초록 ▼

연구의 목적 및 내용
본 도약연구의 목표는 태양광 재생에너지와 연계하여 고분자전해질 600 NL/h급 수전해조와 연료전지로 구성된 1 kW급 재생연료전지와 통합제어시스템을 연구 개발하는 것이다. 재생연료전지의 분리판 유동장과 물리화학적 조건을 최적화함으로써 복합에너지시스템의 효율을 높이고 부하를 조절할 수 있는 통합제어 기술을 확보하는 것이다. 물리적인 특성으로는 열전달 및 물관리에 영향을 주는 온도, 습도, 유량의 최적 조건에 대해 연구하여 수전해조에서 수소제조 압력을 높여 압축기 동력을 줄이고 연료전지의 발열을 수전해조에

연구의 목적 및 내용
본 도약연구의 목표는 태양광 재생에너지와 연계하여 고분자전해질 600 NL/h급 수전해조와 연료전지로 구성된 1 kW급 재생연료전지와 통합제어시스템을 연구 개발하는 것이다. 재생연료전지의 분리판 유동장과 물리화학적 조건을 최적화함으로써 복합에너지시스템의 효율을 높이고 부하를 조절할 수 있는 통합제어 기술을 확보하는 것이다. 물리적인 특성으로는 열전달 및 물관리에 영향을 주는 온도, 습도, 유량의 최적 조건에 대해 연구하여 수전해조에서 수소제조 압력을 높여 압축기 동력을 줄이고 연료전지의 발열을 수전해조에 열교환 하여 보조 소비전력을 최소화하는 연구를 수행한다. 고분자전해질 수전해조/연료전지의 활성화 면적 증가를 통한 병렬 전류증가와 단위 셀의 적층을 통한 직렬전압증가의 Scale-up 기술을 확보하였다. 이 결과를 바탕으로 하여 활성화면적 150cm2 단위 셀을 20장 적층한 1 kW급 재생연료전지를 구성하여 태양광 발전과 가구 전력소비량을 모사한 디지털 수요전력을 연계하여 750시간 이상의 내구성을 확보하였다.

연구결과
재생연료전지는 에너지를 공급받아 물로부터 수소와 산소를 발생시키는 수전해조와 발생된 수소와 산소를 이용하여 전기와 물을 발생시키는 연료전지로 구성된다. 본 도약연구에서는 원천기술이 확보된 막전극접합체를 그대로 채택하고 분리판의 유동장의 최적화와 물리화학적 특성제어에 대한 수치해석과 실험을 수행한다. 수치해석은 전산유체역학 및 구조역학 해석을 통해 막전극접합체 체결과 분리판 유동장을 최적화한다. 실험에서는 재생에너지를 모사한 전력공급기, 수전해조에 물을 공급하고 연료전지로부터 배출되는 물을 저장·공급하는 물관리장치, 수전해조에서 발생하는 수소와 산소를 적절하게 보관·공급하는 질량유량계·용기, 수전해조와 연료전지가 최적으로 운전하도록 온도를 조절하는 열교환기, 전해질 막과 촉매의 열화 모니터링 센서, 연료전지 전극의 반응속도를 측정하는 전원측정장치를 포함한다. 물리화학적 특성은 상호보완적이어서 온도, 습도 및 압력이 물질전달과 화학반응을 변화시켜 효율에 영향을 미치고, 전해질 막과 촉매의 열화에 영향을 미쳐서 수전해조 및 연료전지의 수명에 영향을 준다. 1 kW급 재생연료전지의 물리화학적 특성 및 운용방안을 도출하여 수전해조·연료전지와 태양광 재생에너지 통합제어 시스템을 구축하여 내구성시험을 수행함으로써 내구성 운전시험 데이터베이스 구축을 완료하고, 지식재산권 확보, 저명 학술지 논문 게재, 신재생에너지 연구개발 인력양성, 국민과 기업에게 신재생에너지의 장점 인식 및 확산 보급 결과를 도출하였다.

연구결과의 활용계획
재생연료전지는 수소를 에너지담체로 하여 에너지 변환과 저장이 가능하여 부하변동이 심한 재생에너지와 분산발전 형태의 복합에너지시스템으로 부하조절을 하여 지속가능한 에너지를 실현할 수 있고, 이를 일체형으로 하여 무정전전원장치, 무인항공기/잠수정 전원, 우주선 보조전원 장치로 활용할 수 있다. 우리나라는 97%의 에너지를 수입에 의존하고 있는 국가로서 세계 10위 온실가스 배출국으로 온실가스 배출량이 지속적으로 증가하고 있다. 따라서 화석에너지에서 신재생에너지로 변환하여 신재생에너지 기술개발에 투자하여 에너지 자립을 하여 저탄소 녹색성장 산업으로의 전환이 절실하다. 국내 에너지 자립도는 3.5% 대에 머무르고 있어 수입에너지의 1%를 대체할 수 있다면 연간 8천5백억 원의 수입대체효과가 있다. 2013년으로 앞당겨 시행할 기후변화협약으로 탄소제로 신재생에너지 산업은 미래지향적 고부가가치 산업이며, 본 도약연구를 통해 신재생에너지 전문 연구개발 인력을 양성하여 향후 신재생에너지 에너지산업 발전에 지대한 역할을 할 것으로 기대한다.

Abstract ▼

Purpose&contents
The objective of this 'National Leading Research Laboratory' project is to develop the 1 kW regenerative fuel cell and integrated control system which consists of PEM (Proton Exchange Membrane) electrolyzer and fuel cell with solar renewable energy. The optimal conditions of temp

Purpose&contents
The objective of this 'National Leading Research Laboratory' project is to develop the 1 kW regenerative fuel cell and integrated control system which consists of PEM (Proton Exchange Membrane) electrolyzer and fuel cell with solar renewable energy. The optimal conditions of temperature, humidity and flow rate are studied by optimizing the bipolar plate flow field and physicochemical characteristics to minimize the parasitic power of BOP (Balance of Plant; compressor, heater, heat exchanger). The scale-up technologies of active area (increase of current in parallel) and stacking (increase of voltage in serial) are secured, therefore, 1 kW regenerative fuel cell, 20 unit cells stack of active area 150 cm2 was tested durability over 750 h with programmable power supply and electronic load.

Result
Regenerative fuel cell is organized electrolyzer which produces hydrogen and oxygen from energy and water, and fuel cell which produces electricity and water from hydrogen and oxygen. In this 'National Leading Research Laboratory' project, MEA (Membrane Electrode Assembly) is adopted as it is, and the optimizations of bipolar plate flow field and physicochemical characteristics are studied. Power supply simulated renewables, water control and storage, hydrogen/oxygen control and storage, heat exchanger and mass flow controller, membrane, catalyst degradation detector sensor and electronic load are studied and optimized numerically and experimentally. Since physicochemical characteristics are complementary, temperature, humidity and pressure change heat and mass transfer, electrochemical reaction and efficiency of PEM electrolyzer and fuel cell. These parameters affect performance and life of MEA. The integrated control system with solar renewable energy is deducted from the physicochemical characteristics and operating strategy, the durability test over 750 h of 1 kW regenerative fuel cell will provide a database, therefore, intellectual property rights, reports, paper publication, excellent research and development manpower and publicity activities on Korean people and industry for new and renewable energy.

Expected Contribution
Regenerative fuel cell can convert and store energy using hydrogen as energy carrier with load fluctuated renewable energy efficiently, and be used as an UPS (Uninterruptible Power Supply), an unmanned aircraft/submarine and a spacecraft power supply. In this project, the sustainable energy supply system makes a new paradigm which energy production is closer to energy consumption while minimizing. This motivates a present facing energy research as well as a future-oriented energy technology combined with the high technology 6T. The climate change is big problem, and only 1% of the imported energy is equivalent to $ 800 million, and this technology is a higher value-added business. This research will contribute to fostering excellent research and development manpower for the future sustainable energy industry.