본 연구에서는 선박 전원용 연료전지 시스템 모델을 개발하여 순수한 산소를 공급하여 진행한 실험 결과의 비교를 통하여 연료전지 시스템 모델을 검증하였다. 검증된 모델을 활용하여 공기 압축기를 사용하여 공기를 공급할 경우에 대하여 산소를 공급한 경우와의 연료전지 출력 특성을 비교 검토하였다. 또한, 연료전지 시스템의 열물성치 변화가 스택의 출력에 어떠한 영향을 미치는지에 관하여 검토하였다. 그 결과 본 연구의 실험 범위에서 캐소드 공급 가스로 순수한 산소를 공급한 경우의 모델링을 통한 계산 결과와 실험 결과는 전 부하 영역에서 거의 동일한 전압 및 출력을 얻을 수 있었다. 560 A의 일정한 부하에서 캐소드 공급용 산소를 대신하여 공기를 공급한 경우 각각의 스택 전압은 약 14 V, 스택 출력은 약 8 kW, 스택 효율은 약 3 % 및 전체 시스템 효율은 8 % 정도 낮아짐을 알 수 있었다. 본 연구에서 검토한 열물성치 중에서 스택에 대한 냉각수의 열전달 계수가 스택의 출력에 가장 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
본 연구에서는 선박 전원용 연료전지 시스템 모델을 개발하여 순수한 산소를 공급하여 진행한 실험 결과의 비교를 통하여 연료전지 시스템 모델을 검증하였다. 검증된 모델을 활용하여 공기 압축기를 사용하여 공기를 공급할 경우에 대하여 산소를 공급한 경우와의 연료전지 출력 특성을 비교 검토하였다. 또한, 연료전지 시스템의 열물성치 변화가 스택의 출력에 어떠한 영향을 미치는지에 관하여 검토하였다. 그 결과 본 연구의 실험 범위에서 캐소드 공급 가스로 순수한 산소를 공급한 경우의 모델링을 통한 계산 결과와 실험 결과는 전 부하 영역에서 거의 동일한 전압 및 출력을 얻을 수 있었다. 560 A의 일정한 부하에서 캐소드 공급용 산소를 대신하여 공기를 공급한 경우 각각의 스택 전압은 약 14 V, 스택 출력은 약 8 kW, 스택 효율은 약 3 % 및 전체 시스템 효율은 8 % 정도 낮아짐을 알 수 있었다. 본 연구에서 검토한 열물성치 중에서 스택에 대한 냉각수의 열전달 계수가 스택의 출력에 가장 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
In this study, a fuel cell system model for ship power was developed and verified by comparing the experimental results obtained by supplying pure oxygen. To verify the proposed model, the fuel cell output characteristics when oxygen was supplied were compared with those when air was supplied using ...
In this study, a fuel cell system model for ship power was developed and verified by comparing the experimental results obtained by supplying pure oxygen. To verify the proposed model, the fuel cell output characteristics when oxygen was supplied were compared with those when air was supplied using an air compressor. In addition, the effect of the change in the thermal properties of the fuel cell system on the output of the stack was examined. Within the experimental range of this study, when pure oxygen was supplied as the cathode supply gas, the calculated and experimental voltages and outputs obtained through modeling were almost the same over the entire load range. When air was supplied instead of oxygen for the cathode supply at a constant load of 560 A, each stack voltage was approximately 14 V, the stack output was approximately 8 kW, and the stack efficiency was approximately 3 %. It was confirmed that the overall system efficiency was reduced by approximately 8 %. Among the thermal properties examined in this study, the heat transfer coefficient of the coolant to the stack was found to have the greatest effect on the output of the stack.
In this study, a fuel cell system model for ship power was developed and verified by comparing the experimental results obtained by supplying pure oxygen. To verify the proposed model, the fuel cell output characteristics when oxygen was supplied were compared with those when air was supplied using an air compressor. In addition, the effect of the change in the thermal properties of the fuel cell system on the output of the stack was examined. Within the experimental range of this study, when pure oxygen was supplied as the cathode supply gas, the calculated and experimental voltages and outputs obtained through modeling were almost the same over the entire load range. When air was supplied instead of oxygen for the cathode supply at a constant load of 560 A, each stack voltage was approximately 14 V, the stack output was approximately 8 kW, and the stack efficiency was approximately 3 %. It was confirmed that the overall system efficiency was reduced by approximately 8 %. Among the thermal properties examined in this study, the heat transfer coefficient of the coolant to the stack was found to have the greatest effect on the output of the stack.
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문제 정의
검증된 모델을 활용하여 공기 압축기를 사용해 공기를 공급하는 선박용 연료전지 시스템 모델을 개발하여 순수한 산소를 공급한 경우와의 연료전지 출력 특성을 비교 검토하였다. 또한, 연료전지시스템의 열물성치 변화가 스택의 출력에 어떠한 영향을 미치는가에 관하여 검토하였다.
본 연구에서는 120 kW급 모듈로 구성된 연료전지 스택 2기를 조합한 선박 전원용 연료전지 시스템의 개발 모델을 순수한 산소 공급으로 얻어진 실험 결과와 비교하여 개발한 연료전지 시스템 모델을 검증하였다. 검증된 모델을 활용하여 공기 압축기로 공기를 공급하는 경우와 순수한 산소를 공급한 경우를 비교하고 이를 기반으로 연료전지 출력 특성을 비교 검토하였다.
본 연구에서는 선박 전원용 연료전지 시스템 모델을 개발하고 순수한 산소를 공급하여 진행한 실험 결과와의 비교를 통하여 개발 모델의 검증을 진행하였다. 검증된 모델을 활용하여 공기 압축기를 사용해 공기를 공급하는 선박용 연료전지 시스템 모델을 개발하여 순수한 산소를 공급한 경우와의 연료전지 출력 특성을 비교 검토하였다.
캐소드 공급 가스로 산소를 공급하여 연료전지 스택을 운전하여 얻은 실험 결과와 본 연구에서 개발한 모델에 의하여 계산된 값의 비교 및 시스템 특성에 관하여 검토하였다. Fig.
가설 설정
2와 동일한 조건에서의 부하 변동에 따른 스택 효율(Stack Efficiency) 및 시스템 효율(System Efficiency)에대한 계산 결과를 보여주고 있다. 부하가 증가함에 따라 스택 효율 및 시스템 효율이 감소함을 알 수 있다. 캐소드 공급 가스로 산소로 운전한 경우가 공기로 운전한 경우보다 스택 효율 및 시스템 효율이 높다.
정격 출력 부하인 528 A에서 산소로 운전한 경우의 스택 효율(Stack EfficiencyFC1O2)은 약 59 %이다. 스택 1과 스택 2의 합계 출력에서 냉각수펌프의 구동을 위하여 사용한 소비 전력을 뺀 시스템 효율(System EfficiencyO2)은 약 53 %이다. 또한, 공기압축기를 이용하여 공급한 공기로 운전한 경우의 스택 효율은 약 56 %이고 시스템 효율(System EfficiencyAir)은 약 46 %이다.
캐소드 공급 가스로 산소로 운전한 경우가 공기로 운전한 경우보다 스택 효율 및 시스템 효율이 높다. 정격 출력 부하인 528 A에서 산소로 운전한 경우의 스택 효율(Stack EfficiencyFC1O2)은 약 59 %이다. 스택 1과 스택 2의 합계 출력에서 냉각수펌프의 구동을 위하여 사용한 소비 전력을 뺀 시스템 효율(System EfficiencyO2)은 약 53 %이다.
제안 방법
본 연구에서는 120 kW급 모듈로 구성된 연료전지 스택 2기를 조합한 선박 전원용 연료전지 시스템의 개발 모델을 순수한 산소 공급으로 얻어진 실험 결과와 비교하여 개발한 연료전지 시스템 모델을 검증하였다. 검증된 모델을 활용하여 공기 압축기로 공기를 공급하는 경우와 순수한 산소를 공급한 경우를 비교하고 이를 기반으로 연료전지 출력 특성을 비교 검토하였다. 또한, 연료전지 시스템의 열물성치 변화가 스택의 출력에 어떠한 영향을 미치는가에 관해 검토하여 본 연구의 범위에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 선박 전원용 연료전지 시스템 모델을 개발하고 순수한 산소를 공급하여 진행한 실험 결과와의 비교를 통하여 개발 모델의 검증을 진행하였다. 검증된 모델을 활용하여 공기 압축기를 사용해 공기를 공급하는 선박용 연료전지 시스템 모델을 개발하여 순수한 산소를 공급한 경우와의 연료전지 출력 특성을 비교 검토하였다. 또한, 연료전지시스템의 열물성치 변화가 스택의 출력에 어떠한 영향을 미치는가에 관하여 검토하였다.
성능/효과
(1) 캐소드 공급 가스로 순수한 산소를 공급한 경우의 모델링을 통한 계산 결과는 전 부하 영역에서 실험 결과와 거의 동일한 전압 및 출력을 얻을 수 있었다.
(2) 560 A의 일정한 부하에서 캐소드 공급용 산소를 순수한 산소를 대신하여 공기압축기를 사용하여 공기를 공급한 경우 각각의 스택 전압은 약 14 V, 스택 출력은 약 8 kW, 스택 효율은 약 3 % 및 전체 시스템 효율은 약 8 % 정도 낮아짐을 알 수 있었다.
(3) 생성수의 양은 캐소드 공급 가스로 산소를 사용한 경우와 공기를 사용한 경우 동일한 양이 발생함을 알 수 있었다.
(4) 스택에 대한 냉각수의 열전달 계수가 스택의 출력에 가장 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
연료전지 스택은 1개의 모듈에서 120 kW급의 출력을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 2개의 연료전지 스택 모듈이 설치되어있고 연료전지 시스템에서 약 240 kW의 출력을 얻을 수 있다. 각각의 연료전지 스택에 대하여 운전의 입력 신호인 부하(Ampere)가 설정되면 부하에 따른 산소(공기)와 수소의 공급량이 계산되고 부하 신호부에서 스택 1과 스택 2의 부하에 따라 적정량의 산소(공기) 및 수소가 공급되게 된다.
산소를 공급한 경우의 실험 결과와 계산 결과는 거의 동일한 출력을 보여주고 있다. 부하가 증가함에 따라 캐소드 공급 가스를 산소를 사용한 경우와 비교하여 공기를 사용한 경우의 출력 감소폭이 증가함을 알 수 있다. 이는 부하가 증가할수록 전술한 가역 개회로 전압이 낮아지고 활성화 과전압이 증가하여 스택의 전압이 낮아지기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
캐소드 공급 가스는 어떻게 구성되어 있는가?
1은 선박용 연료전지 시스템의 개략도를 나타내고 있다. 캐소드 공급 가스는 실험 결과와 모델링을 통한 계산 결과의 비교를 위해서 산소 탱크에서 산소를 가습하여 연료전지 스택으로 공급하는 방법과 모델링 측면에서 추가적인 검토를 위하여 공기 압축기를 구동하여 가습된 공기를 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 수소는 액체 수소 탱크에서 공급되며 가습기를 통과하여 연료전지 스택의 애노드 측으로 공급된다.
연료전지(Fuel Cell) 기술은 무엇인가?
연료전지(Fuel Cell) 기술은 수소를 직접적으로 연료로 사용할 수 있는 기술로 현재 친환경 자동차용 기술로 상용화가 진행되어 판매되고 있다. 선박에서 배출되는 대기 환경 오염 물질 중에서도 이산화탄소의 저감을 위하여 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)에서 다양한 논의가 진행되고 있다(IMO, 2018).
120 kW급 모듈로 구성된 연료전지 스택 2기를 조합한 선박 전원용 연료전지 시스템의 개발 모델을 순수한 산소 공급으로 얻어진 실험 결과와 비교하여 개발한 연료전지 시스템 모델을 검증하고 검증된 모델을 활용하여 공기 압축기로 공기를 공급하는 경우와 순수한 산소를 공급한 경우를 비교하고 이를 기반으로 연료전지 출력 특성을 비교 검토한 결과는?
(1) 캐소드 공급 가스로 순수한 산소를 공급한 경우의 모델링을 통한 계산 결과는 전 부하 영역에서 실험 결과와 거의 동일한 전압 및 출력을 얻을 수 있었다.
(2) 560 A의 일정한 부하에서 캐소드 공급용 산소를 순수한 산소를 대신하여 공기압축기를 사용하여 공기를 공급한 경우 각각의 스택 전압은 약 14 V, 스택 출력은 약 8 kW, 스택 효율은 약 3 % 및 전체 시스템 효율은 약 8 % 정도 낮아짐을 알 수 있었다.
(3) 생성수의 양은 캐소드 공급 가스로 산소를 사용한 경우와 공기를 사용한 경우 동일한 양이 발생함을 알 수 있었다.
(4) 스택에 대한 냉각수의 열전달 계수가 스택의 출력에 가장 큰 영향을 미침을 알 수 있었다.
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