[논문]고분자전해질 연료전지 특성 해석을 위한 열관리 계통 모델 기반 HILS 기초 연구

윤진원; 한재영; 김경택; 유상석

doi:10.7316/khnes.2012.23.4.323

고분자전해질 연료전지 특성 해석을 위한 열관리 계통 모델 기반 HILS 기초 연구
Model Based Hardware In the Loop Simulation of Thermal Management System for Performance Analysis of Proton Exchange Membrane Fuel Cell 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.4, 2012년, pp.323 - 329

윤진원 (충남대학교 대학원) , 한재영 (충남대학교 대학원) , 김경택 (충남대학교 대학원) , 유상석 (충남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A thermal management system of a proton exchange membrane fuel cell is taken charge of controlling the temperature of fuel cell stack by rejection of electrochemically reacted heat. Two major components of thermal management system are heat exchanger and pump which determines required amount of heat. Since the performance and durability of PEMFC system is sensitive to the operating temperature and temperature distribution inside the stack, it is necessary to control the thermal management system properly under guidance of operating strategy. The control study of the thermal management system is able to be boosted up with hardware in the loop simulation which directly connects the plant simulation with real hardware components. In this study, the plant simulation of fuel cell stack has been developed and the simulation model is connected with virtual data acquisition system. And HIL simulator has been developed to control the coolant supply system for the study of PEMFC thermal management system. The virtual data acquisition system and the HIL simulator are developed under LabVIEWTM Platform and the Simulation interface toolkit integrates the fuel cell plant simulator with the virtual DAQ display and HIL simulator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PEMFC 열관리 계통의 운전 로직을 연구하기 위해 실제 냉각 펌프와 비례제어 솔레노이드 밸브를 조합하여, 열관리 계통 능동 제어에 따른 특성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 고분자전해질 연료전지 시스템의 부하 응답에 따른 성능을 모사할 수 있는 하드웨어 연동 성능 해석 시뮬레이터를 개발하고자 한다. 모델이 제어기 개발에 적용될 수 있도록 동특성을 가지는 스택 모델을 적용하며, 가상적으로 개발된 연료전지 플랜트 모델의 결과 치를 산업용 제어기에서 계측 및 제어할 수 있도록 프로그램을 개발하며, 가상 시뮬레이터와의 통합 및 연계운전을 구현 한다.

제안 방법

1) 개발된 가상 계측/제어 모델은 고분자전해질 연료전지 스택의 부하의 변화에 따라 시뮬링크에서 제공하는 모든 출력변수에 대한 확인이 가능하며, 본 화면에서는 주요 설계 변수인 스택 온도, 공기극 및 연료극 온도·압력 변화, 출력 전압 등을 확인할 수 있도록 구성하였다.
5는 연료전지 스택의 가상 계측/제어 통합 모델의 디스플레이 패널을 보여 준다. 가상 계측/제어 통합 모델을 이용해 입력 값인 스택의 부하 변화에 따라 주요 변수인 스택의 셀 전압, 냉각수 입･출구 온도, 연료전지 온도, 반응가스의 온도･압력뿐만 아니라 다양한 시뮬레이션 결과를 획득할 수 있으며, 이렇게 획득된 결과는 HIL 시뮬레이터를 이용한 제어기 학습에 활용하였다.
모델이 제어기 개발에 적용될 수 있도록 동특성을 가지는 스택 모델을 적용하며, 가상적으로 개발된 연료전지 플랜트 모델의 결과 치를 산업용 제어기에서 계측 및 제어할 수 있도록 프로그램을 개발하며, 가상 시뮬레이터와의 통합 및 연계운전을 구현 한다. 개발된 계측/제어 프로그램을 이용하여 연료전지 열관리 계통의 실제 하드웨어인 솔레노이드 비례제어 밸브와 냉각수 펌프를 실제 운전하고 데이터를 취득하여 운전로직의 작동여부도 확인하고자 한다.
6은 연료전지 스택의 열관리 계통 HIL 시뮬레이터의 결과를 보여준다. 개발된 고분자전해질 연료전지 열관리 계통 HIL 시뮬레이터로 NI사의 CompactDAQ를 이용해 비례제어 솔레노이드 밸브를 제어 하였다. HIL 시뮬레이터를 이용하여 기준 온도와 플랜트 모델의 운전 온도를 비교하여 고분자 전해질 연료전지 스택의 운전 온도를 조절하는 냉각수의 유량을 제어하는 비례제어 솔레노이드 밸브를 제어 할 수 있다.
본 연구에서는 고분자전해질 연료전지 시스템의 부하 응답에 따른 성능을 모사할 수 있는 하드웨어 연동 성능 해석 시뮬레이터를 개발하고자 한다. 모델이 제어기 개발에 적용될 수 있도록 동특성을 가지는 스택 모델을 적용하며, 가상적으로 개발된 연료전지 플랜트 모델의 결과 치를 산업용 제어기에서 계측 및 제어할 수 있도록 프로그램을 개발하며, 가상 시뮬레이터와의 통합 및 연계운전을 구현 한다. 개발된 계측/제어 프로그램을 이용하여 연료전지 열관리 계통의 실제 하드웨어인 솔레노이드 비례제어 밸브와 냉각수 펌프를 실제 운전하고 데이터를 취득하여 운전로직의 작동여부도 확인하고자 한다.
비례제어 솔레노이드 밸브는 입력 전압에 따라 밸브의 개도를 변경하여 플랜트 모델에서 필요한 냉각수의 유량을 흘려보내게 된다. 밸브를 지나는 유량은 유량계를 이용하여 확인하고 그 값을 플랜트 모델에서 요구하는 유량과 비교하였다.
본 연구에서는 Simulink®기반으로 개발된 고분자 전해질 연료전지 스택의 플랜트 모델을 NI사의 Simulation Interface Toolkit을 이용하여 통합하여 스택의 동특성을 분석 할 수 있는 통합 계측/제어 모델을 개발하였고, 열관리 계통 HIL 연구를 위한 PEMFC HIL 시뮬레이터를 개발하고 실제 열관리 계통 하드웨어인 비례제어 솔레노이드 밸브를 이용한 HIL 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 고분자전해질 전해질의 습증기 수송특성과 전기 전도도의 상관관계를 나타내기 위해 Springer 등이 제안한 습증기 함유도(Water content, λ)를 적용하여 역확산력(back diffusion)과 전기삼투력(electroosmotic force)의 종 보존 방정식을 유도하였다10,11,12).
연료전지 스택 모델의 운전온도가 미리 정한 기준 온도보다 높으면 더 높은 전압을 밸브에 출력하여 유량을 늘리고 연료전지 스택의 운전온도가 기준 온도보다 낮으면 더 낮은 전압을 밸브에 출력하여 유량을 조절하는 방식으로 제어되게 된다. 이러한 과정을 통하여 연료전지에 흐르는 냉각수 유량을 제어하는 액추에이터인 비례제어 솔레노이드 밸브를 제어하여 연료전지의 작동온도를 제어 할 수 있게 하였다.
이를 위해 비례제어 솔레노이드 밸브의 입력 전압에 따른 개도 정보가 필요하며, 입력 전압과 개도율 밸브의 질량 유량을 실 계측하였다. 연구에 사용된 펌프는 윌로펌프사의 PM-030PM제품으로 유량과 Δp 등의 정보를 실측할 필요가 있었다.

대상 데이터

시뮬레이터 모델은 Simulink® 기반 PEMFC 플랜트 모델, National InstrumentsTM사의 LabVIEWTM 플랫폼을 사용한 가상 계측/제어 모델, National InstrumentsTM사의 CompactDAQ 그리고 실제 하드웨어인 비례제어 솔레노이드 밸브로 구성되며 Fig. 3에는 전체 시스템 구성도를 보여주고 있다.
연구에 사용된 펌프는 윌로펌프사의 PM-030PM제품으로 유량과 Δp 등의 정보를 실측할 필요가 있었다.

이론/모형

3에는 전체 시스템 구성도를 보여주고 있다. 가상 계측/제어 모델 및 플랜트 모델간의 통신을 위해서는 NI사의 Simulation Interface Toolkit (SIT)을 적용하였다.
실제 스택 출력 전압은 공기극에서의 반응 및 활성화 에너지 손실, 막의 저항 손실 등을 고려한 Han 등⁹⁾의 모델을 이용 하였다. 또, 전기화학반응 열 및 방열을 모사하기 위해서는 스택 온도 변화를 모사할 수 있어야 하며, PEMFC 스택의 온도는 전기화학반응열과 가스 및 냉각수로의 방열의 균형을 통해 결정 하였다.
스택 발열은 각 단위 전지를 통과하는 냉각수로 방출되므로, 냉각수 온도는 전지와의 열교환에 의해 결정된다. 연료극과 공기극은 층류영역에서의 계산식을 적용하고, 냉각수는 층류영역에서는 동일하고 난류영역에서는 Gnielinski 상관식을 적용하였다^10-12).

성능/효과

2) 개발된 HIL 시뮬레이터는 고분자전해질 연료전지 플랜트 모델의 스택 온도 변화에 따라 주어진 기준 온도와 비교하고 컨트롤러를 이용하여 연료전지 열관리 계통의 실제 하드웨어인 비례제어 솔레노이드 밸브를 제어하여 고분자전해질 연료전지 운전 온도를 제어 할 수 있다.
8은 스택 부하의 변화에 의해 실제 하드웨어인 밸브의 개도가 변해서 냉각수 유량이 변하는 것을 보여준다. 플랜트 모델에서 필요한 유량 대비 실제 측정값이 잘 맞는 것을 확인 할 수 있다. 작동 온도가 기준 온도 보다 높아지는 경우 더 높은 전압이 밸브에 전달되기 때문에 연료전지 운전에 의해 승온되었던 온도는 다시 떨어지게 되며, 이 온도가 기준 온도 보다 낮아지게 되면 낮은 전압이 밸브에 전달되도록 구성하였다.

후속연구

3) 향후 기 개발된 플랜트 모델과 HIL 시뮬레이터 및 열관리 계통의 실제 하드웨어를 이용하여, 고분자전해질 연료전지 시스템용 열관리 계통 운전 특성에 관한 연구를 수행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PEMFC의 운전 특성 상 원하는 성능을 얻기 위해서 어떤 과정이 이루어져야 하는가?	PEMFC의 운전 특성 상 막 전해질로의 적절한 수분 공급이 선행되면서, 동시에 공기극에서 발생한 수분의 적절한 배출이 이루어져야 원하는 성능을 낼 수 있다. 고용량 전지의 경우 고분자전해질로의 적절한 수분을 공급하기 위해 외부 가습기를 장착하게 되며, 시스템에 필요한 가습량은 스택 운전 온도에 따라 변화하게 되므로 적절한 물관리가 필수적이며 연동되는 열관리도 중요하다1).
	고용량 전지의 경우 적절한 수분 공급을 유지하기 위해 어떤 방법을 사용하는가?	PEMFC의 운전 특성 상 막 전해질로의 적절한 수분 공급이 선행되면서, 동시에 공기극에서 발생한 수분의 적절한 배출이 이루어져야 원하는 성능을 낼 수 있다. 고용량 전지의 경우 고분자전해질로의 적절한 수분을 공급하기 위해 외부 가습기를 장착하게 되며, 시스템에 필요한 가습량은 스택 운전 온도에 따라 변화하게 되므로 적절한 물관리가 필수적이며 연동되는 열관리도 중요하다1). 특히, 열관리는 외부로 효과적으로 방출하는 것도 중요하지만, 단위 전지 내부의 온도분포를 균일하게 하여 국부 가열을 방지함으로써, 전해질 막의 국부 손상을 방지하는 것이 중요하다.
	고분자전해질 연료전지의 장점은 무엇인가?	고분자전해질 연료전지(proton exchange membrane fuel cell, 이하 PEMFC)는 무공해, 청정, 무소음, 고효율 등의 장점과 우수한 시동성, 제작의 용이성 등의 장점으로 인해 노트북에서부터 가정용 초소형 열병합 발전, 그리고 수송용에 이르기까지 다양한 분야에의 적용을 위한 연구가 진행 중 이다.

참고문헌 (12)

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