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문제 정의
- 모델의 동특성은 다양한 부분에서 중요하지만, 특히, 공기 압축기의 동특성에 따라 시스템 응답 특성이 크게 달라질 수 있기 때문에, 이에 대한 동적 거동 모사 모델을 개발하고자 하며, 기타 구성품 모델들은 정적 거동 모델을 적용하고자 한다. 그리고 이 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 동적 시뮬레이션 결과들을 실험 데이터와 비교한 후 개발된 모델의 동특성에 대한 기초 연구를 수행하고자 한다.
- 이온 교환막 연료전지는 막의 습증기 함유도에 따라 성능에 크게 영향을 받기 때문에 이를 모사하는 것이 중요하여 함유도에 따른 막의 거동을 모사할 수 있는 습증기 수송 모델을 포함 하였으며 부하 변화의 온도제어에 따른 압축기 응답 특성과 시스템 출력 변화를 확인하고자 한다. 모델의 동특성은 다양한 부분에서 중요하지만, 특히, 공기 압축기의 동특성에 따라 시스템 응답 특성이 크게 달라질 수 있기 때문에, 이에 대한 동적 거동 모사 모델을 개발하고자 하며, 기타 구성품 모델들은 정적 거동 모델을 적용하고자 한다. 그리고 이 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 동적 시뮬레이션 결과들을 실험 데이터와 비교한 후 개발된 모델의 동특성에 대한 기초 연구를 수행하고자 한다.
- 본 연구에서는 Matlab/SIMULINKⓇ를 이용하여 차량용 고분자전해질 연료전지 시스템의 동특성을 모사할 수 있는 모델을 개발하고자 한다. 이온 교환막 연료전지는 막의 습증기 함유도에 따라 성능에 크게 영향을 받기 때문에 이를 모사하는 것이 중요하여 함유도에 따른 막의 거동을 모사할 수 있는 습증기 수송 모델을 포함 하였으며 부하 변화의 온도제어에 따른 압축기 응답 특성과 시스템 출력 변화를 확인하고자 한다.
- 즉 냉각 계통 구성성분이 운전 전략에서 지시하는 지령을 적절히 수행하게 될 때, 스택이 적절한 성능을 낼 수 있다. 본 연구에서는 이러한 냉각 계통의 운전 전략에 따른 시스템 구성품의 동적 거동 및 응답 특성을 확인하였다. 시스템 시뮬레이션에서는 각각 부하(10%~100%) 변화에 따른 동적 거동의 핵심 응답 변수를 전압 변화 및 스택 출력, 냉각팬, 펌프 모터 응답, 그리고 라디에이터 입 출구단의 온도 등으로 선정하였다.
- 본 연구에서는 차량용 연료전지 시스템의 특성을 모사할 수 있는 단위 구성품을 선정하고, 각 모델의 동특성을 고려하여 모델을 개발하였으며, 구성품 모델을 통합하여 기초 응답특성을 확인하였다.
- 를 이용하여 차량용 고분자전해질 연료전지 시스템의 동특성을 모사할 수 있는 모델을 개발하고자 한다. 이온 교환막 연료전지는 막의 습증기 함유도에 따라 성능에 크게 영향을 받기 때문에 이를 모사하는 것이 중요하여 함유도에 따른 막의 거동을 모사할 수 있는 습증기 수송 모델을 포함 하였으며 부하 변화의 온도제어에 따른 압축기 응답 특성과 시스템 출력 변화를 확인하고자 한다. 모델의 동특성은 다양한 부분에서 중요하지만, 특히, 공기 압축기의 동특성에 따라 시스템 응답 특성이 크게 달라질 수 있기 때문에, 이에 대한 동적 거동 모사 모델을 개발하고자 하며, 기타 구성품 모델들은 정적 거동 모델을 적용하고자 한다.
가설 설정
- 공기극 채널은 유동중에 전기 화학 반응에 생성된 증기가 포함되며, 질량 보존 법칙과 공기의 열역학적, 물리적인 물성치들을 사용하여 개발하였다. 또, 모든 가스는 이상기체이며, 공기극 출입구의 온도는 스택의 온도와 동일하고 공기극을 빠져 나가는 온도, 압력, 습도 등은 공기극 채널 안쪽과 같다고 가정하였다. 또한, 상대습도가 100% 이상일때는 수증기는 액체 형태로 응축되며, 100% 이하 일때는 증발한다고 가정하였다.
- 또, 모든 가스는 이상기체이며, 공기극 출입구의 온도는 스택의 온도와 동일하고 공기극을 빠져 나가는 온도, 압력, 습도 등은 공기극 채널 안쪽과 같다고 가정하였다. 또한, 상대습도가 100% 이상일때는 수증기는 액체 형태로 응축되며, 100% 이하 일때는 증발한다고 가정하였다.
- 연료전지 스택 모델은 전기 화학 반응을 모사하기 위한 군집체에서의 전기화학 반응 모델(Agglomerate structured electrochemical reaction model)과, 막 전해질에서의 습증기 수송을 모사하기 위한 습증기 수송 모델(Water transport model), 그리고 비정상 온도 응답을 모사하는 열전달 모델로 구성되어 있으며, 비정상 상태에서의 압축기의 응답 특성에 초점을 맞추기 때문에 가습량은 필요량을 공급해 줄 수 있다고 가정 하였으며 공기극과 연료극의 유량 및 압력은 압축기에 의해서 결정 되어 진다. Table 1에서는 연료전지스택 사양을 찾을 수 있다.
- 공기는 스택으로 들어가기 전에 막의 탈수를 막기 위해서 요구되는 상대습도로 가습시켜 줄 가습기 모델이 필요하게 되며 이러한 가습기 모델은 분사되어진 물에 의한 유량과 압력변화를 결정한다. 이러한 가습기 모델은 분사식 가습기 모델을 적용하였으며 분사되어진 물은 수증기의 형태를 가진다고 가정하였다. 따라서 다음과 같이 분사되어진 수증기의 유량은 쿨러에서 나오는 유량과 요구되어지는 상대습도까지 필요한 수증기 유량의 관계에 의해서 계산된다.
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