연료전지는 전기에너지를 저장 가능한 수소로 변환시키고 필요할 때 수소를 사용하여 전기를 공급할 수 있어 환경친화적 지속가능한 에너지 시스템에 필수적이다. 본 연구에서는 재생 고분자전해질 연료전지를 열과 물 관리 기술과 함께 에너지 변환과 저장 기능을 통합한 ...

연료전지는 전기에너지를 저장 가능한 수소로 변환시키고 필요할 때 수소를 사용하여 전기를 공급할 수 있어 환경친화적 지속가능한 에너지 시스템에 필수적이다. 본 연구에서는 재생 고분자전해질 연료전지를 열과 물 관리 기술과 함께 에너지 변환과 저장 기능을 통합한 성능을 최적화시킬 수 있도록 수치해석, 실험적으로 연구하고자 한다. 열과 물 관리 기술에는 연료전지 내 물과 폐열의 회수를 대폭 향상시킬 수 있는 잠열전달법, 연료전지로부터 발생한 온도가 높고 습한 배출 흐름을 냉각기와 반응물로 연료전지에 들어가는 건조한 공기에 전달하는데 사용할 수 있는 멤브레인 기반 물 관리법, 물 응축과 기화를 방지할 수 있는 캐소드 재생법, 열전달 체적을 대폭 줄일 수 있는 마이크로유로 열교환법을 고려하고자 한다. 최상의 시스템을 구축하기 위해 낮은 온도 분위기 하에서 급기를 압축시켜 온도를 높일 수 있는 급기장치, 다양한 가습장치의 조합, 자동차 또는 항공기에서 사용하는 방열기의 마이크로유로기법 등을 추가하여 기술적인 장애를 극복하고자 한다. 재생 고분자전해질 연료전지의 다기관은 새로운 냉각제 통로를 설비할 수 있도록 변형되고, 가역적으로 작동하도록 설계되어진 멤브레인/전극 접합체를 추가함으로써 재생 연료전지 시스템을 구성한다. 성능 시험은 기준선을 정하기 위해 다양한 조건 하에서 단위 셀을 이용하여 수행하고자 한다. 열과 물 관리 시스템은 재생 연료전지의 유동 및 열전달과 함께 수치해석 하고자 한다. 재생 연료전지는 잠열전달법, 멤브레인 기반 물 관리법, 캐소드 재생법, 마이크로유로 열교환기를 구현한 열과 물 관리장치와 함께 통합하여 구성하고 실험적으로 연구하고자 한다. 최적의 통합 시스템은 배열을 효율적으로 이용하여 성능을 극대화시키고 물의 소모와 발생을 조절하여 추가장치가 필요치 않도록 작동한다. 이러한 수치해석 및 실험 결과를 통하여, 재생 고분자전해질 연료전지에 최적의 열과 물 관리법을 제시하고 환경친화적으로 지속가능한 에너지 시스템으로서 실질적인 응용에 필요한 기반정보를 제공하고자 한다.

Fuel cell system, which can convert electrical energy to storable hydrogen and then use hydrogen to provide electricity when needed, is essential to environmentally sustainable energy system. In this study, the regenerative PEM fuel cell system is stu ...

Fuel cell system, which can convert electrical energy to storable hydrogen and then use hydrogen to provide electricity when needed, is essential to environmentally sustainable energy system. In this study, the regenerative PEM fuel cell system is studied numerically and experimentally to be optimized for performance integrating energy conversion and energy storage functions with thermal and water management as follows; latent heat transfer method to greatly improve recovery of water and fuel cell waste heat, membrane-based water management system that can be used to transfer water vapor from the hot and humid exhaust stream from the fuel cell to the cooler and drier stream entering the fuel cell as reactant, cathode recycle approach to avoid water condensation and vaporization, microchannel thermal heat transfer equipment. Regenerative PEM fuel cell manifolding is modified to accomodate new coolant passages and cell flow field structures and membrane electrode assemblies, designed to operate reversibly, are incorporated into the system. Performance testing is initiated using a single cell operating at various conditions to establish baseline. Thermal and water management is simulated with the flow and heat transfer of the integrated system. Regenerative PEM fuel cell is integrated and tested with passive water removal and active cooling. Optimal integration system uses efficiently the waste heat to maximize the performance and balance the water consumption and production to eliminate the need for makeup water. Through this study, we intend to present the positive methods of thermal and water management and the basic information of the environmentally sustainable regenerative PEM fuel cells necessary for the practical application.

2006년 해외방문연구사업을 통하여 초소형 연료전지용 마이크로 연료개질기 부품 개발연구와 관련하여 다음과 같이 세 가지 연구를 진행하였다.
먼저, 마이크로 연료개질기 종류로서 메탄올 자열개질에 대한 연구를 수행하였고, 이에 대한 연구결과는 Journal of Mechan ...

2006년 해외방문연구사업을 통하여 초소형 연료전지용 마이크로 연료개질기 부품 개발연구와 관련하여 다음과 같이 세 가지 연구를 진행하였다.
먼저, 마이크로 연료개질기 종류로서 메탄올 자열개질에 대한 연구를 수행하였고, 이에 대한 연구결과는 Journal of Mechanical Science and Technology Vol. 22 No. 2에 게재되었고, 이 논문을 본 연구과제의 성과물로 등록하였다.
두번째로는, 마이크로 채널에 대한 수치해석을 수행하여 이를 바탕으로 MEMS 기반 초소형 연료전지를 제작하여 성능시험을 수행하였고 이는 계속 연구를 수행할 계획이다. 이 결과는 2nd International Conference on Cooling and Heating Technologies, 제9회 한국MEMS학술대회, EET-2008 European Ele-Drive Conference 등 학술회의에서 논문을 발표하였고, 최종보고서에 연구내용 및 결과를 정리하였다.
세번째로는, 현재 시판 중인 Ballard 사의 NEXA 연료전지를 자동차에 적용하기 위하여 Single, Dual로 운전하면서 이에 부하변동에 따른 제어방법을 모색하였고, 이 연구결과들은 현재 논문을 정리 중에 있으며 최종보고서에 연구내용 및 결과를 정리하였다.

본 해외방문연구사업을 통하여 얻은 연구결과들을 통하여 다음과 같은 후속연구를 수행하거나 신청 중에 있으며, 이를 통하여 우리나라 에너지 관련 인재양성과 연구 및 산업기술의 국제적 위상을 높이고자 한다.

1. 한국과학영재학교 R&E 프로그램, 환경보호를 위한 ...

본 해외방문연구사업을 통하여 얻은 연구결과들을 통하여 다음과 같은 후속연구를 수행하거나 신청 중에 있으며, 이를 통하여 우리나라 에너지 관련 인재양성과 연구 및 산업기술의 국제적 위상을 높이고자 한다.

1. 한국과학영재학교 R&E 프로그램, 환경보호를 위한 차세대 에너지 연료전지 연구개발, 2007-2009, 과학기술부 (수행 중).

2. 특정기초연구사업, 환경친화적으로 지속가능한 재생 고분자전해질 연료전지 시스템의 열과 물 관리 기반연구, 2008-2013, 과학재단 (신청 중).

3. 에너지기술개발사업, 1-고분자전해질 연료전지의 가역반응을 이용한 수소생산 및 발전시스템 개발, 2-경남 김해시 태양광 - 수소연료전지 복합 발전시스템 최적화 모델 개발, 3-석탄 가스화에서 CO2 흡착반응에 의한 고농도 수소제조장치 개발, 2008-2011, 산업자원부

본 연구를 바탕으로 위와 같은 교육 및 연구개발 사업에 지속적으로 참여하고, 교육에 활용하고자 한다.