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문제 정의
- 하지만 외각 셀 분리판의 경우 생성된 전자를 전달하기 위해 Mass가 매우 큰 커런트 컬렉터 및 체결기구와 접합하고 있어 발생된 열이 손실될 수 밖에 없다. 하지만 냉시동 성능을 개선하기 위해 구조적으로 안정적이면서 열전달 효과를 줄이기 위해 분리판과 접합하고 있는 부분에 Air pocket 가공을 통해 이를 극복하고자 하였다. 설계 변경 후, Fig 6의 구조분석과 열전도 분석에서 나타난 것처 열전달 효과는 1/4로 줄었고, 구조적으로도 변위가 적은 것으로 나타났다.
제안 방법
- 1) 안정적인 기밀 구조 확보를 통해 단일 루프냉각 시스템을 도입함으로 시스템 및 제어 간소화를 이루었다.
- 부동액 기밀성 평가를 위해 3셀 스택을, 냉시동성 평가를 위해 20셀(4kW급) 스택을 제작하였다. 20셀 스택은 1, 6, 11, 16, 21번에 온도 측정 가능 분리판을 삽입하였고, 가스 및 냉각수 입출구가 연료전지 운전 장치(Test Station)에 장착된 상태에서 환경챔버 (Environmental chamber)안에 설치되었다.
- PEMFC의 냉시동 기술은 확보되어야하는 중요기술 중 하나로 당사에서는 아래와 같이 냉 시동을 위해 개발된 기술들을 적용함으로 - 15℃에서 안정적으로 냉시동 성능을 확보한 연료전지 차량을 개발하였다.
- 냉시동 성능에 대한 차량 적용성 평가를 위해 80kW급 스택이 제작되었다, 20셀과 동일한 단품 사양 MEA, GDL, 분리판, 엔드플레이트, 체결밴드)을 적용하여 총 424셀을 적층하였고, 단열성능을 증가시키기 위해 당사에서 개발 중인 단열재를 적용하여 인클로져와 스택 사이에 적용하였다. Fig 1은 80때급 연료전지 스택의 구성도를 나타낸 그림이다.
- 이 냉시동 차량의 냉각라인에 -20℃ 이하에서도 얼지 않는 냉각 부동액을 적용하였고, 선행평가를 통해 시스템이 간소화된 냉각라인 단일 루프 시스템을 적용하였다. 냉시동성 및 저온 주행성 평가시 연료천지 차량을 환경챔버에넣고 온도 설정 후 22시간 이상 Soaking 시간을 두었다. 이 22시간의 Soaking 시간은 예비 평가를 통해 단열재가 적용된 당사 80kW 스택의 정중앙 부분이 외기 온도와 같아지는 온도로 정의하였다.
- 적용하였다. 냉시동시 Anode, Cathode 모두 무가습 반응가스를 공급하였고, 스택 내부로 들어가는 반응가스의 온도를 환경챔버내의 온도와 같게 하기 위해, 가스 입구 라인을 충분히 길게 함으로 온도를 동일하게 유지해 주었다. 냉 시동 시에는 부동액을 충전한 상태로 평가하여 차량 상태와 동일하게 구현하였고, 냉각수를 순환시키지 않으므로 열손실을 최대한 억제하였다.
- 특히, 몇몇 분리판 내부에는 Thermocouple용 홀(hole)을 가공하여 분리판내온도 분포를 알 수 있도록 하였다. 부동액 기밀성 평가를 위해 3셀 스택을, 냉시동성 평가를 위해 20셀(4kW급) 스택을 제작하였다. 20셀 스택은 1, 6, 11, 16, 21번에 온도 측정 가능 분리판을 삽입하였고, 가스 및 냉각수 입출구가 연료전지 운전 장치(Test Station)에 장착된 상태에서 환경챔버 (Environmental chamber)안에 설치되었다.
- 연료전지는 공급가스가 흐를 수 있는 서 펜타인 유로가 형성된 분리판 사이에 상용 막-전극 접합체(MEA, Membrane electrode asse까) ly)와그 양면에 Felt type 의 가스확산층 (GDL, Gas diffusion layer)을 둔 후 일정압력으로 체결하여 제작하였다. 특히, 몇몇 분리판 내부에는 Thermocouple용 홀(hole)을 가공하여 분리판내온도 분포를 알 수 있도록 하였다.
- 주행성 평가 등을 우선 실시하였다. 이 냉시동 차량의 냉각라인에 -20℃ 이하에서도 얼지 않는 냉각 부동액을 적용하였고, 선행평가를 통해 시스템이 간소화된 냉각라인 단일 루프 시스템을 적용하였다. 냉시동성 및 저온 주행성 평가시 연료천지 차량을 환경챔버에넣고 온도 설정 후 22시간 이상 Soaking 시간을 두었다.
- 제작된 80kW급 스택을 연료전지 차량에 장착한 후, 상온 시동 평가. 주행성 평가 등을 우선 실시하였다.
- 후, 상온 시동 평가. 주행성 평가 등을 우선 실시하였다. 이 냉시동 차량의 냉각라인에 -20℃ 이하에서도 얼지 않는 냉각 부동액을 적용하였고, 선행평가를 통해 시스템이 간소화된 냉각라인 단일 루프 시스템을 적용하였다.
대상 데이터
- 스택 운전을 위해 반응가스로 수소와 공기가 사용되었고, 냉각수는 당사에서 개발 중인 냉각 부동액을 적용하였다. 냉시동시 Anode, Cathode 모두 무가습 반응가스를 공급하였고, 스택 내부로 들어가는 반응가스의 온도를 환경챔버내의 온도와 같게 하기 위해, 가스 입구 라인을 충분히 길게 함으로 온도를 동일하게 유지해 주었다.
성능/효과
- 용량 스택 냉시동시에는 열손실을 막기 위해 냉각 부동액을 순환하지 않고, 또한 스택에 # 이용하여 직접적으로 온도를 즉정하는 것이 어렵기 때문에 Cathode 출구의 온도를 스택의 온도로 선정하여 평가하였는데, 예비평가 결과 실제 스택의 온도, 즉 분리판 온도보다 Cathode 출구의 온도가 약 10P 정도 낮음을 알 수 있었고, Cathode 출구를 기준으로 냉 시동 성공 여부와 냉각 부동액 순환 시점을 판단할 수 있었다
- 2) 구조적으로 안정적이고 열전도율이 기존대비 1/4로 낮은 엔드플레이트/커런트컬렉터를 적용함으로 냉시동시 발생하는 온도편차를 줄여 냉 시동 성능을 향상시켰다.
- 3) 냉시동 초기 최적의 전류량을 선정하여 이에 맞는 passive 저항체를 설계함으로 실차에서냉시동 성능을 확보할 수 있었다.
- 평가 결과 1번의 경우 -10#에서 안정적인 냉시동성을 나타냈지만 2번의 물량이 상대적으로 1번에 비해 많은 경우에는 외각 셀에서 부분적인 역전압이 나타났다. 3번 조건은 냉시동은 가능하였으나 최소전압이 0.176V 로 매우 낮게 나타나 동일 조건으로 더 낮은 온도에서눈 불가능할 것으로 보여 과도하게 퍼지 함으로 셀내 물을 제거하는 것이 오히려 냉 시 동성에는 않좋은 것으로 나타나 적절한 퍼지 절차가 필요함을 알 수 있었다.
- 4) 냉시동 성공여부 확인 및 부동액 순환 기점의 기준 온도로 스택내 분리판에 직접 thermo couple을 설치하지 않아도 Cathode outlet 온도로 판단 가능함을 알 수 있었다.
- 전압이 낮은 7개의 셀전압 및 평균 전압을 나타내었고, 온도로는 Cathode outlet 온도를 나타내었다. 7개의 낮은 성능을 갖는 셀 위치는 모두 각 모듈의 외각셀임을 알 수 있었고, 평균 전압에 비해서도 낮은 전압 거동을 나타냄을 알 수 있었다. 하지만 전체적으로 안정적인 전압 거동으로 연료전지 차량에서도 냉시동이 가능함을 알 수 있었다
- 또한'Dyno가 설치된 환경챔버에서 -15# 주행성 평가를 실시한 결과 일단 스택의 온도가 을라가게 되면 주행성에 영향을 미치지 않고 안정적으로 구동됨을 알 수 있었다.
- 본 연구에서는 시스템 및 제어를 간소화 하기 위해 냉각부동액의 단일루프 적용성 검토 후 기밀 불량으로 인한 발생 문제점을 고온 경화형 가스켓을 적용함으로 해결하였고, 4kW급 20셀 스택을 제작하여 다양한 조건에서의 연료전지 냉시동특성 분석 및 냉시동 성능을 향상시키기 위한 설계 변경을 실시하여 T5℃에서 얀정적이고 기존 사양 대비 향상된 냉시동 성능을 확보하였으며, 최종적으로 급 스택을 제작 후 실제 스포티지 연료전지 차량에 탑제하여 T5℃에서의 냉 시 동성 및 저온 주행성을 평가함으로 당사 연료전지 차량이 영하의 온도에서도 안정적으로 시동 및 주행 가능함을 확인하였다.
- 하였다. 비교 결과 외각셀의 단열성 증가로 빠르게 전류량을 중가시킬 수 있고, 이에 Ratedpower 의 50%인 2kW에 도달시간이 기존 120초에서 64초로 약2배 줄어듬을 알 수 있다. 셀간 온도 편차 분석 결과 기존 사양의 경우 2kW에서 약 32#가났고, 개발사양의 경우 151로 편차가 많이 줄어들었음을 알 수 있다.
- 하지만 냉시동 성능을 개선하기 위해 구조적으로 안정적이면서 열전달 효과를 줄이기 위해 분리판과 접합하고 있는 부분에 Air pocket 가공을 통해 이를 극복하고자 하였다. 설계 변경 후, Fig 6의 구조분석과 열전도 분석에서 나타난 것처 열전달 효과는 1/4로 줄었고, 구조적으로도 변위가 적은 것으로 나타났다.
- 후자의 경우 시스템이 간단하고, 냉각효율이 높은 장점이 있지만 스택의 기밀성이 확보되지 않는다면 부동액이 가스 채널쪽으로 침투하여 촉매층의 열화와 GDL로의 흡착에 따른 물질이동 저항을 증가시킬 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 당사에서는 부동액과 직접 접촉하는 단품들의 적합성을 평가하여 가스켓이 취약함을 알았고, 이를 극복하기 위해 고온 경화형 가스켓을 적용하여 L000시간 연속 운전시에도 성능감소가 나타나지 않음을 확인하였다.
- 하지만 연료전지 차량에는 강제로 원하는 전류를 일정하게 소모시킬 수 있는 전자부하와 같은 장치의 설치가 어렵기 때문에 당사에서는 Passive 저항체를 이용하여 저항체를 연결하였을 때 약 250mA/cin2의 전류량이 나을 수 있도록 저항체를 설계하여 20셀 스택에서의 검증을 실시하였고, 동일하게 안정적으로 냉시동이 가능함을 확인하였다. 이후 이를 스케일업하여 냉 시동을 위한 연료전지 자동차에 적용하였다.
- 7개의 낮은 성능을 갖는 셀 위치는 모두 각 모듈의 외각셀임을 알 수 있었고, 평균 전압에 비해서도 낮은 전압 거동을 나타냄을 알 수 있었다. 하지만 전체적으로 안정적인 전압 거동으로 연료전지 차량에서도 냉시동이 가능함을 알 수 있었다
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