2조-수소가미래다

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 교육용 모형 자동차용 양성자 교환막 연료전지 시스템 개발

영문 : Development of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) System for Educational Model Mobility

과제 팀명

수소가 미래다

지도교수

나영승 교수님

개발기간

2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 기계정보공학과 2016430008 명선형(팀장)

서울시립대학교 기계정보공학과 2016430037 최보근

서울시립대학교 기계정보공학과 2016430013 박진오

서울시립대학교 기계정보공학과 2016430044 나와브알리압둘라

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

양이온교환막연료전지(PEMFC)는 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 발전장치로 이때 수소는 환경오염물질을 배출하지 않는 차세대 에너지 매체로 주목받고 있다.

현재 ‘스마트 모빌리티’ 강의에서 사용하는 모형 자동차의 경우 Xytron사에서 제작한 자이카(Xycar)를 사용하고 있다. 이때 메인 보드와 모터 구동을 위해 각각 리튬이온배터리와 니켈수소배터리를 사용하고 있다. 하지만, 수업의 특성상 잦은 급브레이크와 후진으로 니켈수소배터리가 빨리 방전되게 된다. 또한, 현재의 경우 특정 미션 수행의 판단을 속도로만 판단하기 때문에 ‘스마트 모빌리티’에서 가장 중요한 요소 중 하나인 ‘에너지‘가 배제되어 있다는 한계가 존재한다.

본 과제는 PEMFC 스택을 교육용 모형 자동차에 적용하여 리튬폴리머(Li-Po)전지와 하이브리드로 작동하는 Power System을 구축하고, 이를 사용자가 제어할 수 있는 플랫폼을 제작하는 것을 목표로 한다. 이를 통해 교육용 모형 자동차의 주행성능과 주행가능 시간을 높여 미션수행에 최적화된 모델을 제시한다. 또한, 사용자가 실시간으로 니켈 수소 배터리와 수소탱크 압력을 통해 잔량을 파악할 수 있고, 현재 사용량을 바탕으로 Power System을 변경할 수 있는 플랫폼을 구축함으로써 보다 현실적인 ‘스마트 모빌리티’ 설계가 가능하도록 한다.

개발 과제의 배경

- 짧은 구동시간

기존에 ‘스마트모빌리티’ 강의에서 사용하고 있는 Xytron사의 자이카의 모터 구동을 위한 배터리는 니켈수소(NiH)전지 (8.4V, 3000mAh, 25.2Wh)를 사용하여 모터를 구동한다. 이 때 모터의 구동시간은 약 2시간으로 매우 짧아 실습 강의 및 과제 수행에 어려움을 겪는다. 이를 해결하기 위한 방안이 필요하다.

- 각광받는 연료전지

화석연료 사용에 따른 지구온난화 현상은 가속화 되고 있다. 이러한 영향으로 세계 각국에서는 이산화탄소 규제 정책을 추진하고 있으며, 친환경 모빌리티에 대한 개발은 필수적이다. 그리고 수소는 환경오염물질을 배출하지 않는 차세대 에너지 매체 중 하나로 주목받고 있다.

연료전지는 이러한 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산하는 발전장치이다. 따라서 연료만 충분하다면 충전을 하지 않고 계속해서 전기를 생산할 수 있다. 연료전지의 경우 이온이 이동하는 막의 종류에 따라 각각의 출력과 운전조건 등이 상이하기 때문에 필요 출력에 따라서 연료전지를 선택해야한다. 그 중 PEMFC는 고분자 전해질 막을 사용하는 연료전지로 작은 부피, 높은 출력, 낮은 운전온도 등의 장점으로 모빌리티에 적용할 수 있는 가장 적절한 연료전지이다. 이 장점을 살려 양이온교환막연료전지와 기존의 배터리가 하이브리드로 작동할 수 있는 시스템을 설계한다.

개발 과제의 목표 및 내용

1. PEMFC 스택 설계

그림 1 PEMFC 스택 구조

 

(1) End Plate 형상 & Cell 종횡비 최적화

낮은 저항을 통한 효율 상승을 위해 셀을 균일한 압력으로 체결하는 것이 필요하다.

CAE 구조해석을 통한 Case Study를 통해 가장 균일한 면압을 가지는 종횡비를 설정하고 End Plate 형상 최적화를 통해 체결에 의한 변형을 방지한다.

(2) 시스템 부피 감소를 위해 자가 가습막 적용

PEMFC의 전해질 막은 수화된 상태에서 높은 이온 전도도를 가진다. 따라서 BOP 구성 시 가습기가 필요하다. 이를 자가 가습막으로 대체하여 시스템 부피를 감소시켜 RC카 설치를 용이하게 한다.

(3) 반응 기체 확산에 유리한 분리판 유로 설계

PEMFC는 산소와 수소가 반응하여 전기를 생산한다. 이를 위해 스택 양단에서 각각 공기와 수소 기체가 주입되는데, 분리판의 유로 형상을 따라 흐르며 전극으로 확산되고 반응이 일어난다. 분리판의 유로 형상 최적화를 통해 확산에 유리한 유로를 설계하고 이를 적용하여 반응을 높인다.

2. 배터리와 PEMFC 시스템 결합

목표 출력을 설정하고 이에 맞는 PEMFC 스택을 설계한다. 설치의 용이성을 위해 수소 탱크, 블로어 등의 BOP 배치와 전체 system의 무게,부피를 고려한다. 이를 RC카에 장착하고 기존의 Ni-H배터리와 연결해 Hybrid Power System을 만든다.제어 알고리즘을 통해 주행 상황 별 필요 출력을 고려해 에너지 효율을 최적화한다.또한 CAE해석을 통해 설치 위치를 최적화해 주행 시의 안정성을 높인다.

그림 2 Hybrid Power System

 

3. 에너지 사용 현황 측정 & 사용자 제어 플랫폼 구축

압력 측정기를 통한 수소 펌프의 압력과 배터리 출력을 측정해 실시간으로 에너지 효율과 각 동력원의 출력 정보를 파악할 수 있게 한다. 해당 정보를 사용자가 확인할 수 있도록 하는 통신 알고리즘을 개발한다. 아두이노를 활용해 각 동력원의 출력 비중을 직접 제어하며 에너지 효율에 대해 학습할 수 있는 플랫폼을 구축한다.

그림 3 전체 시스템 개략도

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

(1) 수소저장 합금

1) 수소저장합금 원리

수소는 가장 크기가 작은 분자이다. 때문에 금속의 틈 사이로 스며들기 쉬운 특성이 있고 이를 활용한 것이 수소저장 합금이다. 수소저장 합금의 경우 냉각 또는 가압하면 수소를 흡수하여 금속 수소화물이 되고, 동시에 열을 발생한다. 반대로 가열 또는 감압(減壓)하면 다시 수소를 방출하면서 열을 빼앗는 성질이 있다. 수소저장 합금을 사용하여 수소를 저장하면 가스로 저장하는 것보다 부피가 3분의 1에서 5분의 1로 줄어들 뿐 아니라 폭발의 위험이 없어 안전하다.

 

2) 수소저장합금의 종류

수소저장합금 종류 수소저장합금의 종류에는 마그네슘, 티탄계, 희토류계 합금 등이 있다.

수소저장합금의 경우 수소저장용기, 연료전지자동차, Heat Pump등 그 용도에 맞게 선택해야한다. 본 개발의 목적인 연료전지 자동차의 경우 경량, 높은 수소저장량의 특성을 가지기 때문에 마그네슘 수소 화물이 많이 사용되고 있다.

3) 교육용 수소저장합금

교육용 연료전지장비를 제작하는 호라이즌 퓨얼셀사의 하이드로 스틱은 티탄계의 합금(AB2계)을 사용한다. 티탄계의 특성은 초기 반응속도가 느리기 때문에 액티베이션후 AB2 합금이 수소를 흡수하여 포화 상태까지 열을 방출할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 밸브가 열리고 압력이 감소되면 열을 흡수하는 합금에서 수소가 지속적으로 방출되고, 열 흡수율이 감소하면 수소 방출 속도도 감소하게 된다.

그림 5 호라이즌 퓨얼셀의 하이드로스틱

(2) PEMFC

1) PEMFC system

그림 6 PEMFC System Schematic

PEMFC는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로서 다른 형태의 연료전지에 비해 작동 온도가 낮아 에너지 효율이 높고 시동 시간이 짧은 동시에 부하 변화에 대한 응답 특성이 빠른 특성이 있다. 특히 전해질로 고분자막을 사용하므로 사용 과정에서 전해질 손실이 없고 반응 기체 압력 변화에 덜 민감하다는 장점 또한 가지고 있다. 이러한 특성으로 차량의 동력원, 발전, 우주선용 전원 등 다양한 분야에 응용되고 있다.

2) PEMFC 원리

Anode (산화전극 또는 연료극)에서는 연료인 수소의 전기화학적 산화가, 그리고 cathode (환원전극 또는 공기극)에서는 산화제인 산소의 전기화학적 환원이 일어나 이때 발생되는 전자의 이동으로 인해 전기에너지가 발생된다. 각 전극에서의 반응 식과 총 반응식은 다음과 같다.

수식 1 PEMFC 반응식

분리막, MEA, 앤드플레이트 등으로 이루어진 연료전지 스택 외에 연료를 주입하는 펌프, 전해질 막의 수화를 위한 막 가습기 등의 BOP(balance of plant)가 합쳐져 하나의 시스템을 구성한다.

3) 교육용 RC카에 적용되는 PEMFC 특성

해당 과제에서는 호라이즌 퓨어셀 사의 ‘H-2.0 PEMFC’시스템을 사용한다. 30W의 출력을 가지고 있으며 전체 시스템의 부피를 줄이기 위해 막 가습기가 아닌 자가가습막을 이용하는 특징을 가지고 있다. 예산의 한계로 30W의 출력의 PEMFC를 선택했고 이는 직접적으로 모터를 구동하기에는 낮은 출력이기에 파워캡을 결합하여 보다 높은 출력으로 변환하여 사용할 것이다.

(3) 하이브리드 자동차

하이브리드 자동차의 Power Management System을 설계하기 위해서는 기존의 하이브리드 자동차의 동력 전달 원리를 이해하는 것이 중요하며, 현재 상용화되어 있는 동력 전달 방법은 다음과 같다.

1) 직렬형 하이브리드 (Series HEVs)

그림 7 Serial HEVs' schematic과 예시

직렬형 하이브리드 자동차는 엔진-발전기-모터가 직렬로 연결되고, 엔진의 동력은 모든 발전기를 구동하여 전기에너지로 변환되며 최종적으로 모터를 구동하여 주행하는 자동차이다. 직렬형 하이브리드는 엔진을 최적의 상태로 작동시키며 주행할 수 있어 다른 형태의 하이브리드 자동차에 비해 주행거리가 길고, 시스템 제어가 용이하다는 장점이 있다. 하지만, 모터를 직접 구동하여 주행하므로 고출력의 모터와 대용량의 배터리가 필요해 시스템의 무게가 무겁고, 큰 부피를 차지한다. 또한, 시스템의 구성에 인버터가 꼭 필요해 에너지 변환 손실이 크다는 단점이 있다. 대표적인 예시로 쉐보레사의 BOLT-EV 모델이 있다.

2) 병렬형 하이브리드 (Parallel HEVs)

그림 8 Parallel HEVs' schematic과 예시

병렬형 하이브리드 자동차는 모터와 엔진의 구동력을 적절하게 사용하여 구동하는 자동차이다. 시스템 내에서 다양한 조합이 가능하며, 엔진의 동력을 이용하여 주행하고 모터가 보조동력을 공급하여 주행할 수 있다. 저속운행시 전기 모터로만 구동하게 제어할 수 있으며, 모터를 발전기로 사용하여 배터리를 충전할 수도 있는 특징이 있다. 전기 모터로 엔진을 시동하는 방식이므로 시동을 걸 때 연료 소모와 배기가스 배출을 최소화할 수 있으며, 직렬형에 비해 무게와 부피가 작은 모터와 배터리를 사용할 수 있고, 에너지 변환 손실이 작은 편이다. 하지만 직렬형보다 엔진이 크며, 주행 조건에 따라서 엔진과 모터의 작동을 제어해야 하므로 에너지 전달 시스템의 구성과 제어가 복잡하다는 단점이 있다. 현대자동차의 하이브리드 자동차가 병렬형 하이브리드 자동차의 대표적인 예시이다.

3) 직병렬형 하이브리드 (Series-Parallel HEVs)

그림 9 Series-Parallel HEVs' schematic과 예시

직병렬형 하이브리드 자동차는 모터와 엔진의 구동력을 적절하게 사용하여 구동하는 자동차이다. 시스템 내에서 엔진과 전기모터가 직렬로 연결되어 있으며, 그 옆에 추가로 연결된 전기모터를 통해 각각의 전기모터가 내연기관과 연결되어 충전 및 구동을 병행한다. 직렬형 구동방식과 병렬형 구동방식을 유연하게 바꿔가며 주행할 수 있어 높은 연비와 출력을 낼 수 있다. 또한 모터가 유성 기어와 함께 변속기역할을 해 더 큰 모터로 높은 출력을 낼 수 있다. 하지만 대형 발전기와 배터리가 필요해 원가가 매우 높고, 구조적으로 매우 복잡하다는 단점이 있다. 예시로 도요타 사의 프리우스가 있다.

4) 연료전지 전기 자동차 (Fuel Cell Electric Vehicles)

그림 10 Fuel Cell Vehicles’ schematic과 예시

연료전지 자동차는 배터리 외 연료전지시스템을 사용하여 수소와 산소의 전기화학 반응을 일으켜 얻은 전기로 동력을 얻는다. 하이브리드 자동차와 다른 점은 전기 대신 수소를 충전하며, 대기중의 공기를 사용하여 전기화학반응을 일으킨다는 점 등이 다르다. 구동 간에 배기가스 및 공해 물질이 발생하지 않고, 전기자동차에 비해 충전시간이 짧다. 또한, 시스템의 에너지 효율이 높아 같은 에너지량의 연료를 가지고도 더 길게 운행할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 시스템의 구성 요소 중 스택의 생산비용이 매우 높고, 수소 충전 인프라가 충분히 구축되어 있지 않다는 단점이 있다. 대표적으로 현대자동차의 넥쏘, 도요타의 미라이 등이 있다.

*특허조사 및 특허 전략 분석

(1) 수소저장 합금

수소경제에 대한 사회적 관심이 증가하는 가운데 금속을 활용하여 수소를 안전하게 저장하고 운반하는 기술에 대한 특허출원이 활발한 것으로 나타났다. 특허청에 따르면, 금속을 이용한 수소 저장∙운반 기술 관련 특허출원건수는 최근 5년간(’14년~’18년) 135건으로 그 이전 5년(’09년~’13년, 101건)에 비해 33% 이상 증가한 것으로 조사됐다.

수소를 저장하는 기술의 경우 크게 1. 고압수소 압축, 2. 액화수소, 3. 수소저장 합금 세가지가 존재한다. 이중 안정성이 가장 높은 것은 단연, 수소저장합금이다. 앞서 1.고압수소 압축의 경우 500~700 bar로 압축하기 때문에 안전에 위험이 있고, 2. 액화수소의 경우 23K을 유지해야하는 것이 해당 기술의 가장 큰 Bottle Neck이다.

즉, 교육용 연료전지 기구를 제작하는 데에 있어 가장 현실적인 것은 수소저장합금이다. 현재의 경우 호라이즌퓨얼셀에서 판매하고 있는 ‘하이드로 스틱’의 경우에도 티탄계의 수소저장합금을 사용하고있다. 티탄계의 수소저장합금의 경우 활성화를 시키기 위한 시간이 필요하지만, 상온에서도 작동 가능하다는 큰 장점을 가지고있다. 즉, 관련 특허 개발을 위해서 티탄계의 수소저장합금의 초기 활성화를 높일 수 있는 방안에 대해 개발해야 한다.

(2) PEMFC

PEMFC는 전체 연료전지 특허 출원의 54.2%를 차지하고 있을 만큼 높은 관심 속에서 관련 기술들이 개발되고 있다. 해당 보고서에서는 교육용 RC카에 적용되는 기술과 연관이 높은 시스템 소형화 관련 특허를 조사한다.

PEMFC시스템으로 RC카 모터를 직접적으로 제어하기 위해서는 크게 1.고출력화 2.시스템 소형화 두가지 방향성의 개선이 필요하다. 호라이즌 퓨어셀 사의 제품에선 막 가습기를 자가가습막으로 대체하여 소형화한 점에 착안하여 시스템 구동을 위해 필요한 블로워 등의 BOP를 대체할 수 있는 열관리,연료공급 방식을 구상하여야 한다.

더 높은 출력을 위해 보다 효율적인 연료 확산을 위한 분리판 유로 설계, 스택 체결 방식 등의 개선 방향 또한 생각해 볼 수 있다.

(3) HEV

자동차 업체의 전지 관련 특허출원은 2010년 277건에서 2019년 433건으로 56% 증가한 것으로 조사되었다. 이에 따라서 자동차 업체의 전체 특허출원 중 전지분야 출원의 비중도 2010년 7.0%에서 2019년 9.1%로 증가했다.

시중의 연료전지 자동차의 에너지 공급 시스템은 주행 모드에 따라 출력 방식을 제어할 수 있는 시스템을 포함한다. 하지만 현재 교육용 연료전지 시장에 있는 제품은 실제 차량의 방식과는 동떨어진 방식으로 구동하기 때문에 실제 연료전지 시스템의 구성과 작동 원리 등에 대한 교육을 하기에는 적합하지 않다. 그리고 기존의 시스템보다 효율이 좋은 시스템을 새롭게 개발하는 것은 불가능하다고 판단했다. 따라서 우리는 교육용, 그리고 실물과 유사한 시스템이라는 점에 초점을 맞추어 개발을 진행하고 특허를 출원하려 한다.

*기술 로드맵

표 2 기술 로드맵

시장상황에 대한 분석

• 관련 시장에 대한 분석

‘에너지 출력 제어가 가능한 연료전지 교육용 RC카’를 이루고 있는 3가지 영역인

1. SW 교육 시장 2, 에너지 교육 활성화 3. 연료전지 시장을 분석하여 이를 토대로 간접적인 시장경쟁력을 예측한다.

1) SW 교육 시장

그림 11 국내 코딩 시장 규모 전망

4차 산업혁명에 발맞추어 소프트웨어 교육 시장의 성장세는 2019년 1500억원 규모에서 2030년 1조 5000억원까지 약 10배 이상 상승할 것으로 보여진다. 단순 코딩교육과 함께 이를 실질적으로 적용하는 각종 제어에 관련한 교육 수요 또한 증가할 것으로 예상된다.

2) 에너지 교육 활성화

에너지공단의 ‘미래 에너지교육 추진 전략 및 로드맵(2018)’ 에 따르면 전세계적인 탈 탄소화에 발맞추어 학생들의 친환경 에너지에 대한 관심도 증가와 이에 따른 미래 에너지 인재 육성을 위해 교육 확대에 힘쓰고 있는 걸 알 수 있다.

에너지 교육 전문 교사 양성 계획 18년 : 50명 -> 22년 : 3950명

에너지교육 중점 학교 활성화 계획 18년 : 50개교 -> 22년 : 550개교

3) 연료전지 시장

그림 12 국내 연료전지 시장 규모의 성장세

연료전지 시장은 정부,민간의 기술 개발을 통해서 빠르게 성장하고 있다. 2018년 약 2조원의 연료전지 시장 규모는 2030년 약 50조 규모로 성장이 예상되며 이 중 모빌리티 산업의 비중이 약 83%를 차지할 만큼 적용 분야에 있어 수소전기차의 비중은 크다.

이에 이미 외국 기업인 ‘호라이즌 퓨어셀’에서는 교육용 연료전지 스택과 수소전기차 등의 제품을 생산하며 연료전지 교육 시장을 개척하고 있다.

본 과제에서의 연료전지 교육용 RC카는 기존 교육용 제품의 한계를 보완하여 보다 높은 수준의 교육이 가능하게 함으로 경쟁력을 가질 수 있다. 자세한 내용은 하단의 기술적 기대효과에 기재한다.

• 마케팅 전략 제시

1) 경쟁제품 분석

2) STP 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

1) 실제 PEMFC/Li-ion 하이브리드 시스템 개발을 통해 더 수준 높은 기술 습득

그림 13 연료전지 자동차의 에너지 시나리오

수소 연료전지 자동차의 경우 3가지의 에너지 시나리오가 존재한다. 첫번째는 연료전지가 단독적으로 모터에 전력을 공급하고 부족한 경우 배터리에서 추가적인 전력이 공급되는 경우, 두번째는 모터에서 엑셀을 떼는 경우 모터를 발전기로 사용하여 배터리에 충전하는 경우, 세번째는 연료전지가 배터리를 충전하고 배터리에서 모터에 전력이 공급되는 경우이다.

하지만, 현재까지 시중에서 판매되는 교육용 연료전지 자동차의 경우 마지막 시나리오만 구현되어 있기 때문에, 이러한 모든 시나리오를 구현하는 하이브리드 시스템을 개발함으로써 사용자가 실제와 더 유사한 교육을 진행할 수 있다.

2) Power Management System 개발을 통한 사용자의 Customizing 구현

그림 14 기존 연료전지 교육용 자동차의 UI

기존 시중에 나와있는 모니터링 프로그램의 경우 연료전지 스택의 전류, 전압 등 굉장히 단순한 부분을 ‘관찰’만 할 수 있는 한계가 존재하고 사용자가 Control 가능한 부분이 부재. 하지만, 본 개발을 통해 수소탱크의 압력 및 ESS의 전압을 측정하여, 각 동력원별 주행가능 거리를 계산하고, 실시간 시각화를 통해 에너지의 흐름을 이해할 수 있는 효과가 존재한다. 또한 Power Management Platform을 통해 배터리와 연료전지의 출력 비중을 제어함으로써 사용자가 직접 에너지 소비 및 효율의 제어가 가능하다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

산업화가 진행됨에 따라 화석연료 사용이 증가하고, 이산화탄소의 배출량이 기하 급수적으로 증가하였다. 2016년에 파리기후변화협약에서 195개국이 온실가스 배출 감축에 동의하였고, 각국에서 탄소중립선언 및 내연기관 판매 중단 등을 외치기 시작했다. 이를 바탕으로 국내에서도 ‘미래 에너지교육 추진 전략 및 로드맵(2018)’을 발표하였는데, 그 자료에 따르면 내년까지 국내에 에너지 교육 전문 교사 및 학교를 늘리는 등의 교육 시스템을 구축함으로써 에너지 산업을 선도할 학생들을 양성하려는 노력을 하고 있다. 하지만, 미래 에너지원 중 가장 각광받고 있는 연료전지 관련 교육을 수행하기에 충분한 기능의 실습장비에 대한 개발은 이루어지지 않고 있는 상황이다. 국산화 된 연료전지 교육 플랫폼을 형성함으로써, 국내에서 발표된 탄소 중립 선언 및 미래에너지 교육 추진 로드맵에 걸맞는 연료전지 교육을 진행 할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

표 3 개발 일정

구성원 및 추진체계

그림 15 추진 계통도 및 업무분장

설계

설계사양

제품의 요구사항

표 4 요구사항 (E : Electronic System, F : Fuel Cell System, EM : Energy Management System)

설계 사양

1) Electronic System

표 5 Electronic System의 설계사양

Electronic System에 있어서 Motor, ESC, Battery의 적절한 선정을 통해 요구사항 1을 만족해야 한다. Battery가 ESC의 요구전류를 적절히 공급하지 못하면 배터리 배부름 현상이 발생하므로, 이를 방지하기 위해 방전율 40C 이상의 배터리를 사용해야 한다. 배터리의 연속최대전류보다 낮은 ESC를 선정하고, ESC의 전류가 모터가 요구하는 전류보다 커야 한다. 또한, 모터의 토크가 부족해 과부하가 발생하는 것을 방지하기 위해서 충분한 토크의 모터를 사용해야 한다. 회로의 보호를 위한 요구사항 2를 만족시키기 위해 메인보드의 정격 입력전압/전류로 전원을 공급해야 한다.

2) Fuel Cell System

표 6 Fuel Cell System의 설계사양

Fuel Cell System에 있어서 안전과 관련된 요구사항 3을 만족하기 위해서 수소를 충전하는 데에 있어 50bar 이하의 저압으로 충전을 해야 한다. 또한, 모터 작동 평균적으로 6V, 10A의 전력 공급 시 최소 20s 이상은 연료전지가 단독적으로 작동할 수 있어야 하기 때문에, 정격출력 30W 이상을 만족해야 한다. 또한, 무게 및 비용을 고려하여 연료전지 스택을 선택 및 제작함으로써 요구사항4를 만족해야 한다.

 

3) Energy Management System

표 7 Enegry Manageme System의 설계사양

Energy Management System에 있어서 제품 요구사항 1을 만족시키기 위해 Super Capacitor를 이용, 연료전지의 전력을 슈퍼 Capacitor에 상시 충전하고 모터 작동 시 Capacitor로부터 전력을 끌어오는 방식을 택해 순간적으로 높은 전력 사용량에 의해 연료전지가 Shut down이 되는 상황을 방지한다. 또한 주행상황에 따른 각 동력원의 제어 로직 개발과 출력 상황 가시화 플랫폼 개발을 위해 전압, 동력원에 대한 Sensing data를 파악할 수 있어야 한다. 이에 따라 회로에 전압 Sensor를 장착, 파악된 데이터를 바탕으로 제어 로직을 개발하고 가시화 플랫폼 구축을 위해 블루투스 통신을 이용해 데이터를 송신하여 요구사항 2,3을 만족시킨다. 마지막으로 RC카의 에너지 흐름을 가시화할 수 있는 웹 화면을 개발하고 AWS서버와의 통신을 통해 요구사항4를 만족한다.

개념설계안

1) Electronic System

표 8 Electronic System의 개념설계안

2) Fuel Cell System

표 9 Fuel Cell System의 개념설계안

3) Energy Management System

표 10 Energy Management System의 개념설계안

가. 전체 에너지 시스템 이론적 계산

그림 17 전체 에너지 시스템 개략도

::A. Super Capacitor

1. 반응 속도 차이

- 연료전지의 경우 수소와 산소의 전기화학적 반응을 통해 전기를 생산해내는 장치.

- 수소의 경우 고압으로 충전된 수소탱크를 통해 직접 공급되지만, 공기의 경우 블로어를 통해 공급되기 때문에 연료전지의 최대 출력은 제한적.

- 모터의 최고성능일 때 요구 전류는 10A로 Fuel Cell의 정격 출력 30W기준 3.7A는 이에 턱없이 부족. 때문에, 연료전지와 모터를 직접 연결하는 경우 모터가 필요로 하는 전류를 연료전지가 감당하지 못해 Shut Down 될 수 있는 위험성 존재.

- 이러한 이유로 연료전지의 출력을 높은 효율로 저장하고 많은 충,방전 횟수에 강건한 축전기가 필요.

- 슈퍼캐패시터는 화학반응을 이용하는 배터리와 달리 전극과 전해질 계면으로의 단순한 이온의 이동이나 표면 화학 반응에 의한 충전현상을 이용함으로써, 축전 용량, 충/방전 효율 및 내구성이 높아 이에 적합한 대안으로 거론.

2. Spec. 선정

- 본 과제에서 선정한 Super Capacitor의 경우 2.7V, 500F이다.

- 모터에 6.6-7.2V의 전압으로 전기를 공급하기 위해서는 슈퍼캐패시턴스 3개를 직렬로 연결하여 사용한다. 이때 전압과, 전기용량은 아래식으로 계산된다.

  ::B.각 단계 이론적 계산

※ 충전의 경우 충전에 필요한 전압, 전류 조건에 초점.

※ 방전의 경우 모터 필요 전류에 따른 주행 가능 시간.

1. Fuel Cell → Battery (Charge)

현재 사용하고 있는 리튬 이온 배터리의 경우 7.4V 이다. 즉, 리튬 이온 배터리의 공칭전압은 3.7V 이기 때문에, 배터리팩 두개를 직렬로 연결하여 7.4V로 사용하고 있다. 배터리를 충전하기 위해선 충전하는 전압이 배터리의 전압보다 높아야 하고 이러한 전압차이가 클수록 충전이 빠르게 된다. 하지만, 이때 충전전압이 10%이상 큰 경우, 배터리 과충전으로 화재가 발생할 가능 성이 있기 때문에, 최대 9.2V로 충전해야 한다. 때문에, 연료전지에서 발전된 전기의 경우 10V로 이를 DC-DC컨버터를 통해 8V의 정격 전압으로 스텝다운 시켜주어야 한다.

그림 18 DC-DC 스텝 다운 컨버텨 모듈

그림 19 어댑터 혼용에 따른 실험 결과 (국립소방연구원)

 

2. Fuel Cell → Super Capacitor (Charge)

슈퍼캐패시터의 전압은 8.1V 이다. 슈퍼캐패시터의 경우 배터리와 다르게 최대 8.1V까지 충전이 가능하다. 또한, 배터리와 동일하게 전압차이가 클수록 충전이 빠르게 된다. 하지만, 장점이자 단점은 슈퍼캐패시터의 저항이 0.05Ω으로 0에 가깝기 때문에, 고속충전이 가능하지만 이러한 이유로 충전시 전류가 굉장히 커지게 되어 연료전지에 전기적 손상 및 전선 등에 무리를 줄 수 있다. 때문에, 전압과 전류를 조절하는것이 필요하다. 전압의 경우 앞선 리튬 이온 배터리와 동일하게 DC-DC컨버터를 통해 8V의 정격 전압으로 스텝다운 시켜주어 공급한다. 전류의 경우 저항달아 5A이하로 공급한다. (DC-DC 컨버터 허용전류) 이를 위해서는 직렬, 병렬 연결시의 전체 저항을 계산해야 하고 이는 아래와 같이 계산된다.

R_Series=R_1+R_2+⋯ R_Parallel=1/(1/R_1 +1/R_2 +⋯)

또한, 저항은 전기적 에너지를 열로서 방출 하기 때문에 허용가능한 소비전력이 존재하고 이는 직렬, 병렬 연결시 각각 아래와 같이 계산된다.

W=V×I W_Series=(I×R)×I=I^2 R W_Parallel=V×V/R=V^2/R

본 과제에 적용하기 위해서는 5A이하, 10W이하의 저항이 필요하기 때문에, 위 저항 및 소비전력 식을 참고하여 10W, 10Ω의 시멘트 저항 6개를 병렬로 연결하여 적용하였다. 이를 통해 이때의 저항, 전류, 소비전력은 아래와 같다.

R_eqv=1.67Ω,〖 I〗_eqv=4.8A,W_eqv=6.4W

그림 20 10W 10Ω 저항 6개 병렬 연결  

Battery → Motor (Discharge)

본 과제에 사용된 리튬 이온 배터리의 전하량은 3300mAh이다.

즉, 모터가 정격 6A로 전기를 사용하게 되면,

Time[s]=3300mAh/6000mA×3600=19800 [s](=0.55 [h])

즉, 리튬 이온 배터리를 사용해 단독적으로 19800초(0.55시간) 동안 사용 가능하다. 또한, 더 높은 출력에서도 문제없이 사용 가능하다.

::4. Super Capacitor → Motor (Discharge)

- 전하량은 아래 식으로 계산된다.

Q(Eletric Charge)=V(Volatage)×C(Capacitance) 8.1V×167F=1350C

- 이를 보통의 전하량 단위인 mAh로 변환하면,

∵1C=0.277778mAh ∴1350C=375.03mAh

- 즉, 모터가 정격 6A로 전기를 사용하게 되면,

Time[s]=375.03mAh/6000mA×3600=225 [s]

- 즉, 슈퍼 캐패시턴스를 사용해 단독적으로 225초 동안 사용가능하기 때문에 RC카에 적용하여, 낮은 출력에서 안정적으로 사용가능한 것을 이론적으로 확인하였다.

표 11 에너지 매체에 따른 효율 및 수명 (충전용량 30% 감소 기준)

 

나. 각 단계의 에너지 효율

※ Table 1을 참고하여 작성

1. Fuel Cell → Battery → Motor (Discharge)

- 기존 방식의 에너지 효율은 아래와 같이 계산된다.

ϵ_FBM=0.75×0.8×0.8×100=48%

2. Fuel Cell → Super Capacitor → Motor (Discharge)

- 슈퍼캐패시터를 추가하는 경우 효율은 아래와 같이 계산된다.

ϵ_(FS.CM)=0.75×0.85×0.8×100=51%

다. 시스템 수명 (내구성)

- 시스템의 수명에서 가장 지배적인 것은 리튬 이온전지의 수명이다. 때문에 리튬 이온전지만을 사용하였을때와 슈퍼캐패시터를 적용하였을때의 차이를 확인한다.

1. Battery 단독 사용

Table 1을 참고하여 25% 충방전을 반복하였을 때, 리튬 이온 전지의 수명은 2000~2500 Cycle인것을 실험적으로 확인할 수 있다. 하지만, 10% 충방전을 반복하였을 때의 수명은 3750~4700회로 큰 차이를 보인다. 즉, 배터리를 사용하는데에 있어 방전깊이(Depth of Discharge)는 배터리의 수명에 직접적인 영향을 끼치고 이 깊이가 작을수록 배터리의 수명은 길어진다.

2. Battery +Capacitor 사용

본 연구에 사용되는 3300mAh 리튬이온배터리 기준 25%사용 전하량은 아래와 같다.

3300mAh×0.25=825mAh

이때, 슈퍼캐패시터로 사용가능한 전하량은 다음과 같다.

8.1V×167F=1350C=375.03mAh

만약 슈퍼캐패시터를 사용해 해당 전하량을 대체한다면, 리튬이온배터리를 통해 사용하는 전하량은

Q_(B,SC)=825-375.03=450mAh

즉, 이는 리튬이온배터리의 전체전하량의 13%에 해당하게 된다. 이를 보간법을 사용하여 수명을 계산하면,

Cycle_min ∶ (3750-2000)/(25-10)=(3750-Cycle_min)/(13-10) ∴Cycle_min=3400 Cycle_max ∶ (4700-2500)/(25-10)=(4700-Cycle_min)/(13-10) ∴Cycle_max=4260

위 계산을 통해 13% 충 방전시 수명은 3400~4260회로 예상할 수 있다.

즉, 기존대비 수명이 약 70% 증가하는 효과를 얻을 수 있다.

상세설계 내용

조립도

가. 조립도

그림 21 조립된 교육용 모형 자동차의 측면도

그림 22 조립된 교육용 모형 자동차의 평면도

나. 주요부품 및 조립관계

표 12 주요 부품의 조립관계

• 부품 번호의 경우 대분류, 소분류로 나누어 번호를 매김으로써 사용자의 이해도를 높였다.

표 13 부품번호 대분류 체계

제어부 및 회로설계

가. 충전부 회로 설계

① Fuel Cell → Battery (Charge)

그림 23. 충전부 회로(Fucl Cell → Battery)

I. 연료전지에서 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기 생성

Il. 10~11V의 전압이 연료전지 컨트롤러 내부에 DC-DC 스텝 다운 컨버터를 통해 8V의 정격 전압으로 변환

III. Li-Po battery 충전

② Fuel Cell → Super Capacitor (Charge)

그림 24. 충전부 회로(Fuel Cell → Super Capacitor)

I. 연료전지에서 수소와 산소의 전기화학 반응으로 전기 생성

II. (+)선의 경우 Relay09를 통해 제어

III. 10~11V의 전기가 DC-DC 스텝 다운 컨버터를 통해 8V의 정격 전기로 변환

IV. 2Ω의 저항을 통해 전류를 4A로 낮추어 슈퍼캐패시터 충전

나. 방전부 회로 설계

그림 25. 방전부 회로

I. Relay10을 통해 (+)극, Relay11을 통해 (-)극 제어

II. Close : Li-Po Battery를 통해 전력공급

III. Open : 슈퍼캐패시터를 통해 전력공급

다. 제어부

① Relay

I. Relay 09 : 슈퍼캐패시터 충전여부 결정

II. Relay 10 : (+)극 제어

III. Relay 11 : (-)극 제어

② 정차 및 주행 시나리오

표 14 정차 및 주행 중 시나리오

③ Relay 신호

표 15 시나리오별 Relay 신호 (0 : Open, 1 : Close)

라. 전체 회로도

표 16 전체 시스템의 회로도

소프트웨어 설계

가. 방법

표 17 서버 API 통신 구성도

아두이노에서 전압센서로 측정한 슈퍼캐패시터, 배터리에서 측정한 전압 데이터를 Wi-Fi (ESP-01 : ESP8266)모듈을 통해 DB서버로 전송 한다. 센서에서 측정된 데이터가 DB서버에 수집되며, 서버에 수집된 데이터를 정제하여 웹 화면으로 출력한다. 이를 통해 사용자가 추가적인 프로그램 혹은 어플리케이션을 설치하지 않더라도 사용자 인터페이스를 확인할 수 있고, 하이브리드 시스템의 제어가 가능하게 한다.

또한, 사용자 인터페이스 화면에서 에너지 흐름을 변경하였을 때 그 신호를 서버가 수신하여 다시 아두이노 모듈로 전송할 수 있다. 아두이노 모듈은 서버를 통해 들어온 입력값에 따라서 릴레이 모듈에 신호를 보내 출력원의 제어가 가능하며, 하이브리드 시스템의 제어를 할 수 있게 된다.

나. UI

그림 27 에너지 흐름도 및 각 에너지원별 정보 예시 (슈퍼캐패시터를 통해 모터 구동 Case)

4.다.③에서 표시한 각 Relay의 신호에 따른 에너지 흐름도를 인터페이스에 출력한다. 정차 중 시나리오와 주행 중 시나리오 총 6가지의 상황에 대한 다른 에너지 흐름도를 웹 서버에 출력하여 사용자가 확인하고 출력원을 제어할 수 있도록 한다. 추가로 배터리의 현 잔량에 대한 주행가능시간과 슈퍼캐패시터를 사용하였을 때 주행 가능시간을 각각 표시하고, 각 주행 시나리오에 대한 에너지 효율 역시 표시하여 교육에 도움이 될 수 있게 한다.

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

그림 28. 교육용 PEMFC-Battery 하이브리드 RC Car (Prototype)

그림 29. RC Car 동작 상태 UI

포스터

그림 30. 포스터

관련사업비 내역서

표 . 관련사업비 내역서

완료작품의 평가

1) Electronic System

표 22 Electronic System 평가 지표

2) Fuel Cell System

표 23 Fuel Cell System 평가 지표

3) Energy Management System

표 24 Energy Management System 평가 지표

향후계획

본 과제는 PEMFC 스택을 교육용 모형 자동차에 적용하여 리튬폴리머(Li-Po)전지와 하이브리드로 작동하는 Power System을 구축하고, 이를 사용자가 제어할 수 있는 플랫폼을 제작하는 것을 목적으로 하였다. 화석연료 사용에 따른 지구 온난화 현상은 가속화되고 있고, 이로 인해 세계 각국에서는 이산화탄소 규제 정책을 추진하고 있다. 이러한 흐름에 맞춘 친환경 모빌리티에 대한 수요는 빠른 시간 내에 기존 내연 기관을 대체할 것으로 기대된다. 또한 교육 당국의 에너지 전문가 육성 정책 발표 등의 기조를 통해 이러한 친환경 모빌리티 관련 교육의 수요 상승이 예견된다.

본 과제에서는 주 동력원을 배터리로 하고 연료전지는 배터리의 충전원 역할만을 하던 기존 시장의 교육용 친환경 RC카의 한계를 극복하고 실제 차와 동일한 방식인 연료전지와 배터리 두 동력원에서 직접 모터를 구동하는 방식을 구현하는 것뿐 아니라 보다 효율적인 회로, 스택 설계를 통해 에너지 효율이 향상된 교육용 친환경 RC카를 개발하였다.

더불어 실시간으로 배터리와 수소탱크의 잔량, 친환경 모빌리티의 에너지 흐름을 파악할 수 있는 플랫폼을 제공함으로써 사용자에게 보다 높은 교육 효과를 줄 것으로 기대된다.

향후 계획으로 과제 개요에 보다 적합한 수준의 개발품으로 개선되기 위한 요구 사항은 다음과 같다.

(1) 보다 고출력, 저비용의 소형 연료전지 스택 기술 개발이 필요하다. 본 과제에서는 연료전지 스택 출력의 한계로 Super capacitor를 결합하는 차선책으로 직접 모터를 구동하였다. 이는 실제 연료전지 자동차와 차이점이 있는 부분으로 향후 기술 발전을 통해 이를 극복하여야 한다.

(2) 사용자가 직접 각 동력원의 출력 비중과 에너지 흐름을 제어할 수 있는 플랫폼 개발이 필요하다. 본 과제에서는 모터 구동의 최적화를 우선하여 에너지 흐름과 동력원 잔량만을 실시간으로 관찰 가능한 플랫폼을 구현하였다. 사용자가 직접 에너지 출력 비중을 조정하고 이에 따른 에너지 효율, 동작 여부 등을 관찰할 수 있다면 친환경 모빌리티의 작동 방식에 대한 교육 효과를 보다 높일 수 있을 것이고 부수적으로 소프트웨어 제어 역량 향상 또한 기대할 수 있다.

특허 출원 내용

【발명의 명칭】

교육용 연료전지 자동차{FUEL CELL VEHICLES FOR EDUCATION}

【기술분야】

본 발명은 교육용 연료전지 모형 자동차에 관한 것으로, 보다 구체 적으로는 연료전지 단독, 배터리 단독, 연료전지와 배터리 하이브리드로 구동가능 한 모형 자동차이고, 구동 중 실시간으로 에너지 흐름과 각 에너지원의 정보를 모 니터에 출력이 가능한 교육용 모형 자동차에 관한것이다.

【발명의 효과】

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은, 연료전지 자동차의 모든 시 나리오를 구현할 수 있고, 해당 시스템의 구성요소 및 제어회로를 피교육자가 직접 변경할 수 있다. 또한, 와이파이 통신을 통해 현재 시스템의 정보를 실시간으로 화 면을 통해 확인함으로써 연료전지 모빌리티에 대한 신기술의 이해를 높이는데 도움 을 줄 수 있다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 고안의 기술사상의 범주를 이탈하지않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백 한 사실이다.