무인항공기를 위한 고체 NaBH₄를 이용한 수소 발생 시스템 연구

Abstract

본 논문은 크게 2가지의 주제로 구성되어 있다. 하나는 어떻게 고체 상태의 NaBH₄를 직접 분해하고 어떠한 변수가 수소 발생 성능에 영향을 주는지에 대한 것이며, 다른 하나는 UAV 적용을 위한 고체 상태 NaBH₄수소 발생기 설계 및 성능 평가이다. 연료전지는 화학적 에너지를 연소 및 기계적 에너지 전환 프로세스를 거치지 않고 전기적 에너지로 직접 변환하기 때문에 현재 동력 생산에 사용되는 열 엔진과 같이 카르노 효율과 같은 열역학 법칙에 구속받지 않게 된다. 따라서, 연료전지는 에너지 전환 과정에서 낭비되는 열을 재활용할 경우 높은 에너지 효율을 가지게 된다. 이는 높은 동력 밀도로 하여금 연료전지가 상대적으로 소형의 전기 동력 기관이 될 수 있으며, 적용 대상에 다양한 이득을 줄 수 있음을 의미한다. 뿐만 아니라 연료전지는 통상 운용 조건에서 극도로 정숙하게 작동하기 때문에 정숙하거나 소음이 바람직하지 않는 분야에 적용가능하다. 이러한 이유로 연료전지 동력 시스템은 UAV의 체공 시간을 증가시키고 전장에서 보다 은밀한 작전을 가능하게 한다. 이와 같은 특징으로 인하여 UAV를 위한 연료전지 동력 시스템은 이미 상용화 된 상태이다. 이 상용 연료전지 시스템은 수소 공급을 위해 수소화물-촉매 방식 혹은 압축 수소 용기를 사용하지만, 이러한 수소 발생 및 공급 시스템은 많은 무게 및 안전상 문제점을 내포하게 된다. 수소 생성을 위한 고체 상태 NaBH₄ 직접 분해 방법은 pH와 반감기에 대한 NaBH₄의 물질적 특성을 기반으로 하고 있다. pH를 낮추기 위해 희석된 염산을 사용하면, 반응기에서 수소가 급격하게 발생하며, 수소 발생률은 염산의 농도, 주입속도에 영향을 받지만 반응 온도에 영향을 받지 않는다. 하지만, 발생된 수소에 의해 내부 압력과 공급되는 수소의 유량이 급격하게 변하는 특성을 지니게 된다. 이러한 수소 유량 특성을 안정시키기 위해, 자체 가압식 반응기와 유량/압력 제한 시스템을 고체 상태 NaBH₄를 이용하는 수소 발생기에 적용하였다. 하지만, 압력을 여과하지 않을 경우 공급 압력은 여전히 급격하게 변화하였으며, 압력 여과 방식을 사용할 경우 공급 압력을 안정시킬 수 있어 연료전지의 손상을 방지할 수 있었다. 영하 온도 조건 실험을 위해 산 수용액에 빙결 방지 첨가제를 추가하였다. 고체 상태 NaBH₄와 산을 사용할 경우, 수소 발생 성능이 -35℃에서 변하지 않았다. 고체 상태 NaBH₄를 기반으로 한 수소 발생 및 공급시스템은 온도에 영향을 받지 않기 때문에 미래에 등장할 연료전지 무인기의 운용 범위를 증가시킬 수 있을 것이다. 이와 같은 결과들을 바탕으로 수소 발생 및 공급 시스템을 설계하였고 이에 대한 시스템 성능 평가를 수행하였다.|This paper consists of the two major subjects. One of the subjects is how to direct-decompose the solid-state NaBH4 and which parameters affect the performance of the hydrogen generation. Other one is design and evaluate performance of the solid-state NaBH4 hydrogen generator for UAV applications. Fuel-cells convert chemical energy directly into electrical energy without the combustion and mechanical energy conversion process. As a result, a fuel cell is not governed by thermodynamic laws, such as the Carnot efficiency associated with heat engines, currently used for power generation. So, this can achieve high efficiencies in energy conversion terms, especially where the waste heat from the cell is utilized in cogeneration situation. This means high power density allows fuel cells to be relatively compact source of electric power, beneficial in lots of applications. And due to their nature of operation, are extremely quiet in operation. This allows fuel cells to be used in residential or built-up areas where the noise pollution is undesirable. For this reasons, fuel-cell power system increase the flight endurance of the UAV and achieve more stealthier operations in battlefields. Based on this characteristics, fuel-cell power system was commercialized for UAV application. This commercial system using the hydride-catalyst method or compressed hydrogen bottle for hydrogen supply to fuel-cell. But, this hydrogen generation or supply systems has lots of weight and safety penalties. Direct decomposition method of the solid-state NaBH4 for hydrogen generation was based on physical properties of the NaBH4 between pH and half-life times. When using the diluted hydrochloric acid for decrease the pH, hydrogen was rapidly generated on the reactor. And this hydrogen generation rate was increased with the feed rate and concentration of hydrochloric acid, while not be affected by the reaction temperature. However, internal pressure and flow rate of the generated hydrogen was dramatically changed by hydrogens. For stabilize this flow characteristics, self-pressurized reactor and flow/pressure limitation systems was applied on hydrogen generator what using the solid-state NaBH4. Supply hydrogen flow rate was stabilized by self-pressurized reactor with flow control method. However, supply pressure still dramatically changed without pressure regulation. By using pressure regulating method, supply pressure was stabilized and damage of fuel-cells was prevented. Anti-freezing agent was added to the acid for below zero-temperature condition experiment. Hydrogen generation performance was maintained at -35℃, using the solid-state NaBH4 with acid. Hydrogen generation and supply systems what based on solid-state NaBH4 can increase the operation range of the environments for future fuel-cell UAVs. Because this is not governed by environment. Based on this result, design the hydrogen generation and supply systems and evaluate performance of this systems.