[논문]PEMFC의 열관리가 시스템의 성능에 미치는 영향

이정호; 명노성; 김동섭

doi:10.3795/ksme-b.2011.35.6.593

PEMFC의 열관리가 시스템의 성능에 미치는 영향
The Effect of Thermal Management on the Performance of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell System 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.35 no.6 = no.309, 2011년, pp.593 - 601

이정호 (인하대학교 기계공학부) , 명노성 (인하대학교 기계공학부) , 김동섭 (인하대학교 기계공학부)

초록
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다양한 작동 조건에서 고분자 전해질형 연료전지의 성능 변화를 예측하기 위한 해석 프로그램을 구성하여 열관리가 시스템의 성능에 미치는 영향을 해석하였다. 전체 시스템은 연료전지 스택, 공기공급계, 연료공급계, 열 관리계로 구성 되었으며 각 구성부의 설계점을 고려하여 열역학적 모델링을 적용 하였다. 외기온 변화와 냉각 시스템의 성능 변화에 따라 연료전지 스택의 온도 및 출력 변화가 예상되므로 탈설계 해석을 하여 전체 시스템의 성능 변화를 예측하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An analysis program to simulate the operation of a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) system was set up, and system operation with variations in the working conditions of various components (especially the thermal management system) was simulated. The entire system included a PEMFC stack and balance-of-plant components such as an air-supply unit, a fuel-supply unit, and a heat-management unit (cooling system). Thermodynamic models of all components were made to evaluate the design performance of the entire system, and then off-design models were set up to simulate the operation of the entire system under arbitrary working conditions. A parametric study was carried out to examine the effects of varying the operating conditions (especially the ambient conditions and the operating conditions of the cooling system) on the operation and performance of the entire system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

결국 연료전지 시스템의 성능은 외기 조건과 열관리 시스템의 구성부 작동 변화에 의하여 크게 영향을 받는다. 따라서 본 연구는 냉각 시스템의 실제적인 구성을 포함한 연료전지 시스템을 프로그램으로 구성하여 외기조건의 변화와 냉각 성능의 변화가 PEMFC 시스템의 성능에 미치는 영향을 모사하여 분석하는 것을 그 목적으로 하였다.

가설 설정

식 (13)과 같이 스택 내에서의 에너지 균형 식을 통하여 설계 점에서 스택의 발열량을 계산한다. 냉각수와 냉각 공기의 설계 입출구 온도를 주고 스택에서 발생된 열이 냉각수에 의해 제거되어 스택이 설계 온도인 70℃를 유지한다고 가정하여 냉각수의 유량을 결정하였다. 대수평균온도차와 열량으로부터 스택의 열전달용량 (UA)가 구해진다.
연료/공기비는 모든 작동조건에서 유지시켰다. 스택 내에서 연료이용률은 90%로 가정하여 유지시켰으며 이 때 연료극에서 남은 연료는 재순환되어 연료극으로 재공급되는 방식을 사용하였다.⁽⁹⁾ 제한된 연료전지 스택의 크기 내에서 보다 높은 출력을 얻기 위해서 연료이용률을 높게 설정하였다.
8에 나타내었다. 이 때 냉각수 펌프나 냉각팬의 인위적인 제어는 않는다고 가정했다. 즉, 두 기기의 회전수를 설계 값으로 일정하게 유지하였다.

제안 방법

4, 5에 나타내었다. 냉각수 펌프의 성능 곡선은 문헌의 자료를 그대로 참고하였고, 냉각팬의 성능 곡선은 블로워의 성능 곡선을 축소하여 사용하였다.
다음으로 냉각시스템의 작동 변화 (냉각팬이나 냉각수 펌프의 회전수 변화에 의한 유량 변화) 따른 시스템의 성능을 해석하였다. 공기 공급 블로워의 회전수가 35000 rpm, 외기 조건은 기준 외기상태(20℃, 1atm) 일 때 냉각 공기와 냉각수 유량 변화 (각각 독립적으로 변화함)에 따른 스택의 온도, 출력 변화를 Fig.
또한 냉각수 펌프와 냉각팬은 일반적인 자동차 방열 시스템에서 사용하는 것들과 유사하므로 탈설계 해석을 위한 성능 곡선은 문헌 자료⁽¹⁷⁾를 바탕으로 하여 공기 공급 블로워와 같은 방법으로 모델링 하였고, 각 성능 곡선을 Fig. 4, 5에 나타내었다. 냉각수 펌프의 성능 곡선은 문헌의 자료를 그대로 참고하였고, 냉각팬의 성능 곡선은 블로워의 성능 곡선을 축소하여 사용하였다.
본 연구에서는 냉각 계통을 고려한 전체 PEMFC 시스템을 프로그램으로 구성하고 모델링된 시스템을 통하여 외기 온도 조건 변화에 따른 스택의 성능 해석이 수행되었으며, 냉각 공기와 냉각수 유량 변화에 따른 연료전지 스택의 온도 및 출력 변화가 해석되었다.
운전 회전수가 주어졌을 때 블로워의 작동점은 블로워의 작동 선상에서 스택과 막가습기에서의 압력 손실과 블로워 상승 압력이 매칭되는 점이다. 본 연구에서는 아직 스택 내의 공기극 유로형상과 막가습기 내에서의 압력 손실에 대한 실측 자료가 주어진 상황이 아니므로 일반적인 블로워 작동선과 배관에서의 압력손실 상관식⁽¹³⁾을 바탕으로 압력손실을 아래 식으로 모사하였다.
스택 내에서 전기화학반응에 의해 발생하는 연료전지의 전압은 Nernst 전압에서 활성화 분극(activation loss), 오움 분극(ohmic loss), 농도 분극(concentration loss)을 감하여 계산하였는데, 각 손실들은 전류 밀도와 기타 작동변수들의 함수로 주어진 다음과 같은 상관식들⁽¹⁰⁾을 사용하였다.
, 전체 스택의 수는 440이다. 연료전지 스택의 출력은 전력변환에 관한 문헌⁽¹¹⁾을 참고하여 직-교류 변환 효율을 95%로 가정하여 계산하였으며, 전체 시스템의 출력은 연료전지 출력과 블로워의 소모동력, 재순환 블로워의 소모동력, 냉각수 펌프의 소모동력 그리고 냉각팬의 소모동력을 고려하여 다음과 같이 계산되었다.
이를 바탕으로 몇 가지 운전변수들의 변화에 따른 전체 시스템의 운전점과 성능의 변화를 해석하였다. 외기온도 변화에 의한 영향을 살폈고, 이어서 냉각 공기유량 변화와 냉각수의 유량 변화가 미치는 영향을 고찰하였다.
이때 스택의 운전 온도를 설계 온도로 정한 70°C로 유지하기 위해서 냉각팬과 냉각수 펌프의 회전수를 조절하여 냉각 유량을 변화시켰다.
⁽⁹⁾ 제한된 연료전지 스택의 크기 내에서 보다 높은 출력을 얻기 위해서 연료이용률을 높게 설정하였다. 이렇게 공급된 공기와 수소의 전기화학 반응을 통하여 전기와 열을 발생시키며, 발생한 반응열은 열 및 물 관리계에 의해 제거되어 연료전지 스택이 일정한 온도를 유지하며 작동되도록 하였다. 모델링 및 해석을 위하여 MATLAB/SIMULINK를 사용하였다.
기준 외기상태 (20℃, 1atm)에서 시스템의 주요 설계 값들을 Table 1에 보였다. 이를 바탕으로 몇 가지 운전변수들의 변화에 따른 전체 시스템의 운전점과 성능의 변화를 해석하였다. 외기온도 변화에 의한 영향을 살폈고, 이어서 냉각 공기유량 변화와 냉각수의 유량 변화가 미치는 영향을 고찰하였다.

이론/모형

이렇게 공급된 공기와 수소의 전기화학 반응을 통하여 전기와 열을 발생시키며, 발생한 반응열은 열 및 물 관리계에 의해 제거되어 연료전지 스택이 일정한 온도를 유지하며 작동되도록 하였다. 모델링 및 해석을 위하여 MATLAB/SIMULINK를 사용하였다.
이 성능곡선은 Jensen & Kristensen 방법(12)을 사용하여 구한 것인데, 변수들이 수정회전수 및 유량으로 표현되어 있으므로 외기온도 변화 등 다양한 운전상태 변화 해석에 이용 가능하다.

성능/효과

냉각 공기의 유량이 설계 값(2kg/s) 이하로 감소함에 따라 방열판에서의 냉각 성능이 저하되어 냉각수의 온도가 증가하게 되어 스택의 작동 온도가 90℃ 이상까지 증가함을 확인할 수 있다.
냉각수 유량 감소에 따라 스택의 온도가 70℃에서 93℃까지 증가하고 스택의 출력은 85℃ 이상의 스택의 작동 온도에서부터 감소함을 확인하였다.
냉각 공기의 유량이 설계 값(2kg/s) 이하로 감소함에 따라 방열판에서의 냉각 성능이 저하되어 냉각수의 온도가 증가하게 되어 스택의 작동 온도가 90℃ 이상까지 증가함을 확인할 수 있다. 또한 작동 온도가 70~80℃의 범위 안에 있을 때에는 스택의 출력 변화에 큰 차이가 없음을 확인하였다. 스택의 작동 온도가 85℃ 이상으로 증가하면 스택 출력이 감소하게 되는데 이는 스택 모델링에 고려된 활성화 분극, 오움 분극, 농도 분극 관계식에서 온도가 증가함에 따라 각 분극이 증가하고, 특히 농도 분극에 고려된 한계전류밀도가 온도에 의한 영향을 크게 받게 되어 온도가 증가함에 따라 농도 분극이 급격하게 증가하기 때문이다.
이러한 BOP들의 소모동력 증가는 전체 시스템의 효율 감소에 더 큰 영향을 준다. 연료전지 스택의 효율은 순출력 40~90kW 사이에서 52~58%를 보이지만 전체 시스템의 효율은 45~56%이다.
전체 시스템에서 공기 공급량이 증가함에 따라 시스템 출력은 증가하고, 높은 출력을 내기 위한 공기 공급 블로워의 소모동력과 스택의 온도를 설계 온도인 70℃로 유지하기 위한 냉각 시스템의 소모동력은 증가한다. 연료전지 스택의 효율 감소와 비교하였을 때 BOP들의 소모동력은 시스템 효율 감소에 더 큰 영향을 주기 때문에 BOP의 관리가 중요하다.

후속연구

스택의 작동 온도가 85℃ 이상으로 증가하면 스택 출력이 감소하게 되는데 이는 스택 모델링에 고려된 활성화 분극, 오움 분극, 농도 분극 관계식에서 온도가 증가함에 따라 각 분극이 증가하고, 특히 농도 분극에 고려된 한계전류밀도가 온도에 의한 영향을 크게 받게 되어 온도가 증가함에 따라 농도 분극이 급격하게 증가하기 때문이다. 본 연구에서 고려된 온도 범위가 상관 식의 유효한 온도 범위 내에 있으므로 예측된 결과가 합리적일 것으로 기대 되지만 추후 실제 시스템의 결과와 비교하여 확인이 필요하다고 판단된다. 냉각공기의 유량 감소에 따라 냉각팬의 소모 동력도 감소하지만 스택의 출력 감소에 비해 냉각팬의 소모동력 감소는 전체 시스템으로 볼 때 영향을 미치지 못하기 때문에 시스템의 효율은 감소하게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지란?	환경오염과 화석에너지 자원 고갈 등과 같은 문제점들이 세계적 관심사로 떠오르면서 최근 이에 대한 대안으로 연료전지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 연료전지는 전기화학 반응을 통해서 연료의 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 에너지 변환장치 이어서 효율이 높을 뿐 아니라 기타 환경오염 물질이 발생되지 않는다는 장점을 가진다. 이로 인하여 발전, 수송 등 여러 분야에서 주목을 받고 있고 실용화를 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
	고분자 전해질형 연료전지는 어떤 특징을 갖는가?	이로 인하여 발전, 수송 등 여러 분야에서 주목을 받고 있고 실용화를 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.(1) 그 중에서도 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 100℃ 미만의 낮은 작동온도와 빠른 시동성 및 응답성, 높은 출력 밀도를 갖고 있어 자동차를 포함한 발전시스템 분야 등에 사용하기 위해 활발한 연구가 진행중에 있다.(2~5) PEMFC 시스템은 화학반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지 스택과 반응에 필요한 산소를 공급하고 가습하는 공기공급계, 연료인 수소를 공급하는 수소공급계 그리고 연료전지의 안정적 작동 온도를 유지하기 위한 열 및 물 관리계 등으로 구성된다.
	고분자 전해질형 연료전지 시스템은 무엇으로 구성되는가?	(1) 그 중에서도 고분자 전해질형 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 100℃ 미만의 낮은 작동온도와 빠른 시동성 및 응답성, 높은 출력 밀도를 갖고 있어 자동차를 포함한 발전시스템 분야 등에 사용하기 위해 활발한 연구가 진행중에 있다.(2~5) PEMFC 시스템은 화학반응을 통해 전기를 발생시키는 연료전지 스택과 반응에 필요한 산소를 공급하고 가습하는 공기공급계, 연료인 수소를 공급하는 수소공급계 그리고 연료전지의 안정적 작동 온도를 유지하기 위한 열 및 물 관리계 등으로 구성된다. 연료전지의 안정적인 작동을 위해서는 연료전지 스택 설계도 중요하지만 공기공급계, 수소공급계, 열 및 물 관리계 등의 BOP(Balance of Plant) 구성 역시 중요한 요소라고 할 수 있으며, 이에 따라 연료전지 스택과 함께 시스템의 BOP에 대한 연구들도 진행되고 있다.

참고문헌 (17)

Williams, M. C., Strakey, J. and Sudoval, W., 2006, "U.S. DOE Fossil Energy Fuel Cell Program," Journal of Power Sources, Vol. 159, pp. 1241-1247.

상세보기
Perry, M. L., Fuller, T. F., 2002, "A Historical Perspective of Fuel Cell Technology," Journal of Electrochemical Society, Vol. 149, pp.59-67.
Bernay, C., Marchand, M. and Cassir, M., 2002, "Prospects of Different Fuel Cell Technologies for Vehicle Applications," Journal of Power Sources, Vol. 108, pp. 139-152.

상세보기
Boettner, D. D., Paganelli, G., Guezennec, Y. G., Rizzoni, G, Moran, M. J., 2002, "Proton Exchange Membrane Fuel Cell System Model of Automotive Vehicle Simulation and Control," Journal of Energy Resources Technology, Vol. 124, pp. 20-27.

상세보기
Zhao, H., Burke, A. F., 2009, "Optimization of Fuel Cell System Operation Conditions for Fuel Cell Vehicles," Journal of Power Sources, Vol. 186, pp. 408-416.

상세보기
Bao, C., Ouyang, M., Yi. B., 2006, "Modeling and Optimization of the Air System in Polymer Exchange Membrane Fuel Cell System," Journal of Power Sources, Vol. 156, pp. 232-243.

상세보기
Park, S. K., Choe, S. Y. and Choi, S. H., 2008, "Dynamic Modeling and Analysis of a Shell-and-Tube Type Gas-to-Gas Membrane Humidifier for PEM Fuel Cell Applications," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, pp. 2273-2282.

상세보기
Kadylak, D., Cave, P., Merida, W., 2009, "Effectiveness Correlations for Heat and Mass Transfer in Membrane Humidifiers," International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 52, pp. 1504-1509.

상세보기
Badami, M., Mura, M., 2010, "Theoretical Model with Experimental Validation of a Regenerative Blower for Hydrogen Recirculation in a PEM Fuel Cell System," Energy Conversion and Management, Vol. 51, pp. 553-560.

상세보기
Frano, B., 2005, PEM Fuel Cell, Elsevier, pp. 40-50.
Lee, J. M., Choi, J. Y., Yi, J. H., Suh, I. Y., 2009, "A State of Authentication & Development of Small PCS for Fuel Cell," KIPE Summer Annual Meeting, pp. 211-213.
Jay, T. P., Anna, G. S. and Huei Peng, 2005, Control of Fuel Cell Power Systems, Springer, pp. 17-21.
Erbes, M. R., Gay, R. R., 1989, "GATE/CYCLE Predictions of the Off-Design Performance of Combined-Cycle Power Plant," Simulation of Thermal Energy Systems, ASME AES-Vol. 6/HTD, Vol. 124, pp. 43-51.
Ji, S. W., Kim, T. S., 2009, "Performance Analysis of a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Coupled with Air Supply Unit," KSME Fall Annual Meeting, pp. 2523-2528.
Jung, J. S., Lee, C. S., 1989, "Design of the Heat Dissipation Rate of Automotive Radiation," Trans. KSAE, Vol. 11, No. 5, pp. 65-75.
Kays, W. M., London, A. L., 1984, Compact Heat Exchangers (3rd edition), Krieger Publishing Company, p. 270.
Shin, C. H., Lee, S. H., Park, W. G. and Jang, G. L., 2006, "The Study About the Performance-Analysis of a Automotive Engine Cooling System," Trans. KSAE, Vol. 14, No. 2, pp. 39-48.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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