[논문]연료전지 UAV의 친환경 추진 시스템을 위한 통합형 수소 공급 시스템 연구

이충준; 김태규

[국내논문] 연료전지 UAV의 친환경 추진 시스템을 위한 통합형 수소 공급 시스템 연구
The study of integrated hydrogen supply system for environment friendly propulsion systems of fuel-cell UAV 원문보기

이충준 (조선대학교 항공우주공학과 대학원) , 김태규 (조선대학교 항공우주공학과)

본 논문은 연료전지 UAV의 친환경 추진 시스템을 위한 통합형 수소 공급 시스템 연구에 대해 기술하고 있다. 고체 상태 $NaBH_4$를 직접 분해하기 위해 희석된 염산을 사용하였다. 안정적인 수소 공급을 위해 자체 수소 가압형 반응기와 압력 레귤레이터를 적용하였다. 컨셉 실증과 성능 검증을 위해 고체 상태 $NaBH_4$를 직접 분해하는 통합형 수소 공급 시스템의 시제품을 설계하였다.

This paper describes the study of integrated hydrogen supply system for environment friendly propulsion systems of fuel-cell UAV. Diluted hydrochloric acid was used for direct-decomposing solid-state $NaBH_4$ and generating hydrogen. Self-hydrogen pressurized reactor and pressure regulator was introduced for stable hydrogen supply. Prototype of integrated hydrogen supply systems using the solid-state $NaBH_4$ direct-decomposition was designed for performance evaluation and concept demonstration.

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문제 정의

무인항공기의 차세대 친환경 추진 시스템 연구의 일환으로 항공기의 특성을 반영한 연료전지 시스템의 B.O.P 구성을 위해 통합형 수소 공급 시스템을 연구하였다. 시스템은 고체 NaBH₄를 직접 분해하여 수소를 공급하도록 설계하였으며 이를 이용한 연료전지 기초 구동 실험을 수행하였다.

제안 방법

연료전지 구동 실험은 연료전지 구동에 필요한 수소를 통합형 수소 공급 시스템이 충분히 안정적으로 공급할 수 있는지 여부와 스택의 나트륨 오염을 발생시키는지 여부를 확인하기 위한 형태로 진행하였으며 Fig. 3과 같이 통합형 수소 공급 시스템을 별도의 추가 장비 없이 연료전지에 직접 공급하고 Fig. 4와 같은 부하를 연료전지에 인가한 경우와 고압 수소 저장 용기에서 수소를 공급한 경우에 대한 출력 특성을 비교하였다.
는(Granular type, 순도 98% 이상) 삼전화학의 제품을 사용하였다. 또한, 이를 분해하기 위해 Burdick & Jackson의 35% 이상의 진한 염산 수용액을 증류수를 이용하여 3N농도로 희석하여 사용하였다.
P 구성을 위해 통합형 수소 공급 시스템을 연구하였다. 시스템은 고체 NaBH₄를 직접 분해하여 수소를 공급하도록 설계하였으며 이를 이용한 연료전지 기초 구동 실험을 수행하였다.

대상 데이터

설계된 통합형 수소 공급 시스템은 Fig. 1과 같으며 크게 수소 발생부와 수소 공급부로 구성되어 있다. 이 시스템의 가장 큰 특징으로는 시스템 경량화 및 구조 단순화를 위해 반응기 내부에 고체 상태의 NaBH₄가 저장되며 시스템 구동이 시작되면 이 반응기가 저압 수소 저장 용기와 유사한 역할도 동시에 수행한다는 점을 들 수 있다.
모든 실험은 표준 실험실 조건(25℃, 1 atm)하에서 수행되었으며 연료전지는 약 100W 출력을 생산할 수 있는 PEMFC가 사용되었으며 수소 발생을 위한 NaBH₄는(Granular type, 순도 98% 이상) 삼전화학의 제품을 사용하였다. 또한, 이를 분해하기 위해 Burdick & Jackson의 35% 이상의 진한 염산 수용액을 증류수를 이용하여 3N농도로 희석하여 사용하였다.

성능/효과

실험은 전반적인 출력 특성 확인을 위해 5초 간격으로 약 0.5A씩 부하를 서서히 증가시키는 형태로 진행되었지만 이처럼 서서히 부하가 증가하고 감소하는 과정에서 수소 공급 불안정에 따른 출력 강하가 현상은 찾아볼 수 없었으며 전반적인 연료전지 구동 특성에서도 큰 차이가 발생하지 않았음을 확인할 수 있었다.
이러한 과정에서 시스템은 약 95%의 수소 전환율을 나타냈으며 반응기 내부 수소 압력 및 수소 공급량은 시스템 제어 알고리즘 설계 시 설정한 정상 작동 범위 이내에서 안정적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었다.
연료전지 기본 구동 실험 결과는 매우 안정적이었으며 수소 발생 시 발생한 증기가 일시적인 가습효과를 만들어 출력이 소폭 상승되는 현상이 관측되었다. 이는 장시간 가동 시 역효과를 나타낼 수 있기 때문에 발생된 수소에서의 수분 제거가 필요하다고 판단된다.

후속연구

하지만 특이 사항으로 연료전지에 인가된 최대 부하 조건인 6A에서 통합형 수소 공급 시스템을 사용한 조건에서 출력은 최대 약 5W 높으며 전압 강하는 약 1V 적게 발생한 것을 확인할 수 있다. 하지만 이 결과는 별도의 수분 제거 필터 등을 설치하지 않았기 때문에 고체 상태의 NaBH₄를 분해하기 위해 사용된 희석된 염산에 포함된 물이 증발하면서 수소와 함께 연료전지에 공급되어 일시적인 가습 효과[5]를 낸 것으로 추정되는 바이며 수분이 지속적으로 쌓여 내부의 압력 강하에 따른 연료전지 출력 저하와 같은 바람직하지 못한 상황을 발생시키지 않기 위한 대책 연구가 필요하다고 판단하는 바이다.
하지만 매우 제한적인 부하 조건만을 확인하였기 때문에 전반적인 구동 안정성 파악을 위해서는 급격한 출력 변화 및 장시간 구동과 같은 다양한 조건에 대한 연구가 추가적으로 요구된다고 판단하는 바이다.

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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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