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문제 정의
- 5 톤 지게차에는 적용이 어려웠다[9] . 본 논문에서는 수소 연료전지 중 수소 충전 인프라 구축이 필요 없고 연료공급이 용이한 DMFC 2kW 급 스택과 순간 최대 출력이 가능한 3.6kWh 리튬배터리를 하이브리드 시스템으로 구성하여 실내에서 주로 사용하는 1.5 톤 급 전동지게차의 280Ah, 48V 납축배터리를 탈 거하고 동일한 부피에 DMFC- 배터리 하이브리드 시스템으로 교체하여 지게차 연비측정의 평가매뉴얼 JIVAS F30, JIS D 6202( 일본 ), VD12198( 독일) 에 따라 차량전진 , 포크상승 , 포크하강 , 차량후진 , 대기모드 등 부하 , 무부하에 따른 리프팅 및 주행 실험 적용을 통해 실내에서 주로 사용되는 1.5 톤 급 전동지게차에도 수소충전 인프라 구축문제가 있는 PEMFC 대안으로 DMFC- 배터리 하이브리드 시스템이 적용 가능하다는 가능성을 제시하고자 한다.
제안 방법
- DMFC- 배터리 하이브리드 시스템 구성에 있어 배터리는 방전효율이 높은 75Ah 리튬폴리머 배터리를 13S1P 로 조합하여 3.6kWh (48V-75Ah) 의 배터리팩을 제작하였다. Table 3 는 DMFC 시스템에 적용한 배터리팩의 사양이다.
- Table 2 에서 나타나듯 MEA 활성 면적은 300cm2, 분리판 면적 400cm2 , 셀 전압 0.44V, 전류밀도 190 mA/cm2 , 셀별 출력 25W, 스택출력은 2, 006W 인 스택제작 설계를 토대로 연료극 10 line, 공기극 15 line 의 평행- 곡사형 구조 유로가 적용된 분리판을 사용하여 각 Cell 간 균일한 체결압 스택 어셈블리 최적화를 통한 80cell 스택을 제작하였다.
- DMFC 시스템 출력 증가를 위해서는 필연적으로 대면적 MEA 를 활용한 스택 적층기술 , 연료극과 공기극의 차압을 고려한 분리판의 유로설계 능력 , 공기 물 배출을 고려한 분리판 설계능력 , 가스켓 소재 특성을 고려한 엔드 플레이트 제작 등 복합적인 기술이 필요하다 . 또한 , Fig. 4 처럼 스택 제작 공정 간소화를 위해 제작된 분리판에 가스켓을 일체화하는 방법을 강구하였으며 , 매니폴드와 유로와의 연결을 위해 분리판 측면에서 뚫은 홀을 통한 연료 누수 문제를 해결하기 위해 가스켓 제작과 hole sealing 을 동시에 수행하였다 . Fig.
- 또한 , 전동지게차는 대기모드 , 주행모드 , 포크 리프팅 모드 , 포크하강모드 등에 따라 부하에서 요구되는 전류량이 달라 DMFC- 배터리 하이브리드시스템을 전동지게차 장착하여 운전모드에 따른 소비전류 분석을 통해 1.5 톤 전동지게차에 적용 가능한지에 대해 실험하고자 한다.
- 리튬배터리 팩의 전기적 특성평가를 진행하였으며 실험조건은 방전 전류 - 75 A(1-Crate), 방전 시작전압 - 53.56V(4.12 V/Cell), 방전 종지 전압 - 44.2V(3.40 V/Cell), DOD 85% (63.75 Ah) 충· 방전 평가를 진행하였다 . 1C Rate (75 Ah) 방전에 DOD( 방전심도 ) 85% 수준으로 충· 방전 평가를 한 결과 64.
- 5 톤 전동지게차에는 적용할 수 없었다 . 본 논문은 대면적 MEA(Active Area-300 ) 설계를 통한 2kW 스택과 방전효율이 높은 리튬배터리 팩 3.6kWh 를 DMFC- 배터리 하이브리드 시스템으로 제작 , 전동지게차에 장착하여 실험한 결과 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 5 로 공급하면서 부하 전류를 변화 시켜 출력 특성을 확인하였다 . 스택에서 얻을 수 있는 모든 정보를 수집할 수 있도록 데이터 수집 장치 (DAQ) 를 통해 실험은 진행되었으며 , 37.1V(0.464 V/cell) - 59.55A 조건으로 운전하여 2, 209W 의 출력을 얻었다 . 정전류 (55A) 모드로 스택의 운전 평가를 진행한 결과로는 특별한 성능감소 없이 평균 출력 2.
- 제작된 DMFC- 배터리 하이브리드 시스템이 1.5 톤 전동지게차에 적용이 가능한지 1.5 톤 전동지게차의 납축배터리를 탈거한 후 동일면적에 하이브리드시스템을 장착하여 지게차 연비측정의 평가매뉴얼 JIVAS F30( 일본) 에 따라 부하 , 무부하에 따른 리프팅 및 주행실험 등을 통해 소비전류를 분석하였다 . 실험을 위해 사용된 1.
- 전동지게차 운전 특성을 고려하여 평균 출력을 담당하는 연료전지와 Peak 출력을 담당하는 배터리의 조합으로 구성되어 있으며, 이는 배터리의 운전 시간 한계의 단점을 보완하기 위함이다 . 지속적인 발전이 가능한 DMFC 의 장점과 순간 최대출력이 가능한 리튬배터리의 특성을 고려해 하이브리드 시스템으로 구성되었으며 , DMFC 시스템에서 가장 핵심인 대면적 스택설계를 통해 DMFC- 배터리 하이브리드 시스템을 도출하였다 . 하이브리드시스템은 MEA(Membrane Electrolyte Assembly) 의 Active Area 가 300cm2 , 분리판 면적 400cm2 80 개의 셀로 구성된 DMFC 시스템과 75Ah 리튬배터리를 13S1P 로 연결하여 DMFC- 배터리 하이브리드시스템을 구성하였다.
- 지속적인 발전이 가능한 DMFC 의 장점과 순간 최대출력이 가능한 리튬배터리의 특성을 고려해 하이브리드 시스템으로 구성되었으며 , DMFC 시스템에서 가장 핵심인 대면적 스택설계를 통해 DMFC- 배터리 하이브리드 시스템을 도출하였다 . 하이브리드시스템은 MEA(Membrane Electrolyte Assembly) 의 Active Area 가 300cm2 , 분리판 면적 400cm2 80 개의 셀로 구성된 DMFC 시스템과 75Ah 리튬배터리를 13S1P 로 연결하여 DMFC- 배터리 하이브리드시스템을 구성하였다.
대상 데이터
- 5 톤 전동지게차의 납축배터리를 탈거한 후 동일면적에 하이브리드시스템을 장착하여 지게차 연비측정의 평가매뉴얼 JIVAS F30( 일본) 에 따라 부하 , 무부하에 따른 리프팅 및 주행실험 등을 통해 소비전류를 분석하였다 . 실험을 위해 사용된 1.5 톤 전동지게차에서 가장 많이 판매되는 ( 주) 수성의 SBR-15A 모델을 선정하였으며 , 모터사양은 주행모터 AC5.3kW, 유압모터 DC6.3kW 이다 .
성능/효과
- 1. 개발된 DMFC 시스템 평균 출력은 1.504 kW, 최대 1.648kW, 최소 0.379kW 임을 확인할 수 있었다 . 또한 , 리튬배터리 팩 (48V, 75Ah) 평균 출력은 2.
- 75 Ah) 충· 방전 평가를 진행하였다 . 1C Rate (75 Ah) 방전에 DOD( 방전심도 ) 85% 수준으로 충· 방전 평가를 한 결과 64.75Ah 의 용량이 측정되었으며 , 이는 75Ah 의 용량 중 86.3% 에 해당하는 양으로 , 배터리의 용량은 우수함을 확인할 수 있었다 . 방전 중 배터리 최고 온도는 37.
- 2. DMFC- 배터리 하이브리드시스템 구성을 통해 전동지게차에서 필요로 하는 평균부하 4.0 kW 대응을 위해 DMFC 시스템 평균출력 1.504kW 와 리튬배터리 팩 평균출력 2.495kW 를 합하여 대응이 가능함을 알 수 있었다 . 또한 , Peak 부하 시에는 리튬배터리가 순간적으로 100Ah 이상 출력으로 부하에 대응이 가능함이 확인하였다.
- 9 는 최종 출력 4kW 의 정전력 운전을 통한 조건에서의 DMFC- 배터리 하이브리드시스템 출력 특성 실험결과를 나타내고 있다. DMFC 와 배터리 출력을 합하여 부하 인가시 필요로 하는 4kW 대응을 위해 배터리 목표 출력 2.5kW, DMFC 시스템 목표 출력 1.5kW 가능한지에 대해 실험하여 데이터를 도출한 결과 , DMFC 시스템 평균 출력은 1.504kW( 최대 1.648kW, 최소 0.379kW), 배터리 시스템 평균 출력은 2.495kW ( 최대 3.621kW, 최소 2.352kW) 으로 확인되었다 . 하이브리드 시스템에 적용된 3.
- DMFC- 배터리 하이브리드시스템을 탑재한 실내용 지게차 운전 패턴에 따른 소비 전류 분석 결과 Fig. 10 에서 나타나듯이 포크상승할 경우 가장 많은 전류가 소모되며 , 포크를 낮추는 모드에서 전류가 가장 적은 전류가 소모되는데 , 운전중 평균 소비전류는 40Ah 이다 . Table.
- 495kW 를 합하여 대응이 가능함을 알 수 있었다 . 또한 , Peak 부하 시에는 리튬배터리가 순간적으로 100Ah 이상 출력으로 부하에 대응이 가능함이 확인하였다.
- 379kW 임을 확인할 수 있었다 . 또한 , 리튬배터리 팩 (48V, 75Ah) 평균 출력은 2.495kW, 최대 3.621kW, 최소 2.352kW 임을 확인하였다.
- 7Ah 전류가 소모됨을 확인할 수 있었다 . 또한 , 포크 틸트 시와 트럭 후진시에는 DMFC 시스템 평균출력 31Ah 보다 낮은 20Ah 전류가 소모되어 배터리 충전이 가능함을 확인할 수 있었다.
- 3% 에 해당하는 양으로 , 배터리의 용량은 우수함을 확인할 수 있었다 . 방전 중 배터리 최고 온도는 37.5 로 안정적인 온도 수준을 유지되었다 . Fig.
- 8 은 리튬배터리 팩 충방전 실험결과이며 전류의 증가에 따라 전압이 감소됨을 나타내고 있다. 부하는 100%, 75%, 50%, 75%, 다시 100% 로 변동특성을 부여하여 실험하였고 결과적으로 부하변동이 원활히 이루어짐을 확인하였다.
- 3Ah) 부하대응을 위해 DMFC 에서는 평균 30Ah 이상 출력으로 대응 가능하고 나머지 부족한 전류량은 배터리에서 담당함을 확인 가능하다 . 전동지게차 운전시 Peak 부하 대응은 DMFC 에서 일정한 전류( 평균전류 30Ah) 를 담당하고 리튬배터리에서 순간적으로 100Ah 이상의 전류 출력으로 효과적으로 대응할 수 있음을 확인하였다.
- 55A 조건으로 운전하여 2, 209W 의 출력을 얻었다 . 정전류 (55A) 모드로 스택의 운전 평가를 진행한 결과로는 특별한 성능감소 없이 평균 출력 2.1kW 로 안정적인 출력을 나타내어 일반적인 BoP 전력손실율 30% 를 감안하더라도 시스템 평균출력은 1.5kW 이상이 가능함을 확인하였다.
- 4 는 전동지게차가 포크 상승 , 차량전진 , 차량후진 , 대기모드에 따른 각각의 전류 소모량을 나타내고 있다. 포크상승시가장 많은 전류 114.7Ah 가 소모되며 , 차량전진시 10Ah, 후진시 14.4Ah, 대기모드일 경우에는 6.7Ah 전류가 소모됨을 확인할 수 있었다 . 또한 , 포크 틸트 시와 트럭 후진시에는 DMFC 시스템 평균출력 31Ah 보다 낮은 20Ah 전류가 소모되어 배터리 충전이 가능함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 3. DMFC 는 kW 급 시스템 제작이 어려워 1.5 톤 전동지게차에 적용이 어려웠으나 DMFC- 배터리 하이브리드시스템 구성을 통해 1.5 톤 전동지게차 적용 외에도 전동청소차 , AGV, 스쿠터 등 다양한 모빌리티 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.
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