1. 서 론 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 문헌 고찰 3. 연구 방법 4. 결과 및 고찰 5. 결 론 사 사FigureTableReference

전 세계적으로 친환경적인 에너지원에 대한 수요가 급증함에 따라, 해운 산업에서도 탄소 배출을 줄이고 지속 가능한 에너지원으로 전환하려는 움직임이 활발히 이루어지고 있다. 기존의 화석연료를 사용하는 선박은 막대한 양의 온실가스를 배출하며, 이로 인해 해양 및 대기 환경에 심각한 영향을 미치고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 국제해 사기구(International Maritime Organization, IMO)를 비롯한 다양한 규제 기관들은 선박의 탄소 배출을 줄이기 위한 규제를 강화하고 있다. IMO의 경우 2023년 해양환경보호위원회 (Marine Environment Protection Committee, MEPC) 80차 회의에서 2050년까지 온실가스 배출량을 2008년 대비 50% 감축의 기존 목표를 수정하여 2050년까지 온실가스 배출 Net-Zero를 새로운 목표로 제시하였다. 이렇게 엄격해지는 규제에 대응하기 위하여 친환경 에너지 기술에 관한 연구가 절실히 요구되고 있다.

특히, 암모니아(NH₃)는 차세대 무탄소 연료로 주목받고 있다. 암모니아는 탄소를 포함하지 않아 연소 과정에서 이 산화탄소(CO₂)를 배출하지 않으며, 비교적 높은 에너지 밀도를 가지고 있어 대규모 운송 및 저장이 용이하다. 또한, 암모니아는 비료의 원료로 장기간 사용되어 왔기 때문에, 이 과정에서 구축된 인프라를 이용해 저장 및 공급이 가능하기 때문에 경제적인 면에서도 유리하다. 그러나 암모니아는 직접 연소 시 질소산화물(NOX)을 다량으로 배출할 수 있어, 이를 수소(H₂)로 변환하여 수소 연료전지(Fuel Cell)의 연료로 사용하는 방식이 선호되고 있다.

암모니아를 수소로 전환하는 개질 기술은 암모니아를 열분해하거나 촉매 반응을 통해 수소를 생성하는 과정으로, 이 수소는 연료전지 시스템을 통해 전력을 생산할 수 있다. 특히 연료전지는 화석 연료 대비 높은 효율성과 무공해 특성을 가지며, 해운 산업에서의 활용 가능성이 매우 크다. 연료전지와 함께 하이브리드 시스템에 사용되는 배터리는 에너지 저장 및 부하 균형 조절에 중요한 역할을 하여, 선박의 효율성을 극대화할 수 있다.

본 연구는 이러한 배경을 바탕으로 암모니아-수소 개질기, 수소 연료전지, 배터리로 구성된 하이브리드 전기 추진 시스템을 적용한 선박의 경사 시험(Heel Test) 결과를 분석하여 시스템의 성능 및 안정성을 평가하는 데 목적을 두고 있다. 이를 통해 해운 산업에서의 암모니아 연료전지 하이브리드 친환경 추진 시스템의 상용화 가능성을 모색하고, 탄소 중립 시대를 대비한 기술적 토대를 마련하고자 한다.

2. 문헌 고찰 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 문헌 고찰 3. 연구 방법 4. 결과 및 고찰 5. 결 론 사 사FigureTableReference

암모니아는 수소를 얻기 위한 주요 대안으로 주목받고 있다. 암모니아-수소 개질기는 암모니아를 수소로 변환하는 장치로, 주로 열분해 또는 촉매 반응을 통해 수소를 생산한다. 이러한 기술들은 이산화탄소를 배출하지 않는 무탄소 수소 생산 경로로 연구되고 있다. 암모니아 분해에 대하여는 전기 화하적, 광 화학적, 열 화학적 경로를 포함한 다양한 공정을 통한 분해에 대한 연구가 수행되었다(Asif et al., 2023).

열분해 방식은 고온에서 암모니아를 열분해하여 수소와 질소로 분해는 방법이다. 암모니아 열분해는 일반적으로 700℃ 이상의 고온이 필요하며, 다음의 반응식을 따른다.

이 방식은 높은 열에너지를 요구하지만, 비교적 간단한 공정으로 수소를 얻을 수 있는 장점이 있다. 최근에는 암모니아 열분해 및 산화 화학에 대해 소개하고 요약하여 풍부하고 빠르게 증가하는 정보 관련 측면에 대한 연구도 수행 되었다(Monge-Palacios et al., 2024).

촉매 개질 방식은 촉매를 사용해 암모니아를 수소로 변환하는 방식이다. 낮은 온도에서 효율적 반응을 유도할 수 있는 철(Fe), 니켈(Ni), 루테늄(Ru) 등을 금속 촉매로 사용한다. 촉매의 선택과 최적화는 수소 생산 효율을 결정하는 중요한 요소이다. 이 방식은 열분해에 비해 낮은 온도(300~500℃)에서 반응이 가능해 에너지 소모를 줄일 수 있다. 최근에는 암모니아 전화 공정에서 비싼 루테늄 대신 니켈(Ni), 코발트 (Co), 란타넘(La)과 같은 다른 대체 물질 적용을 연구하였다 (Yousefi Rizi et al., 2022). 이러한 대체 물질이 암모니아에서 수소를 추출하는 데 동등한 활성을 가진 높은 상업적 잠재력이 있음을 제시하였다.

연료전지는 화석 연료를 대체할 친환경 에너지원으로 해양 산업에서 각광받고 있다. 연료전지는 연료와 산화제의 화학 반응을 통해 전기를 생산하며, 특히 수소 연료전지가 선박의 동력원으로 주목받고 있다. 소형 선박에서는 연료전 지를 사용해 무공해 추진 시스템을 구축하는 연구가 활발하다. 대형 화물선과 해양 플랜트에서는 연료전지를 보조 전 력 시스템으로 활용하는 연구가 진행되고 있다. 연료전지의 무소음 특성 덕분에 조용한 운항이 중요한 군용 잠수함에 적용되고 있다.

해양 연료전지 시스템의 상용화를 위해 다양한 연구가 수행되고 있으며, 연료전지 시스템에 수소, 메탄올, 암모니아와 같은 다양한 연료를 이용한 연구가 수행되었다(Felseghi et al., 2019; Alias et al., 2020; Wang et al., 2022).

연료전지 시스템의 효율성 및 수명 연장은 해양 분야에서 상용화를 위한 중요한 과제이다. 특히, 연료전지의 내구성을 높이고 장시간 운용을 적합하도록 설계하는 연구가 활발하 다. 연료전지의 주요 구성 요소인 촉매와 전해질 막의 성능을 개선하려는 노력이 이어지고 있으며, 이는 선박에서 장시간 높은 출력을 유지하는 데 중요한 요소이다.

하지만 해양 연료전지 시스템의 상용화에는 몇 가지 기술적 과제가 있다. 우선 수소와 같은 연료의 저장 및 공급을 위한 인프라가 해양 분야에서 충분히 갖춰지지 않아 상용화에 제약이 있다. 또한, 연료전지 시스템의 높은 초기 설치 비용과 해양이라는 특수한 환경에서도 연료전지의 안정성과 내구성을 유지하는 등은 앞으로 해결해야 할 중요한 과제이다.

배터리-연료전지 하이브리드 시스템은 배터리와 연료전지를 결합하여 서로의 장점을 극대화하는 방식으로, 해양 분야에서 특히 주목받고 있다. 연료전지는 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변화해 지속적으로 전력을 공급하는 반면, 배터리는 순간적인 전력 수요를 충족할 수 있다. 이 두 시스템을 결합함으로써 연료전지의 안정적이고 장시간 지속 가능한 전력 생산과 배터리의 순간적인 고출력 대응이라는 상호 보완적인 작동을 이끌어낸다. 해양 산업에서는 배터리-연료전지 하이브리드 시스템에 대한 다양한 연구 및 시범 프로젝트를 검토하고 전력 용량, 안전성, 신뢰성, 내구성, 작동성 및 비용과 관련한 과제를 분석하였다(Xing et al., 2021).

배터리-연료전지 하이브리드 시스템의 장점은 에너지 효율성 향상, 부하 관리, 배출가스 저감 등이 있다. 연료전지는 지속적으로 전력을 생산하지만 반응 속도가 느리기 때문에 순간적으로 높은 전력이 필요할 때 효율이 떨어질 수 있다. 이때 배터리가 보완적으로 사용되면 연료전지가 최적 효율 구간에서 사용할 수 있어 에너지 효율성이 향상될 수 있다. 선박의 경우 전력 수요가 급격하게 변하는데, 배터리는 급격한 전력 소모를 감당하고 연료전지는 일정한 전력 출력을 유지하여 시스템의 안정성을 확보함과 동시에 부하를 효율적으로 관리하고 연료 소모를 줄일 수 있다. 배터리-연료전지 하이브리드 시스템을 사용하면 화석 연료 기반의 추진 시스템에 비해 탄소 배출량을 크게 줄일 수 있다. 특히 해양 분야에서 이산화탄소와 질소산화물을 줄이는데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다.

하지만 초기 설치 비용과 효율성에 대한 과제도 남아있다. 배터리-연료전지 하이브리드 시스템은 초기 설치 비용이 높기 때문에 경제성을 확보하기 위한 기술 개발이 필요하다. 이를 위해서는 배터리의 에너지 밀도를 높이고, 연료전지의 효율성을 향상시키기 위한 연구가 필요하다. 또한, 해양 환경에서 장기적으로 사용하기 위한 내구성 개선도 중요한 과제이다.

경사 시험은 선박에 설치된 장비와 시스템이 다양한 경사 상태에서 안전하고 정상적으로 작동하는지 검증하는 중요한 시험이다. 선박은 항해 중 파도, 바람, 하중의 변화 등에 의해 전후 또는 좌우로 경사할 수 있으며, 이런 상황에서 장비의 기능이 저하되거나 고장 나지 않도록 검증하는 것이 필수적이다. 특히, 엔진, 연료전지, 배터리, 전기 시스템 등 주요 장비들은 비상 상황에서도 정상적으로 작동해야 하기 때문에 경사 시험은 선박의 안정성과 승무원의 안전에 큰 영향을 미친다.

경사 시험을 통해 검증하는 사항들은 다음과 같다. 우선 장비가 경사 시 위치를 유지하고, 고정 상태가 견고하게 유지되는지를 통해 장비의 기계적 안정성을 확인한다. 또한, 연료, 냉각수, 윤활유 등의 유체 시스템이 경사 상황에서도 흐름을 유지하는지를 통해 유체 시스템의 기능 유지를 확인 한다. 마지막으로 전기 배선과 전자 장비가 경사 시에도 단락이나 전력 손실 없이 작동하는지를 통해 전기 시스템의 정상 작동 여부를 확인한다.

3. 연구 방법 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 문헌 고찰 3. 연구 방법 4. 결과 및 고찰 5. 결 론 사 사FigureTableReference

3.1 암모니아 개질기 및 연료전지

암모니아 개질기는 암모니아를 연료전지에서 사용 가능한 수소로 분리하는 장치이다. 본 연구에 사용된 암모니아 개질기의 구성품은 기화기, 버너, 암모니아 수소 추출기, 냉각기, 암모니아 흡수기로 구성되어 있다. 추가 장비로는 개질기의 운전 상태 확인과 조정을 위한 암모니아 개질기 컨트롤 패널, 개질된 수소 연료 농도 확인을 위한 수소 농도 검출기, 개질된 수소 연료에 암모니아 함유 여부를 확인할 수 있는 잔류 암모니아 검출기 등이 있다. 암모니아 개질기 시스템은 Fig. 1에 제시하였다.

1단계 암모니아 기화 공정에서 액체 상태로 저장탱크에 저장된 암모니아를 기화시켜 가스 상태로 변환하고 원활한 반응을 위해 예열한다. 2단계 암모니아 분해공정에서는 1단 계에서 기화시킨 기체 암모니아 가스의 분해반응을 통해 암모니아가 질소와 수소로 분해된다. 분해공정은 열분해 방식이며, 이를 위해 LPG 버너를 사용한다. 3단계는 냉각 공정으로 다음 단계인 정화 공정을 위해 분해된 질소와 수소 가스를 상온 상태로 냉각한다. 마지막 4단계는 정화 공정으로 개질 과정에서 분해되지 않은 미반응 암모니아와 분해된 질소를 분리 흡착하여 수소의 순도를 높이는 공정이다.

연료전지는 개질기를 통해 분리된 수소를 사용하여 전기를 생산하는 장치이다. 본 연구에서는 실제 선박 운항에 필요한 동력 공급이 가능한 고효율, 저소음 친환경 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell, PEMFC)를 사용하였다. 연료전지는 연료전지 스택, 연료 공급장치, 공기 공급장치, 냉각장치, 전원 변환 장치, 연료전지 제어시스템으로 구성된다.

연료전지 스택은 수소와 공기 중의 산소를 이용하여 전기 화학적 반응을 통해 전기와 열을 생산하는 장치이며, 연료 공급장치는 개질기로부터 생산된 수소를 공급하는 장치로 밸브와 센서 등으로 구성된다. 공기 공급장치는 연료전지 양극에 공기를 공급함으로써 스택에서 일어나는 전기화학 반응에 필요한 산화제를 공급하는 장치이며, 냉각장치는 연료전지 스택의 전기화학 반응 시 발생하는 열을 제거함으로써 일정 온도 범위에서 스택이 운전되도록 하는 장치이다. 전원 변환 장치는 연료전지 스택에서 발생하는 전기가 모터를 동작시킬 수 있는 전압으로 변경시키는 변압 장치이며, 연료전지 제어시스템은 연료전지 스택의 운전을 위해 수소 연료, 공기, 냉각수, 전원 변환 등을 제어하고 상위 레벨의 제어 장비와 통신하는 장치이다. 연료전지 시스템 구성품의 상세 사양은 Table 1에 제시하였다.

3.2 암모니아 연료전지 하이브리드 전기추진시스템

암모니아 연료전지 하이브리드 전기추진 시스템의 세부 구성요소는 암모니아 저장 캐비닛, 암모니아를 이용한 수소 생산을 위한 개질기, 개질기에서 생산된 수소를 이용한 선박 추진용 전력 생산을 위한 연료전지, 연료전지와 병렬로 전력을 공급하는 배터리로 구성되어 있다. 발전원에서 발생한 전력은 전력변환 장치를 통해 750V DC로 변환되어 직류 배전반으로 공급되며, 인버터를 통해 전동기를 구동하고 전동기의 추진력으로 선박이 운항하는 시스템이다. 본 연구의 암모니아 기반 연료전지 하이브리드 전기추진 시스템의 전력 계통은 Fig. 2에 제시하였다.

이 시스템은 암모니아를 기반으로 한 연료전지와 배터리의 하이브리드 구성을 통해, 장시간 항해 중에도 안정적인 전력을 공급할 수 있으며, 암모니아를 수소로 변화하는 개질기를 사용하여 탄소 배출이 없는 친환경적인 에너지원으로 작동한다. 지속적인 전력 생산이 가능한 연료전지와 배터리가 부하를 분담하도록 병렬로 결합되어, 선박의 전력 요구사항에 맞게 효율적으로 작동할 수 있는 구조이다. 이 시스템은 특히 해양 환경에서 발생하는 다양한 상황에 대응할 수 있는 안정적인 전력 시스템이며, 기존의 화석 연료 기반의 엔진을 대체할 수 있는 중요한 기술로 활용될 것으로 기대된다.

3.3 경사 시험

암모니아 개질기와 연료전지는 암모니아 연료전지 하이브리드 추진 선박의 안정적이고 효율적인 운항을 위해 필수적인 역할을 한다. 경사 시험을 통해 이 장비들이 실제 해상 환경에서 경사 조건에서 안전하고 효율적으로 작동할 수 있는지 검증하는 것은 시스템의 신뢰성을 높이는 데 중요한 과정이다. 경사 시험을 통해 시스템 설계의 취약점을 발견하고, 이를 보완하여 시스템의 전반적인 안전성을 향상시킬 수 있다. 또한, 경사 시험 결과는 암모니아 기반 연료전지 하이브리드 시스템이 선박에 실제로 적용될 수 있는지를 평가하는 중요한 근거이며, 앞으로의 설계 및 운용에 중요한 참고 자료가 될 것이다.

암모니아 개질기는 암모니아를 고온에서 수소로 변환하는 화학 반응이 일어나는 장치이다. 개질기 내부에서는 연료의 흐름과 반응이 중요하게 작용하는데, 선박이 경사 상태에 있을 때 연료가 고르게 공급되지 않으면 개질 반응이 불안정해질 수 있다. 또한, 열전달이나 배출 가스 흐름에도 영향을 미쳐 성능이 저하되거나 고장이 발생할 수 있다. 이러한 이유로 경사 상태에서 개질기가 안정적으로 작동하는지 확인하는 것이 필요하다.

경사시험 조건은 암모니아 기반 수소추출시스템 안전관리계획(2021-부산-02)에 제시된 수소추출설비 기울기성능 시험과 본 과제의 사업계획서에서 제시한 암모니아 수소추출 시스템의 성능 시험 계획을 기반으로 10ﾟ경사를 기준으로 수행하였다. 암모니아 개질기의 경사 시험은 개질기의 3 방향에 대해 선박의 10ﾟ경사를 가정하여 개질기 단독 운전 조건에서 수행되었다. 경사 시험 기간에는 수소 순도, 잔류 암모니아 농도, Syn Mass Flow(FT-002) 장비를 이용해 개질기를 통해 발생되는 가스의 질량 유량 데이터를 수집하였다.

수소 순도는 암모니아 개질기 가동 시 암모니아에서 수소가 추출되어 나올 때, 추출관에서의 수소 순도를 측정함으로써 암모니아 개질기 생산 수소 순도를 평가하였다. 잔류 암모니아 농도는 암모니아 개질기 가동 시 암모니아에서 수소를 추출한 다음 암모니아 제거 장치를 사용해 암모니아 흡착 후 최종 생산된 수소 내 잔류 암모니아를 측정함으로써 암모니아 개질기 잔류 암모니아 농도를 평가하였다. 수소 생산량은 암모니아 개질기 가동 시 계측된 수소 순도, 잔류 암모니아 농도 및 수소 생산량 50 Nm³/h 기준 가스 유량 및 총 유량을 계산한 다음 결과 비교를 통해 수소 생산량을 최종 산출함으로써 암모니아 수소 추출 시스템 수소 생산량을 평가하였다. 암모니아 개질기의 경사는 디지털 경사계를 이용하였다. 암모니아 개질기 경사 시험은 Fig. 3에 제시하였다.

연료전지는 수소와 산소가 반응하여 전기를 생산하는 전기화학 장치이다. 연료전지의 정상적인 작동을 위해서는 수소와 산소가 고르게 공급되고, 물과 같은 부산물이 원활하게 배출되어야 한다. 선박이 경사 상태에 있을 때, 연료와 산화제의 공급이 균일하지 않으면 연료전지 성능이 저하되거나 손상이 발생할 수 있다. 경사 시험을 통해 연료전지의 안정성을 확인하는 것은 매우 중요하다.

연료전지의 경사 시험은 연료전지의 4 방향에 대해 선박의 10ﾟ경사를 가정하여 연료전지와 배터리 하이브리드 시스템 운전 조건에서 수행되었다. 경사 시험 기간에는 배터리, 연료전지, 로드 뱅크의 전력, 배터리와 연료전지의 전류와 전압 데이터를 수집하였다. 연료전지 경사도 디지털 경사계를 이용하였으며, 연료전지 경사 시험은 Fig. 4에 제시하였다.

4. 결과 및 고찰 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 문헌 고찰 3. 연구 방법 4. 결과 및 고찰 5. 결 론 사 사FigureTableReference

4.1 암모니아 개질기 경사 시험 결과 및 고찰

암모니아 개질기 경사시험은 10ﾟ경사 조건에서 개질기 단독 운전 조건에서 3 방향에 대해 수행되었으며, 경사 시험 기간에 수소 순도, 잔류 암모니아 농도, 개질기를 통해 발생되는 가스의 질량 유량 데이터를 수집하였다. 또한, 수집된 정보를 통해 수소 생산량, 수소 회수율 결과를 도출하였다.

암모니아 개질기에서 수소 순도와 잔류 암모니아 농도는 연료전지 시스템의 성능과 안정성에 큰 영향을 미치는 중요한 요소들이다. 이들은 연료전지가 안정적으로 전력을 생산하고, 장기적으로 신뢰성을 유지하는 데 필수적인 역할을 한다.

암모니아 개질기를 통해 생산된 수소는 연료전지로 공급 되어 전기를 생산하는데, 연료전지의 성능과 안정성은 수소의 순도에 크게 의존한다. 수소 순도가 낮을 경우, 연료전지의 효율이 저하될 수 있고 또한 장비의 손상을 초래할 수 있다. 암모니아 개질기에서 수소로 변환되지 않고 남은 잔류 암모니아는 연료전지 성능에 심각한 악영향을 미칠 수 있다. 잔류 암모니아가 연료전지에 유입되면 여러 문제를 일으킬 수 있기 때문에, 이를 최소화하는 것이 매우 중요하다. 본 연구의 암모니아 개질기 경사시험 수소 순도와 잔류 암모니아 농도 결과는 Fig. 5에 제시하였다.

수소 순도와 잔류 암모니아 농도는 암모니아 개질기의 경사시험 동안 평균 74.74%와 0ppm의 결과를 기록하였으며, 시험기간 동안 큰 변화 없이 안정적으로 유지됨을 확인할 수 있었다. 또한, 74.74%라는 수소 순도는 자체 shop test 결과인 74.460에서 74.464% 범위보다 높은 값을 기록하였으며, 잔류 암모니아 농도도 자체 shop test에서와 마찬가지로 검출 되지 않았다. 이를 통해, 3 방향 10ﾟ의 경사 조건에서 암모니아 개질기의 수소 순도와 잔류 암모니아 농도는 변동 없이 안정적으로 유지된다는 것을 확인할 수 있었다.

암모니아 개질기의 수소 생산량은 수소 50 Nm³/h 기준의 mass flow(25.917 kg/h), volume flow(67.1321 Nm³/h) 정보와 경사시험에서 측정된 mass flow(33.88 kg/h)를 이용하여 경사시험의 volume flow를 비례식을 통해 계산하다. 이렇게 계산된 경사시험의 volume flow는 87.7584 Nm³/h이다. 이 결과에 앞의 수소 순도 74.74%를 적용하면 경사시험에서의 수소 생산량은 65.5906 Nm³/h이다. 이는 자체 shop test 결과인 65.53 Nm³/h에서 67.25 Nm³/h범위 내의 결과이다. 이 결과는 3 방향 10ﾟ의 경사 조건에서 암모니아 개질기를 통한 수소가 안정적으로 생산되는 것을 확인할 수 있었다.

암모니아 개질기의 수소 회수율은 경사시험 중에 암모니아 개질에 공급되는 암모니아 연료의 mass flow(34.79 kg/h)에서 식 (1)의 화학반응을 통해 이론적으로 생산될 수 있는 수소의 volume flow(68.6362 Nm³/h)와 앞에서 계산한 수소 생산량 결과(65.5906 Nm³/h)를 이용해 계산할 수 있다. 이 결과는 95.56%이며, 이는 자체 shop test 결과인 94.09%에서 97.12% 범위 내의 결과이다. 이 결과는 3 방향 10ﾟ의 경사 조건에서 암모니아 개질기를 통한 암모니아 연료의 수소로의 전환이 안정적으로 이루어지고 있음을 확인할 수 있었다.

4.2 연료전지 경사 시험 결과 및 고찰

연료전지 경사시험은 4방향의 10ﾟ경사 조건에서 배터리와 하이브리드 운전 조건에서 수행되었으며, 동일한 load profile을 4방향 경사시험에 동일하게 적용하였다. 경사 시험 기간에 연료전지, 배터리, 로드 뱅크의 전력 변화, 연료전지와 배터리의 전압 및 전류 변화에 대한 데이터를 수집하였다.

연료전지의 경사시험에서 연료전지와 배터리 하이브리드 운전 조건으로 운영될 때, 연료전지, 배터리, 로드 뱅크의 전력 변화는 시스템의 성능과 안정성을 평가하는 데 매우 중요한 요소이다. 이 변화는 경사 상태에서 각 구성 요소가 어떻게 반응하고 전력 공급이 어떻게 이루어지는지를 확인하는 데 필수적이다. 연료전지의 전력 변화는 경사 상태에서 시스템이 얼마나 안정적으로 작동하는지 평가할 수 있는 지표이며, 배터리의 전력 변화는 연료전지와 배터리 간의 전력 분배와 시스템 응답 속도를 평가하는 데 중요한 요소이다. 마지막으로 로드 뱅크의 전력 변화는 경사 조건에서 시스템이 다양한 부하에 어떻게 반응하는지 평가하는 데 중요하다. 연료전지의 경사시험에서 연료전지와 배터리 하이브리드 운전 조건으로 운영될 때, 연료전지, 배터리, 로드 뱅크 의 전력 변화 결과는 Fig. 6에 제시하였다.

연료전지 전력은 부하가 증가함에 따라 변동을 보인다. 이런 변화는 연료전지가 주로 일정 전력을 공급하는 역할을 하면서 부하 변동에 따라 출력을 조정하는 상황을 보여준다. 배터리는 연료전지 전력이 낮아질 때 상승하여 시스템에 필요한 추가 전력을 공급하고, 반대로 연료전지 전력이 증가할 때 배터리는 방전량을 줄이며 에너지를 저장하는 패턴을 보여준다.

이 결과를 통해 연료전지와 배터리 간의 전력 전환이 원활하게 이루어지며, 로드 뱅크의 부하에 맞춰 안정적으로 전력을 공급하는 것을 확인할 수 있다. 특히 경사시험 조건 속에서도 연료전지와 배터리가 지속적으로 상호 보완하며 부하를 처리함으로써 본 연구에 적용된 하이브리드 시스템의 안정성, 신뢰성, 내구성이 입증되었다.

연료전지의 경사시험에서 연료전지와 배터리 하이브리드 운전 조건으로 운영될 때, 연료전지와 배터리의 전류 변화도 하이브리드 시스템의 성능과 안정성을 평가하는 데 매우 중요한 요소이다. 연료전지의 전류 변화는 부하가 증가할 때 빠르게 반응할 수 있는 능력을 보여준다. 반면, 배터리는 상대적으로 일정한 전류를 유지하며, 시스템의 급격한 변동에도 유연하게 대응할 수 있도록 도와준다. 연료전지의 경사시험에서 연료전지와 배터리 하이브리드 운전 조건으로 운영될 때, 연료전지와 배터리의 전류 변화 결과는 Fig. 7에 제시하였다.

연료전지는 부하 변동에 따라 전류 변동도 동일할 패턴을 보이지만 변동의 폭은 더 큰 것을 확인할 수 있다. 또한, 최대 전력 구간에서 약 112A의 최대 전류를 보이며, 이는 경사 시험이라는 환경에서도 연료전지가 부하 증가에 따라 안정적으로 전류를 공급할 수 있음을 보여주고 있다. 반면, 배터리의 전류 변화는 큰 변동이 없이 상대적으로 일정한 값을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 이는 배터리가 연료전지의 변동을 보완하면 일정한 전력을 안정적으로 공급하는 역할을 하고 있음을 보여준다. 이러한 결과는 연료전지와 배터리 하이브리드 시스템이 경사시험 조건에서도 안정적으로 작동하며, 급격한 부하 변동에 대해 유연하게 대응할 수 있음을 보여준다. 또한, 실질적인 운항 조건에서 안정적으로 작동할 수 있음을 뒷받침하는 중요한 결과이다.

연료전지의 경사시험에서 연료전지와 배터리 하이브리드 운전 조건으로 운영될 때, 연료전지와 배터리의 전압 변화도 하이브리드 시스템의 성능, 안정성, 에너지 효율성을 평가하는 데 매우 중요한 요소이다. 갑작스러운 부하 변동에 전압이 급격하게 변동할 수 있는데, 이런 부하 변동에 연료 전지가 즉각 대응하지 못하면 전력 손실을 초래하고 전체 시스템의 효율을 떨어뜨린다. 부하 변동에 대해 연료전지가 즉각적으로 부하를 처리하지 못하면 배터리가 에너지를 보조해 전력 공급을 안정적으로 유지한다. 배터리 전압은 이런 에너지 보조의 수준과 관련이 있으며, 배터리 전압이 일정 범위를 벗어나면 시스템의 신뢰성이 떨어진다. 연료전지의 경사시험에서 연료전지와 배터리 하이브리드 운전 조건으로 운영될 때, 연료전지와 배터리의 전류 변화 결과는 Fig. 8에 제시하였다.

5. 결 론 Other SectionsAbstract초록1. 서 론 2. 문헌 고찰 3. 연구 방법 4. 결과 및 고찰 5. 결 론 사 사FigureTableReference

본 연구는 암모니아 기반 연료전지 하이브리드 전기 추진 시스템의 성능을 실험적으로 평가하고, 이를 해양 환경에서의 상용화 가능성을 검토하는 중요한 목적을 가지고 수행되 었다. 주요 연구 결과는 다음과 같다.

본 연구를 통해 암모니아 기반 연료전지 하이브리드 시스템은 해양 산업뿐만 아니라 다양한 분야에서도 친환경 에너지원으로 활용될 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 탄소 중립 목표를 달성하고, 미래의 친환경 선박 개발에 중요한 기초 자료로 활용될 것이다. 또한, 본 연구는 해양 환경에서의 다양한 도전 과제를 해결할 수 있는 기술적 가능성을 제시하며, 상용화를 위한 추가적인 연구와 노력이 지속적으로 필요함을 시사한다.

이를 위한 향후 연구는 시스템의 장기적인 효율성, 내구성, 다양한 해양 환경에서의 성능을 추가적으로 검토해야 하며, 암모니아 개질기의 성능 최적화와 연료전지 및 배터리의 효율 향상에 관한 연구 등이 필요하다.