그림 1-1-1. 화석연료 사용에 의한 이산화탄소 방출량(1750-2000년). 13

그림 1-1-2. 수백 W급 연료전지의 적용 분야. 15

그림 1-1-3. 연료전지 시스템의 중량 비교 (일정 에너지량 저장 기준). 15

그림 1-1-4. 오토바이 오염물질 배출량 비교. 17

그림 1-1-5. 한강 시민 공원 순찰용 무공해 전기 이륜차. 18

그림 1-2-1. 직접메탄올 연료전지(800 W급) 하이브리드 시스템의 개략도. 19

그림 1-2-2. 직접메탄올 연료전지의 발전 원리. 21

그림 1-2-3. 연료전지 시스템 구성도. 22

그림 1-2-4. 모터 구동을 위한 동력 분배 모드 : 연료전지 모드. 23

그림 1-2-5. 모터 구동을 위한 동력 분배 모드 : 연료전지-배터리 방전 병행 모드. 23

그림 1-2-6. DC/DC 컨버터 충전 제어. 24

그림 1-2-7. BMS 구성도. 25

그림 1-2-8. 하이브리드 스쿠터 구성도. 26

그림 1-2-9. 연료전지와 스쿠터 요구동력과의 관계에 따라 작동하는 시스템 흐름도.(연료전지의 발전량 ＞ 스크터 요구 동력) 26

그림 1-2-10. 연료전지와 스쿠터 요구동력과의 관계에 따라 작동하는 시스템 흐름도.(연료전지의 발전량 ＜ 스쿠터 요구동력) 27

그림 2-1-1. 직접메탄올 연료전지 진공 청소기(200 W, KIER) 28

그림 3-1-2. 노트북 PC용 스택(70 W, LG화학 & KIER) 29

그림 2-1-3. NaBH₄ 수소저장법을 이용한 연료전지 스쿠터(삼성엔지니어링(주) & KIST) 29

그림 2-2-1. Juelich 연구소의 직접메탄올 연료전지 장착 스쿠터 디자인 및 목표 사양 33

그림 2-2-2. Vectrix사의 직접메탄올 연료전지 Scooter 및 직접메탄올 연료전지 시스템. 33

그림 2-2-3. 직접메탄올 연료전지 시스템을 적용한 Yamaha 모터사이클 "FC06" 34

그림 3-1-1. 가스 확산층 제작을 위한 탄소 슬러리 도포 공정도. 39

그림 3-1-2. 기재별 가스 확산층의 pore 분포. 40

그림 3-1-3. 공기의 유량변화에 따른 공기극 가스 확산층과 MEA 성능과의 관계.(활성 면적 : 9 ㎠, 70 ℃, 1 M MeOH (λ=2.5), Air) 41

그림 3-1-4. 150 ㎠의 MEA의 메탄올 용액 및 공기 유량에 따른 전류-전압 특성.(활성 면적 : 150 ㎠, 1 M MeOH, Air, 70 ℃) 43

그림 3-1-5. 메탄올 및 공기 유량에 따른 각 셀의 출력 특성.(활성 면적 : 150 ㎠, 1 M MeOH, Air, 70 ℃) 43

그림 3-1-6. 메탄올 및 공기 유량에 따른 각 셀의 출력 특성.(활성 면적 : 150 ㎠, 1 M MeOH, Air, 73 ℃) 44

그림 3-1-7. 상용 MEA vs. J-15W MEA를 장착한 스택의 전류-전압 특성.(활성 면적 : 150 ㎠, 1 M MeOH λ=3, Air λ=3, 70 ℃) 44

그림 3-1-8. 기준전극을 장착한 투명 셀. 45

그림 3-1-9. 투명창 셀의 I-V 분극 곡선. 46

그림 3-1-10. Tafel slope 변화(전체 전압 기준). 46

그림 3-1-11. 각 전극 전압과 Tafel slope간 상관 관계. 47

그림 3-1-12. 온도 변화에 따른 potential 변화. 47

그림 3-1-13. 연료극 potential과 공기극 potential의 비. 49

그림 3-1-14. 산소 유속에 따른 potential 변화. 49

그림 3-1-15. 공기극 gas 가습 조건에 따른 성능 변화. 50

그림 3-1-16. 공기극 gas 가습 조건에 따른 공기극/연료극의 potential 변화. 50

그림 3-1-17. 연료전지용 분리판의 재료. 53

그림 3-1-18. 다양한 형태의 유로 형상. 54

그림 3-1-19. 다양한 공기극 채널 깊이에서의 단위전지 성능. 56

그림 3-1-20. 다양한 채널에서 동일한 선속도를 이용한 단위전지 성능. 57

그림 3-1-21. back pressure가 단위전지 성능에 미치는 영향. 58

그림 3-1-22. 일정 양론비에서 채널 깊이에 따른 성능 변화. 59

그림 3-1-23. 다양한 채널에서의 100 mA/㎠ 정전류 실험 (양론비, λ=2) 60

그림 3-1-24. 공기극 채널 깊이에 따른 정전류 실험 (투명셀, 공기 100 sccm). 62

그림 3-1-25. 공기극 채널 깊이에 따른 생성물 거동.(a) 1.0 mm, (b) 0.5 mm (1 M MeOH 5 cc/min, 무가습 공기 100 sccm) 63

그림 3-1-26. 공기극 채널 깊이에 따른 정전류 실험.(투명셀, 공기 500 sccm). 64

그림 3-1-27. 공기극 채널 깊이에 따른 생성물 거동. (a) 1.0 mm, (b) 0.5 mm. (1 M MeOH 5 cc/min, 무가습 공기 500 sccm) 65

그림 3-1-28. 연료극 채널 깊이에 따른 장전류 실험.(1 M MeOH 1 cc/min, 공기 500 sccm) 66

그림 3-1-29. 연료극 채널 깊이에 따른 생성물 거동. (a) 1.0 mm, (b) 0.5 mm. (1 M MeOH 1 cc/min, 무가습 공기 500 sccm) 67

그림 3-1-30. 분리판의 채널 깊이에 따른 단위전지 성능. (0.5 M MeOH 3 cc/min, 무가습 공기 300 sccm) 68

그림 3-1-31. 양극의 채널 깊이 0.5 mm인 단위전지의 장기성능. (0.5 M MeOH 3 cc/min, 무가습 공기 450 sccm) 68

그림 3-1-32. 단위전지 성능.(유로 깊이 : 0.5 mm, 전극 면적 : 138 ㎠, λ = 3) 69

그림 3-1-33. 물의 흐름 현상을 관찰하기 위한 간단한 압력 측정 장치. 71

그림 3-1-34. 대면적 분리판. 72

그림 3-1-35. 150 ㎠ 전극면적을 갖는 단위전지의 I-V 성능 곡선.(1 M MeOH 24 cc/min, Air 2.5 l/min) 74

그림 3-1-36. 공기극 채널 line 수에 따른 압력 강하. 74

그림 3-1-37. 5-cell short stack의 I-V-P 곡선. 75

그림 3-1-38. 5-cell 스택의 셀별 전압 분포. 76

그림 3-1-39. 부하전류 변화에 따른 압력 강하. 78

그림 3-1-40. 화학 양론비에 따른 스택 특성. 79

그림 3-1-41. 400 W급 직접메탄올 연료전지 스택 외형. 80

그림 3-1-42. 공기 공급 장치의 종류. 82

그림 3-1-43. 블로워 압력 강하에 따라 유량 감소. 82

그림 3-1-44. 채널에서의 압력 강하 일례. 83

그림 3-1-45. 스쿠터용 스택의 공기 공급 장치. 83

그림 3-1-46. 800 W급 시스템의 물질 수지식. 85

그림 3-1-47. 직접메탄올 연료전지 시스템 구성도. 85

그림 3-1-48. 메탄올 공급제어 디스플레이 화면. 86

그림 3-1-49. 직접메탄올 연료전지 연료전지의 전산모사 모형도. 87

그림 3-1-50. 전산모사에 의한 메탄올 농도변화 추이 해석. 87

그림 3-1-51. 메탄올 연료공급 제어시스템 구성도. 88

그림 3-1-52. 수직 배열 시 메탄올 농도 변화 데이터.(λ=1(1 M MeOH 20 ml), 물 50 ml/min 첨가 시 메탄올 센서의 농도변화 경향) 88

그림 3-1-53. 수평 배열 시 물량 변화에 따른 메탄올 농도변화 데이터. 90

그림 3-1-54. 연료 공급량 변화에 따른 메탄올 농도 운전 변화. 91

그림 3-1-55. 연료 공급량 변화에 따른 메탄올 농도 운전 변화. 91

그림 3-1-56. 연료 공급량 변화에 따른 메탄올 농도 운전 변화. 91

그림 3-1-57. BOP 제어기 설계도 및 제어보드. 92

그림 3-1-58. 소형 직접메탄올 연료전지. 92

그림 3-1-59. BOP 제어 보드 적용 결과. 92

그림 3-1-60. 이차전지 에너지 밀도. 93

그림 3-1-61. 단위전지 고율 방전 평가. 94

그림 3-1-62. 3S6P 조합방식. 95

그림 3-1-63. 직병렬 조합 지그. 95

그림 3-1-64. 배터리 직, 병렬 조합 및 특성 평가. 96

그림 3-1-65. 조합방식에 따른 각 셀 전압 분포. 96

그림 3-1-66. 배터리 팩. 97

그림 3-1-66. 충전 전류별 용량.(충전전압 : 31 V (CC-CV 충전) / 충전종료 전류: 1.4 A / 22 ℃) 98

그림 3-1-68. 방전 전류 별 용량.(방전 종료 전압 : 20 V / 정전류 방전 / 22 ℃) 98

그림 3-1-69. 방전 시 배터리 팩 온도 변화. 99

그림 3-1-70. life cycle. 99

그림 3-1-71. 보호회로 회로도와 사진. 100

그림 3-1-72. 보호회로를 부착한 800W 배터리 팩. 100

그림 3-1-73. 충전 전류별(보호회로 부착) 용량.(충전전압 : 31 V (CC-CV 충전) / 충전종료 전류: 1.4 A / 22 ℃) 101

그림 3-1-74. 방전 전류별(보호회로 부착) 용량.(방전종료 전압 : 20 V / 정전류 방전 / 22 ℃) 102

그림 3-1-75. 방전 시 배터리 팩(보호회로 부착) 온도 변화. 102

그림 3-1-76. life cycle (보호회로 부착). 103

그림 3-1-77. 각 직렬 그룹별 전압 추이. 103

그림 3-1-78. 각 직렬 그룹별 전압 추이. 104

그림 3-1-79. BMS 블록도. 105

그림 3-1-80. BMS 회로도 및 실제 모습. 105

그림 3-1-81. 직접메탄올 연료전지 하이브리드 시스템 블록도. 106

그림 3-1-82. 모의실험 장치 설계도 및 장치 사진. 107

그림 3-1-83. 모의실험 장치 프로그램. 107

그림 3-1-84. 스쿠터 시작품 제작 및 주행 특성 실험. 108

그림 3-1-85. Riding Position. 108

그림 3-1-85. 스쿠터 구조도. 109

그림 3-1-87. 스쿠터 디자인. 110

그림 3-1-88. SF-50R 주행성능 곡선 특성도. 111

그림 3-1-89. SF-50R 구동력(T/F)에 대한 주행저항력(F)이 갖는 비율 분석. 111

그림 3-1-90. SB-50M 주행성능 곡선 특성도. 112

그림 3-1-91. SB-50M 구동력(T/F)에 대한 주행저항력(F)이 갖는 비율 분석. 112

그림 3-1-92. SF-100 주행성능 곡선 특성도. 113

그림 3-1-93. SF-100 주행성능 곡선 특성도. 113

그림 3-1-94. KR-110 주행성능 곡선 특성도. 114

그림 3-1-95. KR-110 구동력(T/F)에 대한 주행저항력(F)이 갖는 비율 분석. 114

그림 3-1-96. 전기 이륜차 주행성능 곡선 특성도. 115

그림 3-1-97. 전기 이륜차 구동력(T/F)에 대한 주행저항력(F)이 갖는 비율로 분석. 115

그림 3-1-98. S&T 모터스 주행성능 곡선 특성도. 116

그림 3-1-99. S&T 모터스 구동력(T/F)에 대한 주행저항력(F)이 갖는 비율 분석. 116

그림 3-1-100. Frame 3D Drawing. 117

그림 3-1-101. 스쿠터 시제품의 Frame 및 FRP 제작. 118

그림 3-1-102. 시제품 3D Drawing. 118

그림 3-1-103. 완성된 시제품. 119

그림 3-1-104. 동특성 결과. 119

그림 3-1-105. Axial형 전동기의 내부 구조. 120

그림 3-2-1. 카본 블랙. 122

그림 3-2-2. MPL용 탄소 슬러리 제조 공정. 123

그림 3-2-3. 다중 구조의 가스 확산층을 갖는 전극 설계. 124

그림 3-3-4. 다중 구조를 갖는 가스 확산층의 명명법. 125

그림 3-2-5. Coater의 도포 및 rewinding부. 125

그림 3-2-6. Coater 건조부 및 소성부의 온도 분포도. 126

그림 3-2-7. MD/TD 방향에 대한 두께 편차 (PWC 20a). 127

그림 3-2-8. MD/TD 방향에 대한 두께 편차 (PWC 20a/PtRu). 128

그림 3-2-9. MPL 1 중의 카본 블랙과 Pore 분포의 관계. 129

그림 3-2-10. MPL 1 중의 카본 블랙과 기체투과도의 관계. 129

그림 3-2-11. MPL 표면에서 물 배출 특성. 130

그림 3-2-12. 가스 화산층 구조별 flow (PWC 20x). 131

그림 3-2-13. Pt 촉매의 입도 분포. 133

그림 3-2-14. PtRu 촉매의 입도 분포. 134

그림 3-2-15. 본 연구에서 제조한 전극 사진. 136

그림 3-2-16. 보호필름을 이용한 MEA 구조 개선. 137

그림 3-2-17. 연료극의 가스 확산층 변화에 따른 MEA의 특성.(150 ㎠, 1 M MeOH, Air, 80 ℃) 138

그림 3-2-18. 공기극의 가스 확산층 구조 변화에 따른 MEA의 특성.(150 ㎠, 1 M MeOH, Air, 80 ℃) 139

그림 3-2-19. 공기극의 가스 확산층 구조 변화에 따른 MEA특성.(CC mode, 150 ㎠, 1 M MeOH, Air, 70 ℃) 139

그림 3-2-20. 공기 공급량에 따른 MEA 특성. 140

그림 3-2-21. 가스 확산층 종류 및 특성. 141

그림 3-2-22. 전류에 따른 차압 변화. 142

그림 3-2-23. 친수성 및 극 소수성 MEA에 대한 (차압/성능)비. 143

그림 3-2-24. 채널 내부 유체 방출에 대한 시각적 관찰. 144

그림 3-2-25. Net water transport coefficient. 145

그림 3-2-26. #2 MEA vs. #4 MEA 성능 비교. 146

그림 3-2-27. #1 MEA vs. #2 MEA 성능 비교. 146

그림 3-2-28. net water transport coefficient 비교. 147

그림 3-2-29. 공기극에서의 메탄올 산화 flux. 147

그림 3-2-30. 공기극에서의 물 투과 flux. 147

그립 3-2-31. net water transport coefficient에 따른 전극 내부에서의 water mole fraction 분포. 148

그림 3-2-32. 채널 내부의 속도장 분포. 148

그림 3-2-33. 공기극 채널 깊이, 앙론비에 따른 성능 분석 (채널 수 9, #2 MEA). 150

그림 3-2-34. 공기극 채널 깊이에 따른 차압 변화 (채널 수 9, #2 MEA). 151

그림 3-2-35. 분리판의 성능 및 차압 측정 (공기극 채럴 수 11, 질이 0.5 mm). 153

그림 3-2-36. 분리판의 성능 및 차압 측정 (공기극 채널 수 9, 깊이 0.5 mm). 154

그림 3-2-37. 분리판의 성능 및 차압 측정 (공기극 채널 수 9, 깊이 0.8 mm). 155

그림 3-2-38. 면압지를 이용한 집천체와 분리판의 압착 균일성 확인. 156

그림 3-2-39. 아크릴 판을 사용하여 채널 깊이 0.5 mm의 투명 분리판. 156

그림 3-2-40. 투명 분리판을 이용한 MEA의 유동 현상. 157

그림 3-2-41. 전산모사를 위한 gorverning equations. 157

그림 3-2-42. 전산모사를 통한 분리판의 3D mesh. 158

그림 3-2-43. λ=3일 때의 채널의 압력 분포 전산모사. 158

그림 3-2-44. 유량 및 채널 구조 따른 압력 분포의 전산모사. 158

그림 3-2-45. 스택 구성요소 및 완성된 숏스택. 160

그림 3-2-46. 온도에 따른 숏스택의 성능 및 차압 측정.(연료극 : 1 M 메탄올 λ = 3으로 공급, 공기극 : 무가습 공기 λ = 3으로 공급) 160

그림 3-3-47. 숏스택 성능 측정 및 출력밀도 계산.(1 M 메탄올 λ = 6, 무가습 공기 λ = 6) 161

그림 3-3-48. 숏스택 내구성 테스트.(1 M 메탄올 λ=3, 무가습 공기 λ6, 정전류 15 A) 161

그림 3-2-49. 5단 숏스택에서 각 셀의 성능 변화. 162

그림 3-2-50. 400 W급 스택 (1차)의 성능 분석 및 차압 측정. 162

그림 3-2-51. 양론비에 따른 스택 성능 변화. 164

그림 3-2-52. 양론비에 따른 연료 효율. 166

그림 3-2-53. 집전봉 집전식에서의 전압 분포 및 전자 이동 경로. 167

그림 3-2-54. 집전판 집전식에서의 전압 분포 및 전자 이동 경로. 168

그림 3-2-55. 150 ㎠ 단위 전지의 성능. 170

그림 3-2-56. 5 셀 스택의 성능 및 압력 강하. 170

그림 3-2-57. 협진 MEA를 이용한 4-cell 스택의 I-V-P 곡선. 171

그림 3-2-58. 4-cell 스택의 셀별 전압. 171

그림 3-2-59. 2차 400 W급 스택. 172

그림 3-2-60. 제작한 스택의 I-V 곡선과 성능 곡선. 172

그림 3-2-61. 스택의 개회로 전압 및 11 A~15 A의 부하를 주었을 때 각 셀의 전압. 173

그림 3-2-62. 5셀 스택의 연속운전. 174

그림 3-2-63. 블로워. 175

그림 3-2-64. 블로워의 특성 곡선. 175

그림 3-2-65. 연료 공급 통합 제어 시스템. 177

그림 3-2-66. 농도 제어 알고리즘. 177

그림 3-2-67. 물 및 희석 탱크. 179

그림 3-2-68. 열교환기 형상 및 설계 도면. 180

그림 3-2-69. 제어 시스템 기능 및 구성 요소. 180

그림 3-2-70. 연료 농도 제어를 위한 시스템 구성. 182

그림 3-2-71. 희석 탱크의 연결 라인. 182

그림 3-2-72. 농도 제어 확인(일정 전압). 182

그림 3-2-73. 연료 공급 시스템 및 구성품. 183

그림 3-2-74. 농도 제어 : 8 V (MeOH (0.7-1.5 M, λ=1.5), 산소 (λ=1)). 184

그림 3-2-75. 400 W 스택 시스템의 물질 수지식. 184

그림 3-2-76. 메탄올 농도 제어 운전 - 400 W. 185

그림 3-2-77. 연료희석장치 (중앙) 및 연료공급 제어보드(우측 상단). 187

그림 3-2-78. 공기 블로워. 188

그림 3-2-79. 배터리 팩. 188

그림 3-2-80. PCM 기능을 포함한 BMS. 189

그림 3-2-81. PCM의 충전 차단 평가. 190

그림 3-2-82. PCM의 방전 차단 평가. 190

그림 3-2-83. 충전 전류 별 용량 (Without PCM).(충전전압 : 42 V (CC-CV 충전), 충전 종료 전류: 1.4 A, 22 ℃) 191

그림 3-2-84. 방전 전류별 용량 (Without PCM).(방전 종료 전압 : 24 V, 정전류 방전, 22 ℃) 191

그림 3-2-85. 충전 전류별 용량 (With PCM).(충전전압 : 42 V (CC-CV 충전), 충전 종료 전류: 1.4 A, 22 ℃) 192

그림 3-2-86. 방전 전류별 용량 (With PCM).(방전 종료 전압 : 24 V, 정전류 방전, 22 ℃) 192

그림 3-2-87. Life cycle 평가. 193

그림 3-2-88. BMS 내부 구성도. 193

그림 3-2-89. BMS 결선도. 195

그림 3-3-90. BMS 동작 파형. 196

그림 3-2-91. 방전 시 배터리 팩의 온도. 196

그림 3-2-92. 방전 시 BMS의 방전 FET 온도. 197

그림 3-2-93. Channel 별 전압. 198

그림 3-2-94. Thermal Shock Tester. 198

그림 3-2-95. 0.3 C 충·방전 평가 결과. 199

그림 3-2-96. Temp. & Humidity Chamber. 199

그림 3-2-97. 테스트 후의 배터리(외관의 변형 및 발화 없음). 199

그림 3-2-98. 진동 테스터. 200

그림 3-2-99. A사의 리튬이온 배터리의 실제 모습 & Dimension. 200

그림 3-2-100. C-rate별 방전 실험 결과. 201

그림 3-3-101. 1,000회 life cycle 실험 결과. 202

그림 3-2-102. 하이브리드 시스템 구성도. 202

그림 3-2-103. DC/DC 컨버터. 203

그림 3-2-104. BOP 구동용 DC/DC 컨버터. 203

그림 3-2-105. 모터, 인버터 및 모터 제어기 구성도. 204

그림 3-2-106. 모터 제어기. 204

그림 3-2-107. 전력 스위칭부와 스위칭 보드. 205

그림 3-2-108. 전력 스위칭부 및 제어기 구성도. 205

그림 3-2-109. BOP 구동용 24 V DC/DC 컨버터. 206

그림 3-2-110. BOP 구동용 12 V DC/DC 컨버터. 206

그림 3-2-111. 고전압 영역대 DC/DC 컨버터. 207

그림 3-2-112. 저전압 영역대 DC/DC 컨버터. 207

그림 3-2-113. Hybrid 동력 System의 구성도. 208

그림 3-2-114. Basic Lay-Out. 209

그림 3-2-115. Idea Sketch - Back Bone. 209

그림 3-2-116. Idea Sketch - Single Cradle. 209

그림 3-2-117. Idea Sketch - Double Cradle. 210

그림 3-2-118. 스쿠터 제원 설정. 210

그림 3-2-119. 3D 프레임 설계 형상. 211

그림 3-2-120. 제작된 기본 레이아웃 프레임. 211

그림 3-2-121. 디자인 1. 212

그림 3-2-122. 디자인 2. 212

그림 3-2-123. 디자인 3. 213

그림 3-2-124. 라이딩 포지션 및 공기 흐름도. 213

그림 3-2-125. 시스템 배치도. 214

그림 3-2-126. 스쿠터 분해도. 214

그림 3-2-127. 스쿠터 세부 부품. 215

그림 3-2-128. 400 W 급 모터의 부하 특성. 216

그림 3-2-129. 하이브리드 시스템을 탑재한 스쿠터. 216

그림 3-2-130. 스쿠터 시제품 제작. 217

그림 3-2-131. 시제품 3D Drawing. 217

그림 3-2-132. 완성된 시제품. 218

그림 3-3-133. 연료전지 스쿠터 실 주행 평가. 218

그림 3-2-134. 스쿠터의 실 주행 평가(온도). 219

그림 3-2-135. 스쿠터의 실 주행 평가(성능). 219

그림 3-3-1. 가스 확산층의 두께 및 areal weight 편차. 220

그림 3-3-2. 기체 투과도가 향상된 가스 확산층 및 전극. 220

그림 3-3-3. 전극의 두께 편차. 221

그림 3-3-4. 온도에 따른 성능 그래프. 222

그림 3-3-5. MEA의 lot 내 편차. 223

그림 3-3-6. 500시간 연속 운전. 223

그림 3-3-7. 전산모사의 지배 방정식. 225

그림 3-3-8. 물질전달 영역의 지배방정식. 226

그림 3-3-9. 포화도 변화에 따른 촉매층의 전류밀도 변화. 229

그림 3-3-10. 포화도 변화에 따른 촉매층 단면에서의 산소 분포. 229

그림 3-3-11. saturation 변화에 따른 water mass fraction distribution. 230

그림 3-3-12. 유로에서의 water mass fraction distribution. 231

그림 3-3-13. 유로에서의 oxygen mass fraction distribution. 231

그림 3-3-14. 계산된 I-V curve, #4 MEA (소수성 연료극-소수성 공기극). 232

그림 3-3-15. 측정된 I-V curve, #4 MEA (소수성 연료극-소수성 공기극). 232

그림 3-3-16. 출구 위치별 계산된 응축수량. 233

그림 3-3-17. 유로내부 속도장. 233

그림 3-3-18. 유로 내부 액적 분포. 234

그림 3-3-19. 500시간 장기 테스트 후 MEA 분할. 236

그림 3-3-20. 대면적 MEA의 분할 후 각 셀의 성능 평가. 238

그림 3-3-21. 각 MEA의 공기극 촉매에 대한 CV 분석. 238

그림 3-3-22. 각 MEA의 XRD 분석. 240

그림 3-3-23. 각 MEA의 단면에 대한 활성 면적 분석. 241

그림 3-3-24. 분리판 위치별 MEA 성능 평가를 위한 분할전지 사진. 242

그림 3-3-25. 직접메탄올 연료전지 분리판의 위치별 전류 분포. 243

그림 3-3-26. 곡사형과 섬형의 유로가 혼합된 분리판 유로 구조 도안. 244

그림 3-3-27. 곡사형과 섬형이 혼합되어 있는 여러 가지 유로 구조. 245

그림 3-3-28. 다양한 혼합 유로를 갖는 분리판의 연료전지 성능. 246

그림 3-3-29. 곡사형과 삼형의 유로가 혼합되어 있는 혼합 섬형 1 분리판. 246

그림 3-3-30. 혼합 섬형1 유로를 갖는 분리판의 양론비에 따른 성능 및 압력 강하. 248

그림 3-3-31. 산에 도랑이 형성된 다양한 유로 구조. 249

그림 3-3-32. 3-cell 스택의 성능 및 전류에 따른 압력 변화. 250

그림 3-3-33. 3-cell 스택의 장기 운전 중 처음 6시간 동안의 성능 변화. 251

그림 3-3-34. 7 시간 운전 후 공기 유량 변화에 따른 3-cell 스택의 성능 변화. 252

그림 3-3-35. 3-cell 스택에서 전류 및 공기 유량 변화에 따른 성능 변화. 253

그림 3-3-36. 3-cell 스택의 각 셀의 성능 변화 : 공기 λ=6, 전류 10 A. 254

그림 3-3-37. 3-cell 스택의 장기 운전 성능 : 공기 λ=6, 전류 10 A. A=정전, B=데이터 저장 장치 오작동으로 데이터 수집 안됨. C=성능 평가 장치 차단 255

그림 3-3-38. 3-cell 스택의 온도 및 압력 변화. 257

그림 3-3-39. 제작한 500 W 급 스택. 258

그림 3-3-40. 서브스택I의 I-V 및 성능 곡선. 258

그림 3-3-41. 서브 스택 I의 개회로 전압 및 10~30 A 부하 시 각 셀의 전압. 259

그림 3-3-42. 서브 스택 I의 연료 및 공기 유량 변화 실험. 259

그림 3-3-43. 서브 스택 I과 서브 스택 II의 성능 곡선. 260

그림 3-3-44. 서브 스택 I의 연료 및 공기 유량 변화 실험. 260

그림 3-3-45. 선정한 블로워를 적용한 스택 성능 시험 결과. 261

그림 3-3-46. 150 ㎠ MEA의 4,000시간 장기 운전 결과. 262

그림 3-3-47. 4,000시간 운전 중 각 시간별로 측정한 I-V 및 성능 곡선. 262

그림 3-3-48. 제작한 800 W급 스택. 263

그림 3-3-49. 제작한 두 스택의 I-V 및 성능 곡선. 264

그림 3-3-50. 스택 II의 공기 유량 및 메탄올 유량 변화 실험 결과. 265

그림 3-3-51. 제작한 두 스택의 개회로 전압 및 10~25 A의 부하 시 각 셀의 전압. 266

그림 3-3-52. 선정한 블로워 사진. 267

그림 3-3-53. 선정한 블로워의 도면 및 성능 곡선. 267

그림 3-3-54. 공기극 열교환기의 상, 전, 하 사진. 268

그림 3-3-55. 공기극 열교환기 및 기-액 분리기 배치. 269

그림 3-3-56. 2차 공기극 열교환기. 269

그림 3-3-57. 800 W 연료공급제어 시스템 구성도. 270

그림 3-3-58. 800 W 직접메탄올 연료전지를 위한 연료 공급 시스템의 주요 부품. 271

그림 3-3-59. 800 W (400 W x 2기) 직접메탄올 연료전지를 위한 연료 공급 시스템. 272

그림 3-3-60. 연료극 열교환기의 열흐름 산출. 272

그림 3-3-61. 800 W 연료극 열교환기 치수. 273

그림 3-3-62. 제작된 연료극 축소형 열교환기. 274

그림 3-3-63. 열교환기 운전 시험 데이터. 274

그림 3-3-64. 싸이클론 방식의 기-액 분리기 형상 및 도면. 275

그림 3-3-65. 기-액 분리기 형상(2차 선정). 275

그림 3-3-66. 공기극 응축수 탱크(열교환기 후단). 276

그림 3-3-67. 연료전지 BOP 시스템 구성도. 277

그림 3-3-68. 농도별 센서 검출값. 278

그림 3-3-69. 연료극 냉각장치(우측) 및 공기극 냉각장치(좌측). 279

그림 3-3-70. 초기 BOP 제어보드 구성 전체 회로도. 280

그림 3-3-71. 초기 BOP 제어보드 평가 장면 및 제어보드. 281

그림 3-3-72. 제어보드 레이아웃. 281

그림 3-3-73. BOP 제어보드 전체 회로도. 282

그림 3-3-74. 제어보드 CAM파일 및 제작된 PCB. 282

그림 3-3-75. 자동 모드 운전 순서도. 283

그림 3-3-76. 농도 제어 알고리즘. 285

그림 3-3-77. 공기극(좌측), 연료극(우측) 열교환기 동작 순서도. 286

그림 3-3-78. 온도보정 순서도. 286

그림 3-3-79. 스택보호 순서도. 287

그림 3-3-80. 스택 운전 시 온도 측정 모습. 287

그림 3-3-81. 물 공급 순서도(솔레노이드(좌), 펌프(우)). 288

그림 3-3-82. 충·방전 용량 측정 결과. 291

그림 3-3-83. 고율 방전 측정 결과. 291

그림 3-3-84. C-rate별 전압 변화. 292

그림 3-3-85. C-rate별 전압 차. 292

그림 3-3-86. 충·방전 테스트 시 발열 상태. 292

그림 3-3-87. 충·방전 용량 측정 결과. 293

그림 3-3-88. 고율 방전 측정 결과. 294

그림 3-3-89. C-rate별 전압 변화. 294

그림 3-3-90. C-rate별 전압 차. 295

그림 3-3-91. 1.6 kW급 배터리 팩. 295

그림 3-3-92. 12 series로 조합한 배터리 팩. 296

그림 3-3-93. 배터리팩 용량 테스트 결과 (20 A, 0.5 C). 297

그림 3-3-94. 배터리팩 용량 테스트 결과 (40 A, 1 C). 297

그림 3-3-95. 고율방전 용량 테스트 결과. 298

그림 3-3-96. C-rate별 전압 변화. 298

그림 3-3-97. C-rate별 전압 차. 299

그림 3-3-98. 고율 방전 시 배터리팩 온도 변화. 299

그림 3-3-99. 충전 중 전압 변화. 300

그림 3-3-100. 방전 중 전압 변화. 300

그림 3-3-101. 표준 충·방전 시 용량. 301

그림 3-3-102. C-rate별 용량 평가. 301

그림 3-3-103. C-rate별 전압 변화. 302

그림 3-3-104. C-rate별 전압 차. 302

그림 3-3-105. C-rate별 온도 측정. 303

그림 3-3-106. 충전 시작 시 전압 차. 304

그림 3-3-107. 방전 시작 전 전압 차. 304

그림 3-3-108. 단위전지의 온도별 용량 변화. 305

그림 3-3-109. 배터리 팩 온도별 용량 변화. 305

그림 3-3-110. 0.5 C 충·방전 평가. 306

그림 3-3-111. 평가 후의 배터리(변형 및 발화 없음). 307

그림 3-3-112. 3차년도 BMS의 내부 구성도. 308

그림 3-3-113. 서미스터 저항 변화에 따른 온도 특성. 309

그림 3-3-114. 전류 소자의 특성. 310

그림 3-3-115. PCM 부. 310

그림 3-3-116. cell balancing. 312

그림 3-3-117. BMS 흐름도 - Initial Mode. 313

그림 3-3-118. BMS 흐름도 - Limp Mode, Nominal Mode. 313

그림 3-3-119. Master Key Off Mode. 314

그림 3-3-120. 배터리 온도 상승에 따른 fan 동작. 314

그림 3-3-121. SOC estimation chart. 316

그림 3-3-122. SOC Calculation Accuracy. 316

그림 3-3-123. 배터리 팩 & BMS 결합. 317

그림 3-3-124. 고율 방전 시 배터리 팩 각 셀 전압 (BMS without). 318

그림 3-3-125. 고율 방전 시 배터리 팩 각 셀 전압 (BMS with). 318

그림 3-3-126. life cycle (BMS without). 319

그림 3-3-127. life cycle (BMS with). 319

그림 3-3-128. 외부 충전기에 의한 충전 시스템 구성도. 320

그림 3-3-129. 하이브리드 시스템 구성도. 321

그림 3-3-130. DC/DC 컨버터 주회로. 323

그림 3-3-131. DC/DC 컨버터의 제어 블록도. 324

그림 3-3-132. 연료전지 상태에 따른 DC/DC 컨버터 동작 모드. 324

그림 3-3-133. 강제벅 모드를 포함한 모드전환 방법의 순서도. 325

그림 3-3-134. 배터리 충전 시 전압 전류 파형. 326

그림 3-3-135. DC/DC 컨버터의 시스템 구성 블록도. 326

그림 3-3-136. 스쿠터 동작에 따른 DC/DC 컨버터 출력 전압, 전류의 변화 예. 327

그림 3-3-137. 1.0 kW DC/DC 컨버터 기구 설계 사양. 327

그림 3-3-138. 1.0 kW DC/DC 컨버터 각부 회로도. 329

그림 3-3-139. 제작된 1.0 kW DC/DC 컨버터 실물 사진. 331

그림 3-3-140. 초기 기동 시 제어 전원 소비 전류 특성.(최대 소비 전류 : 0.532 mA, 노란색 : 출력 전압, 하늘색 : 제어 전원 전류) 332

그림 3-3-141. 모터 부하에 따른 연료전지 스택 전압 파형(노란색). 333

그림 3-3-142. 연료전지 출력전압 변동 시 전압 파형(노란색). 333

그림 3-3-143. 배터리 충전 전류(강제벅 모드). 334

그림 3-3-144. 배터리 충전 시 연료전지 출력전압 파형(황색) & 출력전류 파형(하늘색). 335

그림 3-3-145. 연료전지 출력전압 변동에 따른 DC/DC컨버터 출력전압 파형(황색). 336

그림 3-3-146. 연료전지와 배터리 하이브리드 시스템 전력분배시험. 338

그림 3-3-147. BOP 구동용 24V DC/DC 컨버터 실장 사진. 339

그림 3-3-148. 보조 납축전지 충전용 12.3 V DC/DC 컨버터. 340

그림 3-3-149. 보조 납축전지. 341

그림 3-3-150. 전력배분회로(PDC) 시스템 구성도. 342

그림 3-3-151. 전력배분회로(PDC) 각 소자 배치 예. 342

그림 3-3-152. PMS 내부 구성도. 343

그림 3-3-153. PMS 회로도. 344

그림 3-3-154. 부품 실장한 PMS 보드 및 스쿠터에 배치한 모습. 345

그림 3-3-155. 전력배분회로(PDC) 동력 전달 모드 : 초기 모드. 346

그림 3-3-156. 전력배분회로(PDC) 동력 전달 모드 : 정상 주행 모드. 347

그림 3-3-157. 전력배분회로(PDC) 동력 전달 모드 : 충전 모드. 347

그림 3-3-158. PMS 순서도 1. 349

그림 3-3-159. PMS 순서도 2. 350

그림 3-3-160. CAN 통신 기본 배선 및 신호. 351

그림 3-3-161. CAN 라인 구성도. 351

그림 3-3-162. 스쿠터 하이브리드 시스템 장착 모습. 354

그림 3-3-163. 보조 납축전지 충전용 DC/DC 컨버터의 부하 변동에 따른 출력전압 변동 특성. 356

그림 3-3-164. 보조 납축전지 충전용 DC/DC 컨버터의 부하 변동에 따른 소비전류 변동 특성. 356

그림 3-3-165. 보조 납축 전지 충전용 DC/DC 컨버터의 부하 변동에 따른 소비전력 변화 특성. 357

그림 3-3-166. 모터 부하전류 변화에 따른 BOP용 DC/DC 컨버터 출력 전압 변화 특성. 357

그림 3-3-167. 모터 부하전류 변화에 따른 BOP용 DC/DC 컨버터 출력전류 변화 특성. 358

그림 3-3-168. 모터 부하전류 변화에 따른 BOP용 DC/DC 컨버터 소비전력 변화 특성. 358

그림 3-3-169. 시제품 lay-out. 359

그림 3-3-170. 시제품 3D. 360

그림 3-3-171. 스쿠터 분해도. 360

그림 3-3-172. 시제품 제작 공정. 362

그림 3-3-173. 완성된 시제품. 362

그림 3-3-174. 주행 평가 모습. 363

그림 3-3-175. 주행 평가 : 실주행 vs. 다이노젯. 363

그림 3-3-176. 5시간 연속 운전. 364

그림 4-1-1. 이륜차 모터쇼 전시 상황. 378

그림 4-1-2. 그린 에너지 엑스포 전시 상황. 379

그림 4-1-3. 신성장동력 박람회 전시 상황. 379

그림 6-1-1. 일본 야마하에서 개발한 DMFC 스쿠트 FC-Dii. 386