유기냉매 랭킨사이클과 결합된 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 성능에 관한 연구

Abstract

효율이 높고, 친환경적이며 작동 온도가 낮은 고분자 전해질막 연료전지에 대한 관심이 증가하고 있다. 이에 따라 연료전지 성능 향상에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있다. 본 연구에서는 가변압 시스템이 적용된 고분자 전해질막 연료전지 시스템의 성능에 대한 연구와 연료전지에서 발생되는 미활용 열을 이용하기 위한 폐열 회수 시스템의 제안 및 효율 향상에 관한 연구를 수행하였다. 먼저 압력에 따른 연료전지의 영향을 정확하게 분석하기 위해, 압력이 고분자막을 통한 물질 이동에 미치는 영향에 대해 알아보았다. 고분자 막을 통한 물의 이동을 크게 수증기와 물로 구분한 뒤 확산, 대류, 모세관으로 구동력을 나누어 넘어가는 양을 계산하였다. 습도가 높고, 온도가 높으며, 압력이 낮은 경우 더욱 많은 양의 물이 넘어가는 것을 확인할 수 있었다. 해당 식을 통하여 스택에 대한 모델링을 수행한 경우, 물이 많이 발생하는 조건에서도 비교적 정확하게 성능을 예측할 수 있었다. 이를 이용하여, 가변압 연료전지 시스템에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 해당 시스템에서 압력은 블로어의 속도와 배압밸브의 각도로 제어되는데, 이들 관계에 의해서 당량비와 스택 입구 습도도 영향을 받는다. 압력이 높을수록 시스템의 성능이 높아지지만, 입구 측 습도의 저하와 증가하는 소모동력 때문에, 1.6 bar정도에서 최고의 출력을 낼 수 있다. 속도에 따른 연료전지 시스템의 성능 맵을 분석하면, 전구간에서 고출력은 블로어의 속도가 빠르고, 배압밸브의 각도가 작은 곳에서 얻을 수 있고, 높은 효율은 속도가 느리고, 각도가 큰 곳에서 얻을 수 있다. 연료전지의 저온 폐열을 회수하기 위한 유기냉매 랭킨 사이클의 경우, 냉매는 R245fa가 사용되었다. 시스템은 80도에서 최대 4% 정도의 효율을 낼 수 있었으며, 이 때 생성 전력은 270 W 정도이다. 주어진 온도에서 효율을 높이기 위해 다양한 타입의 팽창기에 대한 연구도 수행하였다. 로터리베인, 로터리 엔진, 스크롤 타입의 팽창기에 대해 연구를 수행하였는데, 로터리 베인의 경우, 낮은 엔탈피차이에서도 작동이 가능하다는 장점이 있었다. 스크롤 팽창기의 경우, 가장 큰 출력을 낼 수 있었고, 로터리 엔진 타입의 경우 앞선 두 팽창기의 중간 정도의 특징을 지녔다. 마지막으로, 연료전지 시스템과 유기냉매 랭킨사이클을 결합한 복합 시스템을 구성하여 작동조건의 최적화를 통해 복합 시스템의 효율을 높이기 위한 연구를 수행하였다. 전류밀도가 증가함에 따라서 연료전지 시스템의 작동 압력은 낮아지고, 유기냉매 랭킨 사이클의 압력은 높게 유지하는 것이 복합 시스템의 성능 향상을 위해 유리하다는 것을 확인할 수 있었다. 향후 저온 폐열을 활용할 수 있는 복합 시스템에 대한 연구가 더욱 진전된다면, 에너지를 더욱 효율적으로 사용할 수 있을 뿐 아니라, 환경적으로도 도움을 주어, 지속 가능한 개발을 가능하게 할 수 있다.