• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.287-287
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• 2009

연료전지는 전기에너지와 열에너지를 동시에 사용 할 수 있기 때문에 에너지 효율이 높고 유해 배기물이 거의 없으므로 친환경적이다. 따라서 환경문제가 대두되고 있는 오늘날, 고효율 친환경의 연료 전지는 차세대 에너지원으로 각광받고 있다. 보일러와 계통선에서 열과 전기를 공급받는 기존방식에 비해 연료전지 코제너레이션 시스템의 경우 20%이상 에너지 절감율을 향상시킬 수 있다. 기존 10kW이하의 소용량 발전설비의 경우 대형 발전소와 같은 수준인 30%이상의 전기 효율을 기대할 수 없으나 고분자 전해질 연료전지를 적용할 경우 1kW급에서도 35%의 전기 효율을 기대할 수 있으며 열회수까지 고려할 경우 80%에 가까운 열효율을 달성할 수 있다.(4)연료전지 시스템은 연료전지 스택 이외에, 연료변환장치, 급기설비, 열 및 물관리 설비, 전력변환장치 그리고 제어 장치 등으로 구성된다. 연료전지 시스템 성능은 연료전지 스택의 성능에 가장 의존적인데 연료전지 스택의 성능은 같은 스택이라도 운전 및 제어 방법에 따라서 다양하게 변할 수 있다. 실제로 연료전지 스택 자체의 전기 변환 효율은 최대 40% 까지로 매우 높으나, 다양한 운전 조건에 따라 효율이 30~40% 수준에서 변화는 것이 현실이다. 때문에 시스템을 설계할 때에는 종합화된 시스템 측면에서의 운전까지 고려한 설계와 성능 해석이 필요하다. 그간 연료전지를 활용한 가정용 열병합 발전분야에서는 시스템 설계를 위한 시뮬레이션 기반 성능 해석에 관한 연구가 활발히 진행되어왔다. 하지만 연료전지 스택의 경우 간이화된 성능 모델식을 사용하여 이로 인한 성능 예측모델의 오차가 크게 발생하여 전체 시스템 최적화의 저해요인으로 작용하여왔다. 따라서 본 연구에서는 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템을 자체적으로 설계 개발하였으며 이 중 연료전지 스택의 성능모델을 실험기반으로 구축하였다. 먼저 가정용 연료전지 열병합 발전 시스템의 설계는 크게 네 단계로 구분되며 이는 1) 시스템 개념 설계, 2) 연료전지 스택 설계, 3) 주변장치 설계, 4) 제어시스템 설계로 이뤄진다. 연료전지 스택의 성능 모델은 고분자연료전지의 성능에 가장 민감하게 영향을 미치는 온도 및 습도의 변화에 따른 다양한 스택 성능을 예측 가능하도록 개발하였으며 이는 간단한 이론 모델의 구조에 실험 데이터를 기반으로 모델 파라미터를 도출하는 기법으로 이뤄졌다.

• 기계저널
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• 제43권4호
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• pp.46-50
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• 2003

최근 주목을 받고 있는 고분자전해질 연료전지를 이용한 가정용 연료전지 코제너레이션 시스템에 대한 소개 및 작동원리에 대해서 알아보고, 기술 개발 동향을 살펴본다.

• 전력전자학회:학술대회논문집
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• 전력전자학회 2007년도 추계학술대회 논문집
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• pp.172-174
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• 2007

본 연구는 가정용 연료전지 모니터링 사업을 통한 실증화 연구로써, 연료전지의 실용성에 대한 가치를 평가하고 실용화를 앞당기고자 하는데 목적을 두고 있다. 가정용 고분자 전해질 연료전지는 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환함으로써 시스템 전체 효율이 80%이상의 고효율이고 환경 친화적이라는 점과, 연료전지 시스템의 운전 시 발생되는 폐열을 회수하여 급탕 및 난방용으로 활용함으로서 효율을 배가 시킬 수 있다는 장점 또 쉽게 구할 수 있는 LPG, LNG를 연료로 한다는 점을 특징으로 한다. 본 연구는 1kW 가정용 연료전지를 직접 구동하고 모니터링 함으로써 발생되는 문제점과 열병합 발전 시스템에 대한 연구를 진행하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 추계학술대회 초록집
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• pp.138.1-138.1
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• 2010

정부는 그린홈 100만호 보급 사업에서 연료전지의 보급 목표를 2010년 200대 2011년 300대, 2012년 500대로 결정하였고 이에 따라 2012년까지 누적 보급대수가 1000대에 달할 전망이다. 본 연구에서는 현재 상업화 되어있는 국내업체의 1kW급 가정용 연료전지 시스템을 2009년에 도입되는 것으로 가정하여 경제성평가를 수행하였다. 분석의 편의상 2009년 서울 지역 난방면적 $100m^2$을 기준으로 전제하였고, 대표가정의 전기와 열수요는 CES 소형 열병합 사업 타당성 분석 프로그램(GS파워, 2006)을 활용하여 구했다. 비용의 경우 기존 보일러의 설비가격은 60만원이며 연료전지시스템의 설비가격은 1200만원이다. 다만 연료전지의 고가 소모품인 스택은 2007년 발간된 한국에너지 기술연구원의 신재생에너지 경제성평가 보고서를 인용하여 스택의 수명은 5년, 교체비용은 1000만 원이나 5년마다 30%의 비용 하락을 전제하였다. 또한, 연료전지시스템의 수명을 20년으로 가정하였으며 할인율은 5.5%를 가정하였다. 한편, 가정용 연료전지의 최적 운전방안을 찾기 위해서 기존 설비를 이용한 비용과 전기추종운전, 열추종운전의 시뮬레이션을 수행한 뒤 세가지 결과를 시간대별로 비교함으로써 최적의 시간대별 운전방식을 선택하는 복합추종운전의 비용을 분석하였다. 시뮬레이션결과, 기존 설비 이용 시 에너지 비용은 1,934,864원으로 분석된 반면 연료전지를 이용한 전기추종은 1,123,691원, 열추종은 1,180,425원, 복합추종은 1,121,174원으로 계산되었다. 한편 편익면에서는 복합추종운전시 813,690원의 편익이 발생하는 것으로 분석되었으며 B/C ratio의 결과는 0.405로 현재로서는 연료전지 시스템이 경제성이 없는 것으로 분석되었다. 따라서 정부는 연료전지의 보급목표와 민간 주도의 자생적인 시장형성을 촉진하기 위해서 단순 설치 보조금 이외에 연료전지시스템과 스택의 비용을 획기적으로 저감 시킬 수 있는 기술개발을 촉진하는 정책 병행이 필요해 보인다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2006년도 춘계학술대회
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• pp.17-20
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• 2006

한국에너지기술연구원에서는 가정용 고분자연료전지 열병합 발전시스템을 위한 통합형 천연가스 연료처리 시스템을 개발해 왔다. 가정용 시스템으로서 필수적인 소형화와 고효율을 현실화하기 위해, 연료처리 시스템의 각 단위 공정 즉 수증기 개질, 수성가스 전이, 선택적 산화 공정 등을 이중 동 심관형 반응기에 통합하여 상호 열교환이 용이하도록 반응기를 설계하였다. 현재 시험 운전 중인 Prototype-I 연료 처리 시스템은 1kW급 고분자 연료전지 열병합 발전 시스템에 개질 가스를 공급하기 위해 설계되었으며, 기초 성능은 정격 부하 운전시 열효율 78% (HHV 기준), 메탄 전환율 91%이다. 개질 가스 내 일산화탄소 농도는 고분자 연료전지 전극의 피독을 피하기 위해 10ppm 이하로 유지되어야 하며, Prototype-I 연료 처리 시스템은 백금과 루테늄 촉매를 적용한 선택적 산화 반응기를 통해 개질 가스 내 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 제거하였다. 일반 가정에서는 고분자 연료전지 시스템의 부하 변동이 예상되기 때문에 연료 처리 시스템의 부하 변동 운전 특성도 살펴보았다 정격 부하에서 80%, 60%, 40%로 부하를 변동하며 운전하였고, 각 부하에서 안정한 메탄 전환율과 10ppm이하의 일산화탄소 농도를 보였다. 80%까지는 열효율이 77%로 큰 변화를 보이지 않았으며, 60%에서는 76%, 40%에서는 72%로 열효율이 감소하는 현상을 보였다 연료 처리 시스템의 일일 시동-정지 운전시 내구성을 테스트 중이다. 현재까지 50여회의 일일-시동 정지를 시도하였다 시동 후 약 세 시간가량의 정력 부하 운전을 실시한 후 부하 변동을 실시하였고, 총 운전 시간 8시간 정도 운전한 후 시스템을 정지하였다 메탄 전환율과 일산화 탄소 농도, 열효율을 모니터링 하고 있으며, 현재까지 초기 성능을 그대로 유지하고 있다. 앞으로 일일시동-정지 운전 시험을 지속하면서 초기 시동 특성 및 부하 변동에 따른 응답 특성 개선, 그리고 연료전지와의 연계 운전을 실시할 예정이다

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2011년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.90.2-90.2
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• 2011

세계 각 국에서는 선진국을 중심으로 기후변화와 치솟는 유가에 대응하기 위하여 다양한 에너지원의 확보를 위해 부단히 노력하고 있다. 특히, 신재생에너지원 중 에너지 지속성이 가장 우수한 연료전지의 경우 1kW급 건물용 연료전지시스템이 도시가스 인프라가 가장 우수한 한국 및 일본을 중심으로 상용화에 가장 근접해 있는 실정이다. 일본의 경우 가정용 연료전지시스템 '에너팜'의 일부 제품이 올해부터 200만엔대로 가격을 내려 보급되어질 예정이고, 아직은 경제성이 떨어지지만 연료전지 조기 상용화를 위해 시스템 가격저감을 통한 기술개발이 한창이다. 또한 700W급 고체산화물형 연료전지시스템을 세계에서 처음 시판 계획을 가지고 있다. 국내의 경우 2009년도부터 시작된 '그린홈 보급확대를 위한 건물용 연료전지 보조기기 가격저감 기술개발'연구를 통해 블로워, 밸브, 유량계 및 펌프 등의 보조기기의 단가를 낮추고자 기술개발에 박차를 가하고 있다. 이에 따른 연료전지 부품 가격저감 기술이 국내 건물용 연료전지 시장보급의 활력소가 되기를 기대한다. 본 연구에서는 건물용 연료전지의 보조기기인 블로워의 가격저감을 위한 연구의 일환으로 블로워의 안전성능 평가를 통한 보조기기의 가격저감 및 안전성을 확보하고자 한다. 1kW급 건물용 연료전지시스템의 여러 블로워 중 도시가스용 연료승압 블로워, 선택산화 공기 블로워, 버너 공기 블로워 및 캐소드 공기 블로워의 안전성능 평가를 수행하였고, 평가결과의 공유를 통하여 국내 블로워 제조사의 설계방향을 제시하고 연료전지시스템의 안전성을 확인하고자 한다. 특히, 내구성, 기밀, 가혹조건시험 및 소음, 진동, 습도, 온도와 같은 내주위환경시험 등의 평가결과 비교를 통하여, 연료전지 부품 인증기준을 재정립하여 연료전지 부품산업의 조기 활성화를 도모하고자 한다.

• 한국진공학회:학술대회논문집
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• 한국진공학회 2013년도 제45회 하계 정기학술대회 초록집
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• pp.98.1-98.1
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• 2013

현재 상용화되어 있거나 상용으로 개발하는 연료전지시스템의 큰 특징은 작동온도로 구분할 수 있다. 저온형 연료전지는 낮은 작동온도로 운전이 용이하고 출력밀도가 높아 자동차용 및 가정용 등으로 사용되고 있는 반면, 작동온도가 높은 고온형 연료전지의 경우는 높은 발전효율과 고온 폐열의 이용 등의 목적으로 주로 전력사업용 연료전지로 개발되고 있다. 본 발표에서는 주로 발전용에 사용되고 있는 우리나라의 고온형 연료전지의 개발 이력 및 현재의 산업화 현황에 대해 정리하여 보고드리고자 한다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제34권1호
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• pp.19-26
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• 2010

이온교환막 연료전지는 전세계적인 에너지 고갈 문제와 온실효과에 대한 대응책의 하나이다. 특히, 이온교환막 연료전지는 전기화학반응에 의해 전기를 생산함과 동시에 열을 발생하기 때문에 가정용으로 적용하기에 적당하다. 가정용 연료전지의 열관리 목적은 연료전지가 최적조건에서 운전할 수 있도록 적절히 온도를 제어해 주는 것으로, 본 연구에서는 부하 변화 시 가정용 연료전지 시스템의 응답 특성과 열관리 특성을 알아보기 위한 해석 모델을 개발하였다. 열관리 해석 모델은 연료전지의 온도를 조절하기 위한 펌프와 열교환기로 구성된 1차측, 주택에 온수를 공급하기 위한 탱크와 펌프 계통의 2차 측으로 구성되었다. 부하를 순차적으로 증가시킬 때와 감소시킬 때를 구분하여 열관리 계통의 응답특성 을 확인하였다. 결과적으로 탱크의 초기 승온에 많은 시간이 소요되기 때문에 부하를 다단으로 오랜 시 간 동안 서서히 증가시키면서 시스템 응답 특성을 확인하였다. 또한, 본 연구에서는 가정용 연료전지의 부하 변화시의 열관리 특성을 고려한 운전 전략에 대해서도 조사하였다.

• 전력전자학회:학술대회논문집
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• 전력전자학회 2006년도 전력전자학술대회 논문집
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• pp.263-265
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• 2006

연료전지를 이용한 가정용 분산전원시스템은 열과 전기를 동시에 얻을 수 있는 장점을 갖는다. 본 논문에서는 PEMFC형 연료전지의 V-I 특성과 이에 따른 계통연계형 가정용 연료전지 시스템의 전력제어 시 고려해야 할 사항을 기술하고 제안된 제어방식에 대해 수행된 시뮬레이션 및 시험결과를 제시하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2007년도 춘계학술대회
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• pp.24-27
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• 2007

한국에너지기술연구원에서는 가정용 고분자연료전지 열병합 발전시스템을 위한 통합형 천연가스 연료처리 시스템을 개발해 왔다. 본 고에서는 연료처리 시스템의 운전 시 모사 연료극 가스 공급이 미치는 영향에 대해 고찰하고, 부하 변동 시 각 단위 공정의 온도 변화와 CO 농도 변화 현상에 대처하기 위한 방법을 제시하고자 한다.