A hydrogen energy storage system for portable/mobile applications with an unprecedentedly high energy density was developed in this work. The developed system does not require an infrastructure to supply hydrogen over 100 bar or liquefied hydrogen and can be charged in various environments without replacing the hydrogen storage medium. In particular, an application-oriented design and system integration strategy were developed to maximize the energy density while incorporating conventional technologies for the electrolyzer (Ely), the metal hydride (MH), and the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). To improve both the energy density and the usability of the system, we divided the charging component and the discharging component in a conventional regenerative fuel cell system composed of a closed cycle of "electricity supply-hydrogen production-hydrogen storage-electricity production." The charging component supplies hydrogen to the discharging component and consists of the Ely and the MH cooling system as one system. The discharging component supplies electricity to the application and is composed of the MH, the PEMFC, and the power conditioning system (PCS) as one system.
To utilize an MH as an energy storage medium in the portable/mobile field, we studied how to store and release hydrogen with high efficiency and maximize the electric energy density. The hydrogen absorption/desorption characteristics and durability of MHs were investigated to select a suitable MH for the system. In particular, to solve the heat transfer problem, which has been a bottleneck of existing MH technology, a quantitative thermal management method was applied. As a result, the MH charging time was reduced to 1/4 of the conventional charging time. Finite element method (FEM) analysis and engineering scale-up process development were conducted to increase the system capacity. A total of four versions of MH tanks for prototype systems were manufactured, and the design reproducibility was confirmed.
The energy conversion system was developed to efficiently convert the stored hydrogen energy into electrical energy. By introducing the fuel utilization control method of the self-humidifying PEMFC stack, the FC efficiency was improved by 4.6%p. Hybrid operation in which the PEMFC takes the baseload under maximum efficiency conditions and the battery takes the variable load was used. The load-following characteristics under various load conditions were confirmed while maintaining maximum discharge efficiency.
A prototype of the charging and discharging components was developed. The charging component can supply hydrogen at a pressure of 30 bar at 99.999% of purity with a flow rate of 0.5 $Nm^3/hr$. The discharging component provides a nominal power output of $31.5 W_e$ at 12 $V_{DC}$ for 38 hours, with one recharge. We find it significant that the discharging component shows an energy density of $410 W_eh/L$, which is twice that of the world's best Li-battery module at the 2.9-L level. Based on these results, the proposed system was confirmed to have potential for use in mobile/portable applications.
본 연구에서는 기존 에너지저장시스템 대비 월등한 에너지밀도를 갖는 포터블/모바일 어플리케이션용 수소 에너지저장시스템을 개발하고자 한다. 또한, 수소를 활용함에도 불구하고 수소 충전을 위한 100 bar 이상의 고압 혹은 액화수소 공급을 위한 인프라가 필요 없으며, 수소저장매체의 교체없이 다양한 환경에서 수소 충전이 가능한 시스템을 목표로 한다. 이를 위해 수전해, 수소저장합금, 연료전지를 활용하여 어플리케이션에 적용 가능한 요소기술 별 설계기술을 도입하였고 컴포넌트 간의 연계 전략을 개발하였다. 특히, 에너지밀도를 향상시키고 활용성을 극대화 하기 위해“전기공급-수소생산-수소저장-전기생산”의 사이클을 이루는 기존의 수소 에너지시스템에서 충전부와 방전부를 나누는 아이디어를 새로이 제안하였다. 충전부는 수전해조와 방전부 도킹모듈이 하나의 시스템으로 구성되어 수소를 공급한다. 방전부는 수소저장합금, 연료전지, 파워 컨디셔닝 시스템이 하나의 시스템으로 구성되어 어플리케이션에 전력을 공급한다.
기존 고정형/발전용 분야에 주로 이용되어온 수소저장합금을 포터블/모바일 분야에서 에너지저장매체로 활용하기 위해 고효율로 수소를 저장/방출할 수 있으면서 에너지저장밀도를 최대화 하기 위한 연구를 진행하였다. 온도, 압력에 따른 합금 별 수소 충,방전 특성, 내구성을 파악하여 시스템에 적합한 합금 물질을 선정하였다. 기존 수소저장합금 기술의 병목으로 자리잡고 있던 열전달 문제를 해결하기 위해 열저항 차수비교법 기반의 열관리 방법을 개발하였다. 부피를 최대한 적게 희생하면서 열관리 성능을 최대화 할 수 있는 설계안을 도입하여 충전속도를 기존 대비 1/4 수준으로 줄일 수 있었다. 유한요소기법과 설계공정 개발을 통해 시스템을 스케일업하는 설계안을 도출하였으며, 총 4 버전의 수소저장합금 시스템을 제작하여 설계 재현성을 확인하였다.
저장된 수소에너지를 효율적으로 전기에너지로 변환하기 위한 에너지전환시스템을 개발하였다. 자가가습 PEMFC 스택의 연료 이용률을 효과적으로 개선하여 연료전지 효율을 기존대비 4.6%p 향상시킬 수 있었다. 또한 시스템 요구조건과 폼팩터를 만족시키는 파워컨디셔닝시스템인 컨트롤러, DC/DC 컨버터, 배터리를 설계/개발 하였다. 연료전지-파워컨디셔닝시스템 간의 고효율 하이브리드 연계 운전전략 도입을 통해 다양한 부하변동 조건에서의 부하추종 특성을 확인하였다.
최종적으로 프로토타입 충전부와 방전부 시스템을 개발하였다. 충전부는 99.999%의 수소 순도를 30 bar의 압력, $0.5 Nm^3/hr$의 유량으로 공급할 수 있다. 방전부는 연료전지 ($50 W_e$), 수소저장합금 (900 NL), 파워 컨디셔닝 시스템간의 열적, 물리적, 전기적 연계를 통해 하나의 시스템으로 통합 개발되었다. 방전부는 1회 충전으로 38 시간 동안 12 $V_{DC}$ 의 전압으로 정격 전력 $31.5 W_e$ 을 공급할 수 있으며, $410 W_eh/L$의 에너지밀도를 갖는다. 이는 2.9 L 스케일의 시스템 레벨에서 세계최고수준의 Li 배터리 에너지밀도의 2배 이상의 수치이며, 이를 통해 본 제안 기술의 포터블/모바일 어플리케이션으로의 적용가능성을 확인하였다.
