무인항공기를 위한 화학수소화물 기반 고분자 전해질 막 연료전지 시스템의 설계 및 성능평가

Abstract

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.