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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김태규
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 조선대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수33
이 논문의 연구 히스토리 (5)
2014
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Design and performance evaluation of PEMFC system based on chemical hydride for UAV applications
본 논문에서는 무인항공기를 위한 연료전지 시스템을 설계하였다. 대부분의 무인시스템은 2차 전지를 기반으로 제작되어있는데, 이들 2차 전지를 전력원으로 사용 할 경우 낮은 에너지 밀도로 인해 작동시간이 제한된다. 해서 본 논문에서는 에너지 밀도가 높은 고분자 전해질 막 연료전지를 통해서 상용의 무인항공기 시스템보다 높은 작동시간을 가지는 시스템을 설계하였다. 특히 본 시스템에서는 고분자 전해질 막 연료전지를 활용하였다. PEMFC는 작동온도가 낮고 전해질이 고체이며 소형화하기에 용이하기 때문에 본 시스템에 적합하다고 판단하였다.
본 시스템을 활용하기 위해 두가지를 실험하였는데, 먼저 과전류 제어기를 통해 고분자 전해질 막 연료전지 (Polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC) 내부를 가습하는 연구를 수행하였다. 대체적으로 연료전지는 별도의 외부 가습장치를 통해서 연료전지 내부가 건조해지는 것을 방지한다. 게다가 무인항공기에서는 습도조절이 더욱 더 중요한데, 이는 비행고도에 따른 비등점의 변화로 인해 연료전지 내부가 쉽게 건조해질 수 있기 때문이다.
연료전지 내부 전해질 막의 가습을 위해서 과전류를 발생시키고 연료전지의 출력을 향상시키는 것을 목표로 다음과 같은 실험을 수행하였다. 과전류 제어를 위한 회로를 포함하여 연료전지 제어기가 제작되었고, 추가적으로 배터리를 연결하여 과전류 제어를 할 때 발생하는 전압강하를 보조하는 역할을 하게 된다.
과전류 발생기에서 알고리즘 수정을 통해 과전류 발생 주기와 간격을 조정하며 그에 따른 연료전지 성능변화를 측정하였다. 실험결과로 과전류 발생 제어를 통해서 출력이 최대 16% 향상되는 것을 확인하였다.
두 번째로 무인 시스템을 위한 화학 수소화물 기반의 소형 연료전지 시스템을 제작하였다. 기본적으로 연료전지는 수소를 연료로 하여 전력을 생산한다. 이를 위한 다양한 수소공급방식이 있으나 그 대부분이 시스템의 복잡성과 무게가 증가하는 등 소형화에 부적합하다고 판단하였다. 따라서 화학 수소화물을 기반으로 한 수소 저장방식이 채택되었고, 그 중에서 가격이 저렴하고 수소저장밀도가 10.8%인 수소화 붕소나트륨을 선정하였다.
이러한 화학 수소화물은 기본적으로 가수분해반응을 통해서 수소를 생성하게 된다. 하지만 가수분해반응 만으로는 안정적인 전력생산을 위한 수소유량공급에 부적합하다고 판단하여 Co-B/Ni촉매를 활용하였다. 안정작인 수소유량공급을 위해 일체형 수소발생기를 제작하였다. 그 외에도 펌프와 밸브를 통해서 연료를 공급하고 NaBO2를 배출하게 된다.
본 시스템을 통해서 수소 발생기의 성능을 검증하고 나아가 100W급 연료전지를 통해서 수소 공급 성능 및 수소 순도를 평가하였다.
본 논문에서는 무인항공기를 위한 연료전지 시스템을 설계하였다. 대부분의 무인시스템은 2차 전지를 기반으로 제작되어있는데, 이들 2차 전지를 전력원으로 사용 할 경우 낮은 에너지 밀도로 인해 작동시간이 제한된다. 해서 본 논문에서는 에너지 밀도가 높은 고분자 전해질 막 연료전지를 통해서 상용의 무인항공기 시스템보다 높은 작동시간을 가지는 시스템을 설계하였다. 특히 본 시스템에서는 고분자 전해질 막 연료전지를 활용하였다. PEMFC는 작동온도가 낮고 전해질이 고체이며 소형화하기에 용이하기 때문에 본 시스템에 적합하다고 판단하였다.
본 시스템을 활용하기 위해 두가지를 실험하였는데, 먼저 과전류 제어기를 통해 고분자 전해질 막 연료전지 (Polymer electrolyte membrane fuel cell; PEMFC) 내부를 가습하는 연구를 수행하였다. 대체적으로 연료전지는 별도의 외부 가습장치를 통해서 연료전지 내부가 건조해지는 것을 방지한다. 게다가 무인항공기에서는 습도조절이 더욱 더 중요한데, 이는 비행고도에 따른 비등점의 변화로 인해 연료전지 내부가 쉽게 건조해질 수 있기 때문이다.
연료전지 내부 전해질 막의 가습을 위해서 과전류를 발생시키고 연료전지의 출력을 향상시키는 것을 목표로 다음과 같은 실험을 수행하였다. 과전류 제어를 위한 회로를 포함하여 연료전지 제어기가 제작되었고, 추가적으로 배터리를 연결하여 과전류 제어를 할 때 발생하는 전압강하를 보조하는 역할을 하게 된다.
과전류 발생기에서 알고리즘 수정을 통해 과전류 발생 주기와 간격을 조정하며 그에 따른 연료전지 성능변화를 측정하였다. 실험결과로 과전류 발생 제어를 통해서 출력이 최대 16% 향상되는 것을 확인하였다.
두 번째로 무인 시스템을 위한 화학 수소화물 기반의 소형 연료전지 시스템을 제작하였다. 기본적으로 연료전지는 수소를 연료로 하여 전력을 생산한다. 이를 위한 다양한 수소공급방식이 있으나 그 대부분이 시스템의 복잡성과 무게가 증가하는 등 소형화에 부적합하다고 판단하였다. 따라서 화학 수소화물을 기반으로 한 수소 저장방식이 채택되었고, 그 중에서 가격이 저렴하고 수소저장밀도가 10.8%인 수소화 붕소나트륨을 선정하였다.
이러한 화학 수소화물은 기본적으로 가수분해반응을 통해서 수소를 생성하게 된다. 하지만 가수분해반응 만으로는 안정적인 전력생산을 위한 수소유량공급에 부적합하다고 판단하여 Co-B/Ni촉매를 활용하였다. 안정작인 수소유량공급을 위해 일체형 수소발생기를 제작하였다. 그 외에도 펌프와 밸브를 통해서 연료를 공급하고 NaBO2를 배출하게 된다.
본 시스템을 통해서 수소 발생기의 성능을 검증하고 나아가 100W급 연료전지를 통해서 수소 공급 성능 및 수소 순도를 평가하였다.
목차
LIST OF FIGURES - iiiLIST OF TABLES - vNOMENCLATURE - viABSTRACT - viiiI. Introduction 1A. Active humidification of PEMFC using short circuit control 1B. Chemical hydride hydrogen storage for compact PEMFC system 5II. Experiments 8A. FC control system 8B. Compact PEMFC system design 12C. Operating mechanism 16D. FC system performance and suitability evaluation 18III. Results and discussion 21A. Effect of controlling cooling fans and anode Purging Valve 21B. Performance improvement using short circuit technique 25C. Performance of hydrogen generator 31D. Operating characteristics during the long-term test 34E. Integrated performance with 100 W PEMFC 36IV. Conclusion 39References 41
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