저가형 전해조 장치와 DC-DC 컨버터를 이용한 수소발생시스템

Abstract

본 논문은 알칼리 용액을 이용하여 수소를 생산하는 전기분해시스템에 관한 것이며 구성으로 전기분해 원리를 이용하여 수소를 발생하는 전해조 장치와 이 전해조 장치에 필요 전력을 공급하는 전력공급장치의 저비용, 소형화 개발에 관한 방법을 제안한다. 전해조 장치 개발에 있어 저가격의 다공성 니켈폼을 이용하여 니켈전극을 설계하고 니켈전극을 이용해 단위셀을 구성하고 단위셀을 적층하여 전기분해를 수행하는 스택을 제작한다. 전해조 장치에는 알칼리 용액을 전기분해 하는 스택과 발생된 수소, 산소 가스를 모으는 기수분리기를 설치되고 전기분해 시 순환하여 소모되는 전해액을 공급할 수 있는 저수조가 설치된다. 그리고 전해액의 원활한 순환을 위해 펌프를 설치하고 전해액의 온도 제어를 위해 히터가 설치된다. 전력변환장치는 전해조 장치에 전력을 공급하기 위해 5kW급으로 설계된다.전력변환창치 설계에 있어 전해조 장치와 함께 구성되어야 하므로 제품의 크기를 줄이는 영역에 중점을 둔다. 따라서 전력변환장치의 소형화를 위해 전력변환 장치 중 가장 크고 무거운 변압기와 출력단 LC 필터 사이즈를 최소화 하기 위해 스위칭 주파수가 50kHz로 설정된다. 스위칭 주파수를 50kHz로 동작시키기 위해 스위치 소자로 IGBT는 동작주파수에 제한이 있어 MOSFET이 선택된다. 토폴로지는 전력변환용량과 사용상의 안정성을 고려하여 입력과 출력이 절연되고, 효율이 가장 우수한 풀브릿지 DC-DC 컨버터로 선택하여 적용한다. 전력변환 장치의 제작 전 적용된 컨버터의 시뮬레이션을 통해 토폴로지의 유효성을 검증하고 LC 필터의 값을 선정한다. 설계 제작된 전력변환장치는 실험을 통해 검증되며 제작된 전해조 장치의 스택을 통해 수소의 생산을 검증한다.