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.

표 1 수소저장합금의 종류

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.

표

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.

표

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.

표

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

내용

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

내용

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

내용

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

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