보고서 정보
주관연구기관 |
서울대학교 산학협력단 |
연구책임자 |
김민수
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보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
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발행년월 | 2012-08 |
과제시작연도 |
2011 |
주관부처 |
교육과학기술부 |
사업 관리 기관 |
한국연구재단 |
등록번호 |
TRKO201300019690 |
과제고유번호 |
1345150987 |
DB 구축일자 |
2013-09-14
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키워드 |
고분자전해질막 연료전지,가정용 연료전지,냉시동,열관리,물관리,촉매 열화,가습장치,질소 크로스오버,맥동 유동PEMFC,Residential fuel cell,Cold start,Thermal management,Water management,Catalyst degradation,Humidification equipment,Nitrogen crossover,Pulsating flow
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초록
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연구의 목적 및 내용
화석연료의 고갈과 환경 보존에 대한 관심이 높아지면서 친환경 에너지원이 각광받고 있다. 그중 신재생 에너지원으로 정해진 몇 가지 에너지원에대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 가정용 발전과 차량용에 사용되는 에너지원으로는 고분자 전해질 막 연료전지가 유망하게 떠오르고 있고 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 연료전지를 사용화 하기 위해서 해결해야 하는 문제점이 많이 존재하고, 특히 차량용 연료전지의 경우는 차량의 특성상 가혹한 환경에 오랜 시간 노출되기 때문에 이를 고려한 설계기술이 필요하다
연구의 목적 및 내용
화석연료의 고갈과 환경 보존에 대한 관심이 높아지면서 친환경 에너지원이 각광받고 있다. 그중 신재생 에너지원으로 정해진 몇 가지 에너지원에대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 가정용 발전과 차량용에 사용되는 에너지원으로는 고분자 전해질 막 연료전지가 유망하게 떠오르고 있고 이에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 하지만 연료전지를 사용화 하기 위해서 해결해야 하는 문제점이 많이 존재하고, 특히 차량용 연료전지의 경우는 차량의 특성상 가혹한 환경에 오랜 시간 노출되기 때문에 이를 고려한 설계기술이 필요하다. 따라서 본 연구를 통하여 연료전지가 동작할 때의 특성을 파악하고, 주변장치들과 스택이 최적으로 동작할 수 있는 지능형 통합 운전기술을 완성하는 것을 목표로 한다.
연구결과
본 연구는 크게 두 가지 분야로 이루어진다. 첫째는 차량에 적용되는 수송용 연료전지의 주변장치에 대한 연구이고, 두 번째는 가정용 연료전지에 대한 연구이다. 두 분야에 대한 연구를 진행하지만 최종적으로는 연료전지 시스템의 최적 운전을 위한 제어 기법과 운전전략을 개발한다는 부분에서 공통점이 있다. 차량용 연료전지의 경우는 우선 연료전지 시스템 운전 장치의 동특성을 해석하고 시스템 제어 기법을 개발하는 것을 목표로 하였다. 구체적으로 연료전지 및 운전 장치의 성능을 고려한 동특성 해석 프로그램을 개발하는 연구를 수행하였고, 둘째로 시스템 특성을 고려한 제어로직을 개발하고 실험하였다. 가정용 연료전지 분야에서는 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 해석 및 운전 전략 개발을 목표로 하였고, 연구범위로는 가정용 연료전지 시스템의 계절별 특성 분석과 가정용연료전지 시스템의 지능형 운전 전략을 개발하였다.
첫째, 차량용 연료전지 물관리 시스템을 개발하였다. 그 과정에서 내부분사 인젝터 가습장치와 차량용 연료전지 공기 재순환 가습 시스템을 개발하였다. 또한 영하의 온도에서 차량용 연료전지의 냉시동 운전 기술 전략을 제시하기위한 실험을 실시하였고, 최적 제어를 위한 기초 자료를 제공하였다.
둘째, 차량용 연료전지 열관리 시스템을 개발하였다. 친환경 냉매인 이산화탄소를 냉매로 사용한 열펌프를 적용하였고, 이를 연료전지 시스템과 결합하여 고효율의 차량용 연료전지용 에어컨 시스템을 개발하였다. 또한 연료전지 스택에 기체를 공급할 때 초음파 진동을 이용하여 미세 액적을 주입함으로써 스택 내에서 증발냉각효과를 이용하여 효율적인 열관리를 도모하였다.
셋째, 차량용 연료전지 수소 공급시스템 내부의 질소 성분 정량화 기술을 개발하였다. 우선 수소 공급 시스템 내부에 누적되는 질소 정량화 현상을 분석하였고, 질소 누적을 고려한 수소 공급 장치를 개발하였다.
넷째, 위의 세 가지 연구내용을 통하여 나온 결과물인 공기재순환, 맥동장치, 이젝터를 적용하여 연료전지 시제품을 제작하였고, 이를 통하여 지능형 통합 운전기술을 개발하였다. 또한 지능형 제어를 하기위한 로직을 제시하였고, 그에 따라 효율적인 연료전지 차량의 운전을 도모하였다.
마지막으로, 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 성능 해석 및 운전전략을 개발하였고, 가정용 연료전지 시스템의 지능형 운전을 위하여 폐열을 이용한 제습을 수행하였다.
연구결과의 활용계획
본 연구에서는 개별 연구를 바탕으로 확보된 결과물을 바탕으로 연료전지 자동차 시제품을 제작하였다. 시제품 제작을 통해 개별 시스템을 통합 시스템에 적합하도록 최적화하고, 성능을 평가함으로써 실제 연료전지 자동차에 적용 가능한 시스템을 구축하였다. 1단계에서는 각 요소들의 운전 특성을 고려하여 기술을 제안하고, 전체 시스템의 효율적 운전을 위한 기반을 마련하였다. 이를 위하여 각 요소들에 대한 설계, 해석 및 성능평가 등의 연구를 수행하였으며, 통합 시스템의 지능적 제어 및 운전조건 변화에 따른 안정성 확보를 위한 토대를 마련하였다. 스택의 안정적인 운전 조건을 확보하기 위하여 2단계에서는 1단계에서 실시한 요소별 연구를 토대로 상용화 기술 확보를 위해 통합 시스템을 고려한 운전 및 제어 로직을 개발함으로써 경쟁력 있는 기술을 확보하였다.
Abstract
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Purpose&contents
PEMFCs have many advantages for low temperature operation, fast start-up time, high power density and high efficiency, so that it has been studied intensively as automotive residential PEMFC system applications. However, to advance the commercialization of PEMFCs, there are a few
Purpose&contents
PEMFCs have many advantages for low temperature operation, fast start-up time, high power density and high efficiency, so that it has been studied intensively as automotive residential PEMFC system applications. However, to advance the commercialization of PEMFCs, there are a few problems, such as expensive cost, insufficient lifetime, to be addressed. Those problems can be addressed by low-cost stack development and enhancement of balance of plants. Therefore, it is needed to investigate the dynamic characteristics of PEMFC system and the optimal control techniques for automotive and residential PEMFC systems.
Result
In this study, there are two main subjects. The first one is about automotive PEMFC system and the second one is about residential PEMFC system. Though these two ideas are progressed each other, they have similarity to develop optimized control logic and operation strategy finally. For automotive PEMFC research, we aimed to acquire transient analysis and control logic of the system. Specifically, we carry out the research that developing transient analysis program which considers the performance of the system and we conduct experiment for establishing control logic. In residential PEMFC study, we try to form analysis and control logic of the cogeneration system. And we develop seasonal characteristics and intelligent operating strategy of residential PEMFC system.
First, we acquire the water management system for automotive PEMFC. We invest injector humidification system and air recirculating humidification system during the process. Also we conduct the experiment below the zero temperature to suggest operating strategy for cold-start and we provide fundamental data for optimized control.
Second, thermal management system for automotive PEMFC is established. Heat pump which uses eco-friendly refrigerant CO2 is applied to PEMFC system for high efficiency air-conditioning system of automotive PEMFC system. Fine water droplets are injected by vibration of ultrasonic waves when the gas is supplied to PEMFC stack, By evaporating cooling effect with this droplets, the efficient thermal management is promoted.
Third, the quantization technology of nitrogen in hydrogen supply system is developed. At the beginning, quantization phenomenon of nitrogen which is accumulated inside hydrogen supply system is analyzed. Moreover, the new hydrogen supply system considering nitrogen accumulation.
Fourth, With technology of an air recirculation, a pulsating device and an ejector which are the result of previous research, the prototype of PEMFC system and its integrating operation technique are provided. Also, the logic for intelligent control is proposed and the efficient driving of fuel cell electric vehicles are promoted.
Finally, the performance analysis of cogeneration system of residential PEMFC and its operation strategy is carried out. Futhermore, dehumidification which employs waste heat is conducted for smart operation of residential PEMFC system.
Expected Contribution
In this study, we manufacture the prototype of automotive PEMFC system which is based on the results of the research. Through producing the prototype, each systems are optimized for the combination system and also applicable system for automotive PEMFC system is constructed by evaluation. At the first step, technologies that consider operating characteristics are suggested and base for efficient operation of whole system is established. To realize these, designing, analyzing and performance evaluating for each component is conducted and fundamental for safety which corresponds to various operation condition and intelligent control of combination system is arranged. On the second step, competible technology for commercialization is obtained by developing operating and control logic of total system. Which is based on the component research of the first step' s study.
목차 Contents
- 도약연구사업 최종보고서(제출용) ... 1
- 목 차 ... 3
- 연구계획 요약문 ... 4
- 연구결과 요약문 ... 5
- 한글요약문 ... 5
- SUMMARY ... 6
- 연구내용 및 결과 ... 7
- 1. 연구개발과제의 개요 ... 7
- 2. 국내외 기술개발 현황 ... 11
- 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 16
- 4. 목표달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 66
- 5. 연구결과의 활용계획 ... 73
- 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 75
- 7. 주관연구책임자 대표적 연구실적 ... 78
- 8. 참고문헌 ... 79
- 9. 연구성과 ... 80
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