A hydrogen generator for 500 W PEM fuel cell was developed and evaluated. Catalytic
hydrolysis of NaBH4 solution was used for the hydrogen source to keep the power system compact enough for an unmanned aerial vehicle. Cobalt and phosphorus coated nickel foam was used as the hydrolysis catalyst. To be used as the power source of an unmanned aerial vehicle, the catalytic reactor must start instantly and must be light weight and compact. In addition to quick start, re-starting characteristics must be considered as well depending on the mission profile of the unmanned aerial vehicle powered by the PEM fuel cell.
A 500 W PEM fuel cell stack requires hydrogen at 6.5 liter/min. The liquid fuel flow rate entering the catalytic reactor is 12.7 ml/min. Although the hydrolysis of NaBH4 is an exothermic process, the high liquid fuel flow rate prevents the warming up of the catalyst bed for operating temperature. Preliminary performance evaluation of the catalytic reactor resulted in slow start-up of the reaction. Gradual increase of the liquid fuel flow rate expedited the start-up time to the range allowable for the preparation of the flight. Parametric study with the scheme of flow rate increase as a parameter was conducted and best scheme was determined. Re-starting characteristics of the catalytic reactor was investigated as a part of the start-up process. Delay in re-starting time was insignificant even when borate poisoned catalyst after initial operation.
The design requirement for the catalyst bed is that the catalyst surface areas must be sufficiently large to digest the flow rate of the fuel. the overall size of the catalyst bed must be compact in order to package it in the crowded void space of the fuselage of the small unmanned aerial vehicle. Parametric study was carried out to determine the design of the catalyst bed. Cross section of model reactors were varied as maximum hydrogen generation rates were calculated. Catalytic reactor for 500 W PEM fuel cell was built and the design procedure was validated.
Finally, the endurance of the catalytic reactor was tested in a scheme; two-hour operation, two-hour rest, then, two-hour operation again. The rising time of both operating mode was about 2 and a half minute, which was acceptable for an unmanned aerial vehicle mission. Hydrogen generation efficiency was 94% in the first operation, but decreased to 81.6% in the second operation after two hour pause. precipitation of the borate on catalyst surface resulted in the decrease of hydrogen generation efficiency.
A 500 W PEM fuel cell was operated using the fabricated catalytic reactor. The fuel cell system showed stable operation for 100 minutes producing net electrical power of 750 Wh.
500 W PEM 연료 전지를 위한 수소 발생기를 제작하고 성능평가를 수행했다. NaBH4의 촉매 가수분해를 통한 수소공급 방식은 소형 무인기의 동력시스템 구성을 위해 활용되어 왔다. 니켈 발포 위에 코발트와 인 성분이 도금된 Co-P/Ni foam을 NaBH4 가수분해용 촉매로 사용하였다. 무인기용 연료전지 시스템에 활용되기 위해, 촉매 반응기는 시동특성이 우수해야 하며, 부피가 작고 무게가 가벼워야 한다. 재시동 특성은 시동 특성의 한 갈래로써, 무인기의 임무에 따라 중요해질 수 있으므로 역시 고려되어야 한다.
500 W PEM 연료전지 구동을 위해서는 6.5 L/min의 수소공급률이 요구된다. 이에 대응하여 촉매 반응기에는 12.7 ml/min의 NaBH4 수용액이 공급되어야 한다. 비록 NaBH4 가수분해 반응이 발열 반응이지만, 위와 같은 고유량의 NaBH4 수용액 유입은 촉매 반응기의 온도 상승을 억제하고 원활한 구동을 방해한다. 모델 촉매 반응기를 통한 예비 성능 평가에서 느린 시동특성을 확인하였다. 점진적으로 NaBH4 수용액의 유량을 증가시킴으로써 시동 특성을 개선하였고, 이는 무인기 운용에 적합한 수준이였다. NaBH4 수용액 유량 변화를 통한 매개변수 연구를 수행하였고, 최적의 시동 조건을 확립하였다. 촉매 반응기의 재시동 특성을 측정하였다. 부산물인 보레이트가 과다 석출되는 조건에서도 재시동 특성은 적정 수준을 보였다.
소형 무인기용 연료전지를 위한 촉매 반응기 설계 시, 요구되는 NaBH4 수용액 유량을 충분히 분해할 수 있는 부피를 고려해야 한다. 동시에 협소한 기체 공간에 장착될 수 있도록 적절한 부피로 설계해야 한다. 모델 반응기의 단면적 변화를 통한 매개변수 연구를 수행하였고, 각각의 경우에서 얻을 수 있는 최대 수소발생률을 도출하였다. 이를 기초로 500 W급 촉매 반응기를 제작하고, 설계 타당성을 검증하였다.
500 W급 촉매 반응기의 장기 구동 실험을 수행하였다. 2시간 구동-2시간 휴지-2시간 재구동 과정을 수행하였다. 각 구동 과정에서의 시동 시간은 2분 30초로 무인기 운용에 적합한 수준이였다. 수소 발생 효율은 첫 번째 구동에서 94%, 재구동 과정에서 81.6%를 기록하였다. 반응기 내 과다 석출된 보레이트가 수소 발생 효율을 저하시켰다.
500 W급 촉매 반응기와 PEM 연료전지의 연동 실험을 수행하였다. 100분 동안 연료전지의 안정적인 구동을 확인하였고 생성 전력은 총 750 Wh 였다.
