고체상태 NaBH4 수소발생 및 연료전지 무인기 시스템 적용연구

Abstract

최근 많은 국가 및 연구소에서 무인기의 체공시간을 증가시키기 위해 다양한 연구가 진행 중이다. 무인기의 체공시간을 증가시키기 위해 제일 먼저 접근하는 방법은 동력원에 대한 개선이다. 무인기의 동력원으로 사용되고 있는 내연기관 및 화석연료는 상용화가 되어있는 장점이 있지만, 내연기관은 에너지 변환과정에서 발생하는 에너지손실에 의한 한계와 화석연료에서 배출되는 오염물질로 인해 2차 전지를 이용한 방식으로 대체하고 있다. 하지만 2차전지의 경우 위에서 언급한 내연기관의 문제를 개선할 수 있지만, 에너지밀도를 증가시키기는 것에 한계가 있어 무인기의 체공시간을 증대시키기에는 적합하지 않다. 따라서 이러한 2차전지의 문제점을 해결하고자 다양한 연구가 진행 중이다. 그 중 연료전지는 2차전지보다 에너지밀도가 높은 장점이 있으며 화학적 에너지를 전기적 에너지로 직접 변환하기에 에너지 변환 효율이 높은 장점이 있다. 이러한 장점을 가진 연료전지를 무인기의 동력원으로 적용하면 기존의 제한된 무인항공기의 체공시간을 증가시킬 수 있다. 연료전지의 에너지밀도를 결정하는 것은 연료전지 자체가 아닌 연료전지의 연료인 수소를 저장 및 공급하는 방식을 합쳐서 결정된다. 따라서 수소 저장 및 공급 방식을 연료전지를 적용한 무인기의 목적에 맞게 사용해야한다. 수소를 저장하는 방식에는 압축, 액화, 금속수소화물, 화학수소화물 등 다양한 방식이 있다. 그 중 화학수소화물은 상온에서 고체상태로 저장되기에 운반 및 취급에 용이한 장점이 있으며, 다양한 화학수소화물중 NaBH4는 10.6 wt.%라는 높은 수소저장밀도를 가지는 장점이 있다. 이러한 수소 저장 밀도는 연료전지의 에너지밀도를 더욱 증가시킬 수 있는 요인이기에 본 연구에서 수소 저장 및 공급원으로서 선정하였다. NaBH4에서 수소를 발생시키는 방법에는 NaBH4 수용액과 촉매를 이용한 방식이 있다. 하지만 이러한 방식은 NaBH4 용해도 문제와 장기간 저장이 어려운 단점이 있어 연료전지 에너지밀도를 증가시키는 데에는 적합하지 않다. 따라서 기존에 선행 된 연구인 고체상태의 NaBH4에서 HCl 수용액을 사용하여 직접 수소를 분해시키는 방법을 사용하였다. HCl 수용액을 이용하여 NaBH4를 직접 분해하면 빠른 수소발생 특성과 NaBH4 수용액의 문제점을 해결할 수 있지만, HCl의 낮은 pH에 의한 특성으로 부식에 대한 문제가 있다. 이 문제를 개선하기 위해 HCl 수용액에서 N 농도를 감소시키면 반응에 기여하지 않는 과량의물 증가로 수소발생효율이 감소하게 된다. 즉 저장된 수소양 대비 발생된 수소양이 감소하기에 에너지밀도가 감소하게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 HCl 수용액이 NaBH4와 반응하면 NaCl로 결합되는 특성과 HCl 수용액에서 반응에 기여하지 않는 과량의 물 개선하기 위해 CoCl2를 HCl 수용액에 첨가하여 분해제를 조성하였다. 조성한 분해제를 바탕으로 NaBH4 수소발생실험을 진행하였으며, 실험결과를 서술 하였다.