수 kW급 연료전지 스택을 이용한 연료전지 자동차의 운전특성

오인환, 안상열, 조장호, 조성아, 신석재, 하흥용, 홍성안, 임태원*

한국과학기술연구원 전지·연료전지연구센터

* 현대자동차(주) 선행기술연구소

Performance of the Fuel Cell Vehicle Powered by a Multi-kW Class PEMFC Stack

I.-H Oh, S.-Y. Ahn, J.-H. Jo, S.-A. Cho, S.-J. Shin, H.Y. Ha, S.-A. Hong,

and T.W. Lim*

Battery and Fuel Cell Research Center, KIST

* Advanced Research Group, Hyundai Motor Company

서론

고분자전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell; PEMFC)는 다른 연료전지에 비해 출력밀도가 높고, 스택의 구조가 간단하며, 운전 중에 전해질의 손실이나 누출이 없는 동시에 운전 시작시간과 응답특성이 빠르고, 수명이 길며 또한, 휘발유, 메탄올, 천연가스 등의 다양한 연료를 사용할 수 있는 장점이 있어서 차세대 무공해 자동차의 동력원으로 가장 적당한 것으로 알려져 있다[1,2]. 따라서, 전세계의 유명 자동차 회사들은 2000년대 중반 연료전지를 장착한 상용차의 양산을 목표로 하여 경쟁적으로 연료전지 자동차 개발에 박차를 가하고 있다[3]. 예를 들어, Daimler-Chrysler와 Ford 그리고 Ballard Power Systems의 3사는 콘소시엄을 구성하여 2004년까지 년간 40,000대의 연료전지 상용차를 생산할 계획을 갖고 있다. 이러한 연료전지 자동차들은 연료전지 단독보다는 이차전지나 Ultra Capacitor 등의 보조동력원을 같이 병행하여 사용하는 하이브리드 형태로 개발되고 있다.

국내에서는 산업자원부와 과학기술부의 지원하에 1998년 11월에 시작된 G7 차세대 자동차기술개발사업에서 2002년까지 25kW급의 연료전지 자동차를 개발하는 것으로 되어 있다. KIST의 전지·연료전지 연구센터에서는 현대자동차와 함께 이 사업에 참여하여 PEMFC 스택 제작을 위한 기반기술을 개발 중에 있으며 1999년 3kW급 스택을 제작, 운전한 바 있다[4]. 이러한 연구개발사업과 병행하여 본 연구팀에서는 6kW급 PEMFC 스택을 장착한 연료전지/배터리 하이브리드 연료전지 자동차를 개발하였다. 본 논문에서는 6kW급 연료전지 스택의 성능과 이 연료전지 스택을 이용한 연료전지 자동차의 운전특성을 정리하였다.

실험

40% Pt/C 촉매, Nafion 용액, 그리고 용매로 구성된 촉매 잉크를 탄소종이 위에 도포함으로서  240cm2 크기의 전극을 제조하였다. Nafion 115 전해질 막과 제조된 전극을 140℃에서 열압착하여 전해질막-전극 결합체 (MEA)를 제조하였으며 스택은 단위전지 100장을 적층하여 제작하였다.

연료전지 자동차는 5인승 골프카트를 개조하여 제작하였으며, 그림 1에 도시된 바와 같이 연료전지 스택, 운전장치, 배터리, DC/DC 전환기, 직류모터 등으로 구성되어 있다. 연료 및 산화제로는 10L 짜리 알루미늄 실린더에 저장된 압축수소와 압축산소를 사용하였다.

결과 및 토론

그림 2는 100셀 연료전지 스택의 운전특성을 나타낸 것이다. 스택성능은 60V (0.6V/cell)에서 104.8 A (436mA/cm2)로서 6.3kW의 비교적 낮은 값을 나타냈는데, 이것은 스택의 운전조건이 외부 가습기온도 28℃, 스택온도 60℃, 연료이용율 0.8 등과 같이 매우 열악한 조건이었기 때문으로 보인다. 그림2의 성능곡선은 연료전지 스택을 자동차에 장착하여 운전하는 조건에서의 스택성능을 알아보기 위한 것으로, 본 연료전지 자동차의 직류모터 소비전력이 1∼2kW이므로 70V (32.2A, 2.25kW)의 출력조건에서 운전이 가능할 것으로 예측되었다.

그림 3은 상기 스택을 장착한 연료전지/배터리 하이브리드 자동차 시험차로서 5인승 골프카트를 개조하여 2인승으로 제작하였으며 20km/hr의 속도로 약 2시간 주행할 수 있도록 하였다. 연료전지 스택을 운전하기 위한 스택운전 장치는 PLC를 이용하여 자동으로 작동되도록 하였다. 기체유량의 제어, 스택온도 조절을 위한 냉각팬의 제어 및 냉각수의 순환 등이 유기적으로 연결되어 조작되도록 프로그램을 구성하였고, 연료 부족, 수소 누출, 스택 과열 등의 비정상적인 운전 시에는 수소공급이 차단되거나 부하가 단절되도록 설계되었다. 보조동력원인 배터리의 용량은 48V, 60Ah이었다.

연료전지의 전압은 부하에 따라 변화하기 때문에 일정한 전압이 모터에 공급되도록 DC/DC 전환기를 시스템에 맞게 제작하였다. 시동을 걸때와 차가 처음 출발할 때는 배터리의 출력을 사용하고, 일반적인 정속 주행 시에는 연료전지와 배터리의 출력을 동시에 사용하도록 하였다. 또한, 가속기 페달을 떼거나 멈추어 있는 경우에는 연료전지에서 배터리로 전기가 공급되어 배터리가 충전되도록 하였다.

그림 4는 연료전지 자동차를 연속 주행할 때 연료전지에서 공급되는 전압, 전류의 변화를 직류모터에서 소요되는 전압, 전류와 20분간 비교한 것이다. 직류모터에서 소요되는 전류에서 스택전류를 빼면 배터리에서 공급되는 전류가 된다. 0-2분, 6-7분, 11-12분, 16.5-19분 등의 정차시에는 스택전압은 약 82V, 스택전류는 6A로서 배터리에 충전이 진행되었으며 3.5-5분, 10-11분, 13.5-16.5분 사이의 주행시는 스택전압이 약 50V, 스택전류가 약 20A로 약 1kW의 출력을 내어 직류모터에서 요구하는 총출력의 약 50%를 담당하였다. 그림 2에 의하면 스택전압이 50V일 때 스택전류는 100A 이상을 뽑을 수 있으나 주행 중의 스택온도가 상온으로 유지되어 스택출력이 낮은 것으로 나타났다. 향후 스택온도를 높여 주행시험을 수행할 계획이다. 그외 가속시 요구되는 고출력은 주로 배터리에 의존하였다.

결론

유효전극면적이 240cm2인 단위전지를 100장 적층한 연료전지 스택을 제작하여 60℃, 상압에서 운전한 결과 약 6.3kW의 성능을 얻었다. 제작된 스택을 연료전지 자동차 동력원에 사용하기 위하여 연료전지 스택, 자동운전장치, 수소/산소 실린더, 배터리, DC/DC 전환기, 직류모터 등으로 구성된 연료전지/배터리 하이브리드 자동차를 제작하여 운전한 결과 장착된 수소연료로 약 2시간 동안 주행할 수 있었으며 최대속도는 20km/hr였다. 이러한 기술들은 향후 연료전지 상용차 개발에 적용될 수 있을 것으로 보인다.

참고문헌

1. L. J. M. J. Blomen and M. N. Mugerwa, "Fuel Cell Systems", Plenum Press, New York, 1993.

2. K. Kordesch and G. Simader, "Fuel Cells and Their Applications", VCH, Weinheim, Germany, 1996.

3. 오인환, 하흥용, 이태희, 화학공업과 기술, 16 (5), 431 (1998).

4. 최형준, 안상열, 조성아, 이정규, 심중표, 차석렬, 하흥용, 홍성안, 임태원, 오인환, 화학공학, 38 (4), 550 (2000).

Fig. 1. Conceptual diagram of the fuel cell vehicle.

Fig. 2. Performance of the 100-cell stack

(T=60℃, P=1atm, UO2=0.4, UH2=0.8).

Fig. 3. Remodeled golf cart with a PEMFC stack.

Fig. 4. Power evolution of the fuel cell during

the fuel cell vehicle driving.