성능시험 결과 최종 출력 전압 28.39 V, 시스템 효율 23.6%를 달성 하여 배낭 형태의 경량화 DMFC 시스템의 요구 성능을 만족하였다. Fig.
- 15와 같이 응력 해석 결과 스택에 볼트를 35 lbf·in의 토크로 체결하였을 시 볼트 직경 5 mm, 6 mm의 두 경우 모두 체결시 극한 압축 강도 이하의 응력분포가 나타나는 것을 확인하였고, 체결 볼트의 직경이 커질수록 응력집중 현상이 더 작게 일어나는 것을 관찰할 수 있었다. 스택 구성품의 파손 유무를 판단하기 위해 응력분포의 최대치와 스택의 평균 극한 압축강도를 비교한 결과 end plate와 분리판 모두 극한 압축강도 이하의 최대 응력값을 나타내어, 파손은 일어나지 않을 것으로 예상할 수 있었다.
- 시험 결과 6면 진동시험과 Roll & Lateral (연속 15°[±1°]/ Lateral 연속 5°[±1°]) 기울기 시험 후에도 스택이 정상적으로 운전함을 확인하였다.
- 운전 누적 시간 시험을 위해 단위 셀의 경우 2 V 정전압 운전 조건에서 시험을 진행하였고, 65셀 스택의 경우 26 V의 정전압 운전 조건에서 시험을 진행하였다. 시험 결과 단위 셀의 장기운전시 700 h의 운전시간이 누적될 때마다 약 15%의 성능저하율을 나타내는 것이 확인되었다. 단위 셀의 경우 운전 누적시간 요구 규격을 만족하였다.
- 5에는 고온/저온 환경에 서의 경량화 연료전지 시스템의 내구성을 시험하기 위해 수행한 고온/저온 시험 운전 평가 하드웨어 구성의 개략도를 첨부하였다. 시험 결과 저온/고온 조건에서 모두 요구 출력 전압인 28 V를 초과하는 28.53 V의 출력을 나타내어 요구출력조 건을 달성함을 확인하였다. 추가적으로 요인에 따른 경량화 연료전지 스택의 내구성을 평가하기 위해 진동 및 기울기 시험을 수행하였다.
- 매니폴드의 유동분포 시뮬레이션 데이터를 분석한 결과, 파이프에서 매니폴드로 진입시 유동면적의 증가로 인해 실속(stall)이 발생함을 확인하였다. 실속 현상은 운동에너지를 잃은 유체 입자가 분리되어 떨어져 나가는 유동 박리(separation) 현상과 유동이 역방향으로 감기는 와류(vortex)를 발생시켜, 채널 간 유량분배 편차를 발생시키는 것을 추가적으로 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라 연료극 매니폴드의 유동분포 결과와 비교분석을 통해, 공기극 매니폴드는 연료극 매니폴드에 비해 폭이 2배 이상 넓기 때문에 파이프에서 매니폴드로 공기가 유입될 때 실속현상이 더욱 심화되어 나타남을 확인할 수 있었다.
- 1 W의 정격 출력을 얻었지만 스택 장기 운전의 경우 1,000 h의 요구 규격을 만족시키기 위해 보완이 필요한 것으로 확인되었다. 위 시험 결과를 같은 군 운용 환경에 적용한 연료전지인 ammonia hydride hydrogen generators를 적용한 사례4) 의 성능 곡선인 Fig. 10과비교한 결과, 단위 셀의 경우 더욱 우수한 스택 장기 운전 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
- 응력분포 결과와 마찬가지로, 체결 볼트의 직경이 커질수록 변형량이 작아지는 경향을 도출하였다. 이 때 분리판 변형량의 경우, 볼트의 직경이 커지더라도 분리판 유로가 형성되는 중심부분에서의 변형은 큰 차이가 일어나지 않음을 관찰할 수 있었다.
- 본 금형을 통한 성형 한계 깊이 설정 및 spring-back 경향 등을 예측하였으며, 예비 model성형 테스트를 통한 성형 가능성 및 스프링 백 경향에 대한 예비검증을 실시하였다. 테스트 공정으로는 1차 성형 후 2차 성형을 실시하는 다단성형 방식을 채택하였고, 다단 성형을 통해 체적 보상 공정이 성형성 개선 효과가 있음을 확인하였다.
- 경량 금속 분리판을 기반으로 설계/제작된 경량화 DMFC 스택의 성능 및 환경시험을 수행하여 요구 조건을 충족하였다. 특히 스택의 성능 시험 결과 전체 시스템의 요구전력인 300 W를 출력하는데 필요한 스택출력 450 W를 24% 초과한 561W를 출력하여 목표치를 만족하였을 뿐만 아니라, 스택의 부피 및 무게를 감소시킬 수 있는 잠재성을 내포하고 있다. 장기운전 요구 조건의 경우 또한 1,000시간을 초과하는 2,655시간으로 요구 조건을 충족하였다.
- 단위 셀의 경우 운전 누적시간 요구 규격을 만족하였다. 하지만 65 cell 스택은 26 V 정전압 운전 조건에서 558.1 W의 정격 출력을 얻었지만 스택 장기 운전의 경우 1,000 h의 요구 규격을 만족시키기 위해 보완이 필요한 것으로 확인되었다. 위 시험 결과를 같은 군 운용 환경에 적용한 연료전지인 ammonia hydride hydrogen generators를 적용한 사례4) 의 성능 곡선인 Fig.
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