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보고서 초록
요약문
SUMMARY
CONTENTS
목차
제1장 서론 28
제1절 연구 배경 및 필요성 28
제2절 연구 내용 및 범위 31
제2장 국내외 기술개발 현황 35
제1절 분리판, 스택 기술 35
제2절 시스템 기술 56
제3장 수냉식 분리판 설계 및 해석 62
제1절 유동 해석 62
제2절 공기호흡식 연료전지의 3차원 수치 해석 및 설계 106
제3절 분리판 구조해석 137
제4장 연료전지 스택 설계 및 해석 168
제1절 매니폴드와 인 입구 설계 및 해석 168
제2절 스택 설계 및 해석 기술 186
제5장 연료전지 시스템 설계 및 해석 194
제1절 시스템 해석 기술 개요 194
제2절 시스템 모델 및 부하 분석 196
제3절 해석 결과 분석 222
제6장 연구 결과 목표 달성도 및 활용계획 236
제1절 연구 결과 236
제2절 연구 개발 목표 달성도 및 대외 기여도 240
제3절 연구개발 결과의 활용 계획 242
제7장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 245
제1절 세계 수소학회(World Hydrogen Energy Conference) 245
제2절 2004 연료전지 세미나 255
제3절 2005 연료전지 세미나 261
제4절 중국 연료전지 기술 267
제5절 PBFC2 고분자 연료전지기술 274
참고문헌 280
〈표 2-1〉 국내외 연료전지 자동차 개발 현황 57
〈표 2-2〉 주택용 연료전지 등 소형 분산발전 시스템 61
〈표 3-1〉 개질 가스를 조성하고 있는 기체의 구성비 83
〈표 3-2〉 개질 가스의 기체 조성에 따른 각각의 질량 유량 83
〈표 3-3〉 개질 가스를 구성하고 있는 각 화학종의 물성 84
〈표 3-4〉 지배 방정식 정리 113
〈표 3-5〉 경계 및 초기 조건 정리 113
〈표 3-6〉 크리깅 모델의 상관 함수 139
〈표 3-7〉 1단계 최적설계의 결과 비교 149
〈표 3-8〉 2단계 최적설계의 결과 비교 151
〈표 3-9〉 연료전지 분리판의 최적값 비교 152
〈표 3-10〉 입구 경계 조건 159
〈표 3-11〉 변형률 비교 160
〈표 3-12〉 응력 분포 비교 160
〈표 3-13〉 유동 해석과 실험의 압력차 결과 비교 161
〈표 3-14〉 두 가지 유동 해석에 대한 압력차 결과 비교 163
〈표 3-15〉 접촉 조건을 고려하지 않은 경우의 해석과 실험의 압력차 결과 비교 164
〈표 3-16〉 접촉 조건을 고려한 경우의 해석과 실험의 압력차 결과 비교 164
〈표 3-17〉 구조해석을 고려한 경우와 그렇지 않은 경우의 압력차 결과 비교 166
〈표 4-1〉 표준 k-ε 난류 모델에서의 실험상수 값 174
〈표 4-2〉 분리판과 스택의 제원 및 운전 조건 178
〈표 4-3〉 수력직경과 레이놀즈 수(Reynolds number) 179
〈표 5-1〉 축전지 충전 계수 (α) 204
〈표 5-2〉 개질 반응식 206
〈표 5-3〉 평형정수와 반응열 209
〈표 5-4〉 계절별 열 및 전기 사용량 217
〈표 5-5〉 연료전지 출력 제어 조건 Case 1 219
〈표 5-6〉 연료전지 출력 제어 조건 Case 2 219
〈표 5-7〉 도시 가스 발열량 계산 221
〈표 5-8〉 해석 모델의 운전 조건 222
〈표 5-9〉 연료전지 출력 100% 부분부하 시 열・물질 수지 225
〈표 5-10〉 연료전지 출력 75% 부분부하 시 열・물질 수지 226
〈표 5-11〉 연료전지 출력 50% 부분부하 시 열・물질 수지 227
〈표 5-12〉 연료전지 출력 25% 부분부하시 열・물질수지 228
〈표 5-13〉 연료전지 부하 제어방법에 따른 효율 229
〈표 7-1〉 고분자 전해질 연료전지 시스템 시범 운전 현황 249
〈표 7-2〉 미니 전기 버스 제원 271
〈표 7-3〉 중국 연료전지 버스 제원 비교 272
[그림 2-1] 분리판의 기능 36
[그림 2-2] 분리판 유동채널 형상 38
[그림 2-3] Ballard 분리판 설계 특허 (1998) 39
[그림 2-4] 점진적으로 변하는 유로 단면을 갖는 분리판 채널 형상 40
[그림 2-5] 실린더 형상 반응가스 채널의 분리판 42
[그림 2-6] 가스채널 입구부의 유로 형상 43
[그림 2-7] 발라드사의 스택 구조 44
[그림 2-8] 하이브리드 반응가스 분리판 유로 45
[그림 2-9] UTCFC의 실링기술을 포함한 스택기술 45
[그림 2-10] 혼다 연료전지 분리판 디자인 47
[그림 2-11] GM사의 금속 분리판 구조 48
[그림 2-12] GM사 스택의 내부 구조 48
[그림 2-13] 후지사의 스택 구조 49
[그림 2-14] Intelligent Energy사의 스택 구조 51
[그림 2-15] 독일 ZSW사의 소형 스택 구조 52
[그림 2-16] 대만 Asian Pacific사의 스택 구조 53
[그림 2-17] Plug Power사의 스택 내부 구조 54
[그림 2-18] Plug Power사의 스택 외형 구조 54
[그림 2-19] 주택용 연료전지 개념도 59
[그림 2-20] 연료전지 코제너레이션 시스템 구성도 59
[그림 2-21] 가정용 연료전지 효율 및 에너지 손실 60
[그림 3-1] 연료전지 설계 과정 62
[그림 3-2] 연료전지 스택 셀 적층수 결정 과정 64
[그림 3-3] 연료전지 분리판 반응/활성 면적 선정 과정 65
[그림 3-4] 연료전지 전산 해석과 최적화 과정 67
[그림 3-5] 연료전지 분리판 설계시 고려해야 할 작동조건 및 환경조건 68
[그림 3-6] 고분자 전해질 연료전지 스택 및 분리판 입구 온도 영향 69
[그림 3-7] 연료전지 운전 온도에 따른 포화수증기압 곡선의 변화 70
[그림 3-8] 반응가스 채널에서의 응축수의 다양한 유동 패턴 : (a) 가스 확산층에서의 물방울 생성에 따른 Corner Flow, (b) Annular Film Flow, 그리고 (c) 순간적인 채널 막힘에 의한 Slug Flow 71
[그림 3-9] 액체 상태 물 안구 생성 및 채널 막힘 현상에 대한 3차원 도식 72
[그림 3-10] Shear Flow에 의해서 물방울에 작용하는 힘의 평형 73
[그림 3-11] 반응가스 채널에서의 공기 속도와 물방울 이탈 지름간의 상관관계 76
[그림 3-12] 분리판 채널 폭과 랜드 비율 76
[그림 3-13] 연료전지 분리판 채널 폭과 랜드에 따른 성능 비교 77
[그림 3-14] 다양한 채널 형상에 대한 전산해석을 통한 유동 검증 78
[그림 3-15] 엑셀 테이블을 이용한 분리판 채널수 계산의 예 81
[그림 3-16] 연료측 매니폴드/채널입구부 해석 형상 86
[그림 3-17] 반응면적 250cm²의 가정용 개질가스 연료측 분리판 87
[그림 3-18] 개질가스용 연료전지 분리판의 매니폴드 88
[그림 3-19] 개질가스 공급용 채널의 속도 분포 88
[그림 3-20] 분리판 채널 입구부와 곡선 회전부에서의 속도 분포 90
[그림 3-21] 개질가스 공급용 분리판의 각 채널당 유량 분배 편차 91
[그림 3-22] 개질가스 공급용 채널의 압력 분포 91
[그림 3-23] 반응면적 250cm²를 갖는 가정용 공기측 분리판 92
[그림 3-24] 공기 공급용 채널의 속도 분포 93
[그림 3-25] 분리판 채널 회전부와 출구부에서의 속도 분포 94
[그림 3-26] 공기 공급용 분리판의 각 채널당 질량 유량 분배 비교 95
[그림 3-27] 가정용 연료전지 냉각 분리판 96
[그림 3-28] 가정용 연료전지 냉각 채널에서의 속도 분포 97
[그림 3-29] 냉각수 공급용 채널의 압력 분포 98
[그림 3-30] 차량용 수소 가스 분리판 형상 99
[그림 3-31] 차량용 수소 가스 분리판의 압력 분포 100
[그림 3-32] 차량용 수소 가스 분리판 채널당 유량 분배 편차 100
[그림 3-33] 차량용 공기 공급 분리판 형상 102
[그림 3-34] 차량용 공기 공급 분리판 압력 분포 102
[그림 3-35] 차량용 공기 공급 분리판 채널당 유량 분포 편차 103
[그림 3-36] 차량용 냉각 분리판 형상 104
[그림 3-37] 차량용 냉각 분리판 압력 분포 105
[그림 3-38] 공기호흡식 연료전지 106
[그림 3-39] 단위전지 실험장치 구성 115
[그림 3-40] 수치해석결과와 실험결과 비교 116
[그림 3-41] 습도에 따른 연료전지 성능 변화 117
[그림 3-42] 습도가 77%인 경우 시간에 따른 전압과 전류의 천이 특성 118
[그림 3-43] 습도가 63%인 경우 시간에 따른 전압과 전류의 천이 특성 118
[그림 3-44] 습도 77% 온도 26 ℃에서 부하에 따른 온도분포 119
[그림 3-45] 습도 63% 온도 26 ℃에서 부하에 따른 온도분포 120
[그림 3-46] 공기극 촉매층에서의 전류 밀도 분포 121
[그림 3-47] 공기극 채널과 접한 가스 확산층에서의 온도분포(℃) 121
[그림 3-48] 촉매층에서의 한계 전류 분포(mA/cm²) 122
[그림 3-49] 촉매층에서의 산소의 몰분율 122
[그림 3-50] 공기극 채널에서의 속도 분포 123
[그림 3-51] 산소 공급 제한으로 인한 농도 손실 분포(Voltage) 123
[그림 3-52] 폭이 다른 채널에서 한계 전류 밀도 비교 125
[그림 3-53] 채널 크기에 따른 속도 분포 126
[그림 3-54] 채널크기에 따른 온도 분포 127
[그림 3-55] 공기극 촉매층에서의 온도 분포 129
[그림 3-56] 농도손실 전압 분포 130
[그림 3-57] 연료극 촉매층에서의 수분 분포 131
[그림 3-58] 전해질막을 통한 물전달량 133
[그림 3-59] 전해질막에서의 저항 손실 134
[그림 3-60] 채널폭에 따른 공기호흡식 연료전지의 성능변화 135
[그림 3-61] k=2인 경우의 중심합성계획 143
[그림 3-62] 구조해석에 사용된 단위전지 모델의 형상 144
[그림 3-63] 박막면의 응력-변형률 선도 144
[그림 3-64] 유한요소 모델과 경계조건 및 하중 145
[그림 3-65] 유동해석에 사용된 공기판의 유로 형상 146
[그림 3-66] 1단계 최적설계 단위전지 모델의 형상 148
[그림 3-67] 2단계 최적설계 단위전지 모델의 형상 150
[그림 3-68] 변형유용방향탐색법에 의한 최적 모델의 응력 분포 153
[그림 3-69] 크리깅에 의한 최적 모델의 응력분포 153
[그림 3-70] 변형유용방향탐색법 최적모델에 대한 공기판의 압력분포 154
[그림 3-71] 크리깅 최적모델에 대한 공기판의 압력분포 154
[그림 3-72] 구조해석을 위한 모델의 형상 156
[그림 3-73] 구조해석을 위한 모델의 경계조건과 하중 156
[그림 3-74] 공기판의 채널 형상(활성면적 : 300cm²) 158
[그림 3-75] 출구 경계에서의 격자 159
[그림 3-76] 채널 단면적의 변화 160
[그림 3-77] 유량에 대한 압력차 비교 162
[그림 3-78] 압력 분포도 162
[그림 3-79] 압력 분포도 (B) 165
[그림 3-80] 압력 분포도 (C) 165
[그림 4-1] 고분자전해질 연료전지 스택 구성 170
[그림 4-2] 고분자 전해질 연료전지 전극 반응 및 전기 흐름 171
[그림 4-3] 활성 면적 100cm². 연료극(a)와 공기극(b) 분리판 형상 172
[그림 4-4] 60개의 단위셀로 구성된 스택의 가스 입출구 패턴 173
[그림 4-5] 스택 유동장 해석을 위한 흐름도 176
[그림 4-6] 고분자 전해질 연료전지 매니폴드와 스택 3차원구조 180
[그림 4-7] 단위셀 모델에서의 그리드(grid) 구성 180
[그림 4-8] Z자형 매니폴드와 U자형 매니폴드 스택에서의 분리판 채널당 유량 분포 181
[그림 4-9] 단순화된 연료전지 분리판 채널 형상 182
[그림 4-10] 스택 유체 공급 매니폴드 형상 및 구조 183
[그림 4-11] 완충 영역 길이가 매니폴드 유동에 미치는 효과 184
[그림 4-12] 스택 유량 증가에 따른 매니폴드 유동 패턴 185
[그림 4-13] 시간 변화에 따른 매니폴드 유동 발달 현상 186
[그림 4-14] 60셀 스택에 있어서 U자형과 Z자형 매니폴드에 따른 유량 분포 비교(Channel Depth=0.7mm) 188
[그림 4-15] 60셀 스택에 있어서 U자형과 Z자형 매니폴드에 따른 유량 분포 비교(Channel Depth=0.5mm) 189
[그림 4-16] 버퍼존(buffer zone) 길이에 따른 유량 분포 변이 191
[그림 4-17] 60셀 연료전지 스택에서의 온도 분포 192
[그림 5-1] 연료전지 시스템 설계 및 해석 과정 195
[그림 5-2] 연료전지 코제너레이션 시스템의 개념도 197
[그림 5-3] 전체 시스템 해석 모델 198
[그림 5-4] 1kW급 연료전지의 IV곡선 및 출력 곡선 199
[그림 5-5] 입력 전력에 따른 전력변환장치의 효율 200
[그림 5-6] 사용된 공기 압축기 성능 곡선 201
[그림 5-7] 사용공기량에 따른 압축기 소비 동력 201
[그림 5-8] 유량에 따른 연료 압축기의 소비동력 202
[그림 5-9] 축전지 VOC vs.SoC 203
[그림 5-10] 온도와 방전전율에 따른 축전지 용량 203
[그림 5-11] 축전지의 SoC와 출력에 따른 효율 205
[그림 5-12] 온도에 따른 Steam Reformer의 전환율 208
[그림 5-13] 온도에 따른 수증기 개질반응의 필요 열량 209
[그림 5-14] 시스템 해석 순서도 215
[그림 5-15] 봄, 가을철 가정에서의 열과 전기 부하 216
[그림 5-16] 여름철 가정에서의 열과 전기 부하 217
[그림 5-17] 겨울철 가정에서의 열과 전기 부하 217
[그림 5-18] 열 및 물질 수지 계산을 위한 다이아그람 223
[그림 5-19] CASE 1의 시스템 전기 출력 특성 (겨울) 230
[그림 5-20] CASE 2(1)의 시스템 전기 출력 특성 (겨울) 230
[그림 5-21] 시스템 전기 출력 특성(봄, 가을) 231
[그림 5-22] 온수탱크 온도 변화(봄, 가을) 232
[그림 5-23] 축전지의 SoC 변화(봄, 가을) 232
[그림 5-24] 시스템의 열 출력 특성 (봄, 가을) 233
[그림 5-25] 연료 및 공기 공급량(봄, 가을) 234
[그림 5-26] 시스템 열 및 전기 에너지 출력 및 에너지 손실율(봄, 가을) 235
[그림 7-1] 분산형 연료전지 시스템 개발 현황 247
[그림 7-2] 연료전지 코제너레이션 시스템 247
[그림 7-3] 연료전지 자동차 개발 현황 248
[그림 7-4/7-318] 연료전지 자동차 부품 구성 249
[그림 7-5] 일본의 연료전지 자동차 실증 실험 250
[그림 7-6] 분리판 기술 개발 251
[그림 7-7] 연료전지 수치 해석 및 실험장치 252
[그림 7-8] 전극 개발 253
[그림 7-9] 고분자 전해질막 개발 253
[그림 7-10] 듀폰사의 몰드형 분리판 258
[그림 7-11] 스쿠터용 연료전지 258
[그림 7-12] 이동형 연료전지 스택 259
[그림 7-13] 전기적인 성능과 물분포 상관성 259
[그림 7-14] 대련 연료전지 연구센터의 75kW급 연료전지 시스템 268
[그림 7-15] 연료전지 운전장치 계통도 269
[그림 7-16] 중국 DICP에서 제작한 연료전지 시스템 273
[그림 7-17] DICP 연료전지가 탑재된 연료전지 하이브리드 버스 274
