• Title/Summary/Keyword: 연료전지시스템

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Safety Performance Evaluation of Technical Independence 5kW Class Fuel Cell System (기술자립형 5kW급 건물용 연료전지시스템 안전성능 평가)

  • Lee, Jungwoon;Kim, Younggyu
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.82.1-82.1
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    • 2011
  • 최근 국내에서 발생된 대규모 정전사태로 인해 안정적인 전력공급에 대한 국민들의 요구가 커져, 지난 3월 일본 후쿠시마 원전사고 이후 다시 한번 분산전원에 대한 필요성이 대두되어지고 있다. 여러 분산전원 중 연료전지는 다른 에너지원에 비해 에너지의 지속성이 우수하여 가장 안정적인 분산전원 형태의 하나이다. 이에 따라 국내의 경우 우수한 도시가스 인프라로 인해 건물용 연료전지라는 신기술에 대한 국민의 수용성은 점점 높아질 것으로 기대된다. 현재 건물용 연료전지의 경우, 주로 1kW급 연료전지가 시범보급되어 각 가정에 설치되어지고 있으나, 상가, 주유소 및 편의점 등의 상업시설과 생활관 및 소형빌라 등의 집단 주거시설 같은 1kW급 보다 용량을 더 필요로 하는 응용처에 국내에서 개발된 5kW급 연료전지시스템이 적용되어지기를 기대한다. 본 연구에서는 국내 제작된 5kW급 고분자전해질 연료전지시스템의 보급이전에 안전성능 평가를 통해 시스템의 성능 및 안전성 평가결과를 제조사에 피드백 하여 5kW급 건물용 연료전지시스템의 조기 상업화에 앞장서고자 한다. 5kW급 연료전지시스템의 기술개발은 핵심부품인 연료변환기, 스택 및 BOP 기술의 경우 1kW급 연료전지시스템에 적용된 것과는 다른 기술이 필요하고, 단순한 scale-up 과정이 아닌 새로운 기술개발로 제품에 적용시켜야 하는 난점을 가지고 있다. 특히, 연료변환기의 경우 연료 유량의 증가로 인하여 reformer, CO shift 및 Prox 반응기의 유체역학, 열교환 흐름 및 촉매반응 공학적으로 이론을 응용한 새로운 반응기 설계와 제작기술 확립이 선행되어 전체적인 시스템 제작 설계에 반영되어져야 한다. 그러므로 본 연구에서는 연료전지시스템 안전성능 평가를 위해 용량증대에 따른 안전성평가 항목을 검토하고, 5kW급 연료전지시스템평가를 수행하여 시스템의 제품성능, 작동성능 및 계통연계성능에서의 안전성을 확인하였고, 정전 유풍과 같은 이상조건 및 실외 환경에 대한 시스템의 안전성도 확인하였다. 또한 부하운전 조건을 75% 및 50%로 변화시켰을 때 빠른 응답시간과 안정적인 부하변동운전을 확인하였다.

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Study of Fuel Cell System for Aerial Vehicles (항공기 동력원으로 연료전지시스템 적용시 고려사항 고찰)

  • Goo, Young-Mo;Kim, Myong-Hwan;Yoo, Seung-Eul
    • Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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    • pp.683-684
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    • 2011
  • 연료전지시스템을 항공기 동력원으로 사용하기 위해서는 요구되는 출력에 필요한 스택성능과 한정된 부피 내 연료전지시스템을 탑재하기 위한 운전장치 구성, 그리고 무게를 최소화하기 위한 부품 및 재료 선정이 필요하다. 스택의 기본성능은 MEA(Membrane electrode assembly)와 기체확산층 구조, 분리판 디자인 및 운전조건 등에 의해 결정된다. 스택의 기본성능은 연료전지시스템을 구성하는 운전장치 구성 및 성능에 의해 달라지기 때문에 어떠한 운전장치를 어떠한 구성으로 설계하는가에 따라서 성능이 변한다고 볼 수 있다. 본 연구에서는 연료전지시스템을 항공기 동력원으로 사용하기 위해서 고려되어야할 스택과 운전장치의 구성이 성능에 미치는 영향과 운전환경(스택 경사, 고도)이 연료전지 스택성능에 미치는 영향에 대해 고찰하였다.

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Safety Performance Evaluation of Blowers for 1kW Class Stationary Fuel Cell System (1kW급 건물용 연료전지시스템 블로워의 안전성능 평가)

  • Lee, Jungwoon;Kim, Younggyu
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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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.

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A Study on the Safety Performance Evaluation Method of Blowers for 1kW Class Stationary Fuel Cell System (1kW급 건물용 연료전지시스템 블로워의 안전성능 평가방법에 관한 연구)

  • Lee, Jungwoon;Seo, Wonseok;Kim, Younggyu
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.127.2-127.2
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    • 2010
  • 우리나라는 기후변화 대응을 준비하기위해 2008년도에 수립한'국가에너지기본계획(2008-2030)'에 따라 2030년까지 신재생에너지 비중을 2.4%에서 11%까지 달성을 목표로 정하고 신재생에너지 분야를 성장시키기 위해 국가기술개발 및 산업화 전략을 수립해 추진하고 있다. 이에 발맞추어 건물용 연료전지시스템의 경우, 2006년도부터 1kW급 가정용 연료전지시스템 모니터링 사업의 일환으로 3년간 210대가 도시가스사 및 지자체 등을 중심으로 설치되어 운전되어지고 있다. 특히, 2010년부터 시범보급사업이 추진되어 올해 200대를 시작으로 2011년에 300대, 2012년에 500대가 일반가정에 보급되어질 예정이다. 하지만 현재 6천만원인 연료전지시스템 가격을 실제 보급가능한 가격인 5백만원 이하로 저감시키는 것이 현 시점에서 가장 시급한 문제로 대두되어지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 그린홈 보급확대를 위한 건물용 연료전지의 보조기기인 블로워의 가격저감을 위한 연구의 일환으로 블로워의 안전성능 평가방법을 개발하여 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 평가방법을 제시함으로서, 국내 블로워 제조사의 설계방향을 제시하고 연료전지시스템의 안전성을 확인하고자 한다. 특히, 내구성, 기밀, 가혹조건시험 및 소음, 진동, 습도, 온도와 같은 내주위환경시험 등의 평가결과를 제조사에 feedback하여 안전성능 개선에 이바지하고자 한다.

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A study on the boost type bi-directional DC-DC converters for fuel cell system using supercap acitors (수퍼커패시터를 이용한 연료전지시스템용 승압형 양방향 DC-DC 컨버터)

  • Choi, Won-Mook;Kwak, Goun-Poung;Ahn, Ho-Gyun
    • Proceedings of the KIEE Conference
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    • pp.1352-1353
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    • 2011
  • 친환경에너지원인 연료전지시스템에서 구조상 발생되는 문제점인 발전기와 같은 동작 특성과 느린 동특성으로 에너지를 저장할 수 있는 능력이 없다. 이를 보안하고자 400V급 승압형 풀브릿지 컨버터와 수퍼커패시터를 이용한 양방향 하프브릿지 컨버터를 적용하여 부하에 따른 낮은 출력전압을 승압하고 연료전지시스템 특성상 느린 동특성과 부하에 따른 출력변동을 슈퍼 커패시터를 이용하여 빠르게 충 방전함으로써 연료전지시스템으로도 상용전원과 같은 시스템에 적용 가능함을 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.

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Development of Turboblower for Fuel Cell Automobile Applications (연료전지 자동차용 터보블로어 개발)

  • Kwon Hyuckroul;Park Hyungkeun;Kim Seongkyun;Kim Chimyung;Park Yongsun;Hwang Inchul
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.345-348
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    • 2005
  • 본 개발의 목적은 연료전지차량에 탑재되는 연료전지 시스템에 장착될 공기공급기를 개발하는 것이었다. 개발된 공기공급기의 형태는 공급해야 할 공기의 유량과 압력 범위, 소음 및 향후 양산성 등을 고려하여 원심형 블로어를 선택하였으며, 차량 부하에 따른 공기공급량을 제어하기 위한 제어기도 적용되었다. 또한 차량에 적용될 경우, 예상되는 가혹한 사용환경에서 안정적인 성능을 발휘하고, 내구성을 할 수 있도록 설계되었으며, 특히, 외기온도 $45^{\circ}C$에서도 충분한 방열성능을 갖도록 모터 및 모터 방열구조를 설계하였다. 이를 위하여 공급되는 공기로 직접 모터를 냉각하는 개념을 적용하였다. 개발된 터보블로어의 응답성을 포함한 성능평가를 수행하였으며, 설계점에서 600시간 연속운전을 통하여 기본 내구평가를 완료하였다.

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Flow Control for Fuel Cell System with DSP Controller (DSP Controller를 적용한 연료전지 시스템의 유량 제어)

  • Shin, Bum-Su;Choi, Dong-Min;Han, Se-Young;Lee, Ho-Jun
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.184-187
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    • 2007
  • 본 논문은 DSP Controller를 적용한 연료전지시스템의 유량제어에 관한 논문이다. 그리고 이 연구에서 사용된 시스템은 1kW급 계통연계 연료전지 시스템이다. 이 연료전지 시스템이 안정적으로 전원을 공급할 수 있도록 시스템에서 요구하는 공기 유량을 정확히 공급하도록 제어하는 것이 본 연구의 목적이다. 이 목적을 이루기 위해 공기 공급 장치에 PID 제어기를 설계하여 적용하였다. PID 제어기의 Gain값은 지글러 니콜스 Tuning 방식으로 정하였다. 이 제어기를 적용하여 실험한 결과, 적용 전 상태와 비교하면 맥동이 30% 저감하였고, 정상상태 오차가 제거되어 온도 변화와 같은 외란과 상관없이 정확한 요구 공기 유량을 공급함을 확인할 수 있었다. 그리고 부하가 변동함에 따라 해당 요구 공기 유량이 바뀔 때 1초 내에 그 요구 공기 유량을 추종하여 스택이 안정적으로 운전될 수 있도록 하였다.

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An Economic Feasibility of Household Fuelcell System (가정용 연료전지 시스템의 경제성평가)

  • Ryu, Seunghyun;Kim, Suduk
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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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.

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High Efficiency Fuel Cell System with Air Amplifier using Waste Heat (배열이용 공기증폭기를 활용한 고효율 연료전지 시스템)

  • Jun, Jaeho;Choi, Youngjae;Jun, Joonghwan;Kim, Seontae;Kim, Seongwan
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.72.1-72.1
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    • 2010
  • 지금까지 연료전지 시스템의 효율을 극대화시키기 위한 기술들이 개발되어 왔는데, 대표적인 방법은 CHP(Combined Heat & power)와 FCT(Fuel cell & Turbine) Hybrid 시스템이다. 그러나 본 연구의 기술은 연료전지 배열을 이용한 Coanda 공기증폭기를 장착한 새로운 개념의 고효율 연료전지 시스템이다. 원래 공기 증폭기는 완만한 곡면 주위를 흐르는 유체가 곡면의 표면을 따라 흐름의 방향이 바뀌는 원리(Coanda Effect)를 이용한 장치로서, 소량의 고압유체를 구동 에너지원으로 사용하여 최고 20배에 해당하는 많은 양의 주변 유체를 빠른 속도로 이송시키는 역할을 한다. 문제는 고압의 유체원을 만드는 것인데, 본 연구에서는 발전용 연료전지 시스템의 배기가스를 활용하여 먼저 고압의 수증기를 발생시키고, 다음으로 고압의 수증기를 공기 증폭기의 구동원으로 사용함으로써 연료전지 시스템의 Air blower를 대체하는 것이다. 이러한 개념을 검증하기 위해서 고압의 스팀작동 Coanda 공기증폭기를 제작하여 선행실험을 진행하였다. 먼저 공기증폭기의 Gap 및 스팀압력에 따른 공기유량, 압력 등의 기본특성을 조사하였고, 출력 공기의 특성을 개선하기 공기증폭기의 형상 및 재료를 새롭게 설계하였다. 그리고 실제 시스템의 적용가능성을 알아보기 위해서, 예로 300kW급 용융탄산염 연료전지 발전시스템의 Air blower 대체가능성을 확인하였고, 배열이용 Coanda 공기증폭기를 활용한 고효율 연료전지 시스템의 개념설계를 수립하였다. 결론적으로 본 기술을 활용하면 연료전지 시스템의 최종 전기효율을 향상시킬 뿐 아니라는 시스템의 장기 신뢰성을 증대시키는 효과를 기대할 수 있다.

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Operating Performance Analysis of 2.4MW FuelCell System (MCFC) (2.4MW급 발전용 연료전지시스템의 운전 성능분석)

  • Kang, MinKwan;Kim, Yunmi;Kim, Minki;Lee, Sanghoon;Cho, Yinjung
    • 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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    • pp.84.2-84.2
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    • 2010
  • 발전용 연료전지시스템은 지구 온난화의 주요 원인인 $CO_2$의 발생을 기존 발전시스템에 비해 현저히 줄일 수 있는 친환경, 고효율 발전시스템으로서 분산형 발전이 가능한 혁신적인 발전시스템이다. 또한 전기 생산과 동시에 열을 발생시켜 소형열병합 발전을 함으로써 에너지효율을 극대화 할 수 있다. 본 논문에서는 2.4MW급 발전용 연료전지시스템 프로세스 모델링을 통해 얻은 결과 값인 Heat and Material Balance 데이터와 실제운전중인 데이터를 비교, 분석하여 운전시간, 온도, 고도 및 운전조건에 따른 출력특성을 파악함으로써 향후 프로세스 설계 시 정확도를 높일 수 있을 것이다.

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