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

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용