[논문]MATLAB/Simulink를 이용한 자동차용 상압형 PEM 연료전지 시스템의 성능 및 효율 분석 연구

박래혁; 김한상

doi:10.7316/khnes.2013.24.5.393

MATLAB/Simulink를 이용한 자동차용 상압형 PEM 연료전지 시스템의 성능 및 효율 분석 연구
A Study on the Analysis of the Performance and Efficiency of a Low-pressure Operating PEMFC System for Vehicle Applications Using MATLAB/Simulink 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.24 no.5, 2013년, pp.393 - 400

박래혁 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 김한상 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The air supply system has a significant effect on the efficiency of polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) systems. The performance and efficiency of automotive PEMFC systems are greatly influenced by their air supply system configurations. This study deals with the system simulation of automotive PEMFC systems using MATLAB/Simulink framework. In this study, a low-pressure operating PEMFC system adopting blower sub-module (turbo-blower) is modeled to investigate the effects of stack operating temperature and air stoichiometry on the parasitic power and efficiency of automotive PEMFC systems. In addition, the PEMFC net system efficiency and parasitic power of air supply system are mainly compared for the two types (low-pressure operating and high-pressure operating) of automotive PEMFC systems under the same net power conditions. It is suggested that the obtained results from this system approach can be applied for establishing the novel operating strategies for FC vehicles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5 bar) 연료전지 시스템의 성능과 효율을 분석하였다. 그리고, 기존 모델링되어 있는 자동차용 가압형 연료전지 시스템 모델을 적용하여 얻어진 가압형 시스템의 소모 동력, 시스템 효율 등의 결과와 비교, 분석을 통하여 상압형 연료전지 시스템의 특징을 체계적으로 파악하여 보고자 하였다.

가설 설정

1) 연료전지 스택으로 공급되는 연료(수소)와 산화제(공기)는 이상기체의 특성을 갖는다.
2) 연료전지 시스템 내의 온도 분포의 공간적인 변화는 고려하지 않는다.
가습기 소모 동력은 가습기에 사용된 히터에 소모되는 동력으로 구하였다. 펌프 소모 동력은 펌프의 효율은 일정한 것으로 가정하여 계산하였다.

제안 방법

가습기 소모 동력은 가습기에 사용된 히터에 소모되는 동력으로 구하였다. 펌프 소모 동력은 펌프의 효율은 일정한 것으로 가정하여 계산하였다.
본 연구에서는 MATLAB/Simulink 시스템 모델링 tool을 적용하여 터보 블로워를 적용한 자동차용 상압형 연료전지 시스템을 모델링하고 시스템 순 출력 고정 조건에서 작동 온도 및 공기극 양론비에 따른 시스템 효율을 분석하였다. 그리고, 동일 순 출력 조건에서 압축기를 적용한 가압형 연료전지 시스템의 해석 결과와 비교하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
또한 가압형 연료전지 시스템의 경우도 상압형 시스템과 동일한 순 출력 조건과 고정된 시스템 작동압력에서 스택 온도와 공기극 양론비에 따른 연료전지 시스템의 효율을 계산하고 상압형 시스템과 비교하였다.
본 연구에서 스택 모델링은 스택을 구성하는 단위 연료전지의 전압을 전류 밀도와의 관계식으로부터 구하는 것으로부터 진행되었다. 자세한 수식은 아래식 (1)-(5)에 각각 나타내었다⁷⁾.
본 연구에서는 MATLAB/Simulink 시스템 모델링 tool을 적용하여 터보 블로워를 적용한 자동차용 상압형 연료전지 시스템을 모델링하고 시스템 순 출력 고정 조건에서 작동 온도 및 공기극 양론비에 따른 시스템 효율을 분석하였다.
본 연구에서는 상압형 연료전지 시스템의 작동 압력을 고정하고 스택 작동 온도와 공기극 양론비 변화에 따른 시스템 성능과 효율을 순 출력 고정 조건에서 분석하였다.
정확한 스택 모델링을 위해서는 다양한 작동 범위에서의 스택 실험 데이터가 필요하다. 본 연구에서는 스택 실험 데이터를 확보할 수 없으므로 단순화 시스템 해석을 위하여 단위 셀의 출력 데이터에 셀 적층 수를 곱하여 스택 출력을 계산하는 방식을 적용하였다. 단순화된 해석을 적용하였으므로 유로 형상, 스택 구성을 위해 적용된 분리판의 특성, 유로에 따른 반응 가스의 농도 변화, 온도 분포, 촉매층과 가스 확산층 내의 온도 분포 등은 고려되지 않았다.
본 연구에서는 자동차용 연료전지 시스템의 공기 공급 시스템에 대한 기초 연구의 일환으로 MATLAB/ Simulink를 적용하여 자동차용 수소 연료전지 시스템을 모델링하고 이 모델을 통하여 자동차용으로 많이 적용되고 있는 상압형 (작동 압력: 1.2-1.5 bar) 연료전지 시스템의 성능과 효율을 분석하였다. 그리고, 기존 모델링되어 있는 자동차용 가압형 연료전지 시스템 모델을 적용하여 얻어진 가압형 시스템의 소모 동력, 시스템 효율 등의 결과와 비교, 분석을 통하여 상압형 연료전지 시스템의 특징을 체계적으로 파악하여 보고자 하였다.

이론/모형

자동차용 상압형 연료전지 시스템에는 주로 블로워(blower)가 사용된다. 본 연구에서는 자동차용 상압형 연료전지 시스템에 널리 사용되는 터보 블로워를 시스템 해석에 적용하였다.

성능/효과

1) 상압형 시스템은 순 출력 고정 조건에서 연료전지 작동 온도가 낮을수록 공기 양론비가 커질수록 시스템 효율이 감소되는 경향을 나타낸다. 이는 순 출력을 만족시키기 위하여 동력이 BOP에서 추가로 소요되기 때문으로 분석된다.
2) 가압형 시스템의 경우도 작동 온도가 낮을수록 공기 양론비가 증가할수록 시스템 효율이 감소하는 경향을 보이지만, 상압형 시스템에 비해 공기극 양론비에 보다 큰 영향을 받는다. 따라서 다양한 시스템 작동 조건 하에서 공기극 양론비의 최적 선정이 시스템 효율 개선에 꼭 필요하다.
3) 50kW 순 출력 조건에서는 시스템 효율 기준으로 비교할 때 압축기를 적용한 가압형 시스템이 상압형에 비하여 약 1-3% 정도 높게 나타난다. 이는 본 연구에서 선정한 상압형 및 가압형 시스템의 작동 압력과 연관된 결과로 판단되며 상압형과 가압형에 각각 사용된 압축기 및 블로워의 효율과도 연관될 것으로 생각된다.
Fig. 2에서 알 수 있는 바와 같이 공기극 압력이 증가함에 따라 단위전지의 성능이 증가하는 경향을 잘 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
이는 본 연구에서 지정한 순 출력을 내기 위한 연료전지 작동 조건으로 낮은 연료전지 작동 온도와 높은 양론비 조건일수록 불리해짐을 표시한다. 따라서 시스템 효율 측면에서 순 출력 50kW를 만족시키기 위한 적절한 조건으로는 작동 온도를 가급적 높게 하고 공기극 양론비를 작게 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
시스템 효율은 상압형 시스템에서와 마찬가지로 연료전지 작동 온도가 증가할수록 공기극 양론비는 작을수록 증가하는 경향을 나타낸다. 본 연구에서 적용된 가압형 시스템의 경우, 공기극 양론비를 1.6에서 2.4로 50% 증가시킬 때 약 1 - 1.2%의 시스템 효율 감소가 나타남을 알 수 있다.
8은 상압형과 가압형의 순 출력 고정 조건 하에서 시스템 총 출력을 나타낸 그래프이다. 상압형의 경우는 블로워에 소모되는 동력이 압축기보다는 작으므로 순 출력 50kW를 얻기 위하여 스택 총 출력이 54.5 - 55kW인 반면, 가압형 시스템의 경우는 압축기에서 소모되는 동력이 블로워보다 크므로 스택 총 출력이 57.5kW 정도로 나타남을 확인할 수 있다. 즉, 동일한 순 출력을 구현하기 위하여 가압형의 경우 스택 출력을 더 많이 필요로 하는 특성임을 알 수 있다.
시스템 효율은 블로워 소모 동력이 큰 조건인 낮은 작동 온도와 높은 공기극 양론비 조건에서 가장 작은 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 본 연구에서 지정한 순 출력을 내기 위한 연료전지 작동 조건으로 낮은 연료전지 작동 온도와 높은 양론비 조건일수록 불리해짐을 표시한다.
시스템 효율은 블로워 소모 동력이 큰 조건인 낮은 작동 온도와 높은 공기극 양론비 조건에서 가장 작은 값을 나타냄을 알 수 있다. 이는 본 연구에서 지정한 순 출력을 내기 위한 연료전지 작동 조건으로 낮은 연료전지 작동 온도와 높은 양론비 조건일수록 불리해짐을 표시한다. 따라서 시스템 효율 측면에서 순 출력 50kW를 만족시키기 위한 적절한 조건으로는 작동 온도를 가급적 높게 하고 공기극 양론비를 작게 설정하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
해석이 수행된 모든 조건의 스택 작동 온도에서 시스템 효율은 가압형이 상압형에 비하여 1- 3% 우수함을 알 수 있다. 하지만, 이 결과는 적용된 블로워 및 압축기의 성능 맵, 선정된 작동 압력 조건에 큰 영향을 받으므로 가압형이 상압형에 비하여 일반적으로 효율이 높다고 정리하기에는 하기에는 다양한 작동 조건 하에서의 보다 체계적인 시스템 차원의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

4) 본 연구를 통해 얻어진 결과는 자동차용 연료전지 시스템의 작동 전략 마련 시 작동 압력 선정에 기초적인 자료로 이용될 수 있을 것으로 생각되며, 가변압 연료전지 시스템의 설계에도 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
해석이 수행된 모든 조건의 스택 작동 온도에서 시스템 효율은 가압형이 상압형에 비하여 1- 3% 우수함을 알 수 있다. 하지만, 이 결과는 적용된 블로워 및 압축기의 성능 맵, 선정된 작동 압력 조건에 큰 영향을 받으므로 가압형이 상압형에 비하여 일반적으로 효율이 높다고 정리하기에는 하기에는 다양한 작동 조건 하에서의 보다 체계적인 시스템 차원의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	상압형과 가압형 자동차용 공기 공급 시스템의 장단점은?	상압형의 경우 대기압보다 약간 높은 1.2-1.5 bar 정도의 압력으로 공기를 공급하는 방식으로 값비싼 압축기 대신에 블로워를 사용하여 동력 소모 측면에서는 잇점이 있지만 가압형 시스템에 비하여 부피가 커지고 중량이 증가되는 것이 단점이다. 반면 가압형의 경우는 증가된 산소 분압으로 스택 출력이 증가 되지만, 공기 압축에 적용되는 압축기의 소모 동력이 커져 출력 향상을 제한하는 요인으로 작용한다. 최근에는 상압형과 가압형 시스템의 장점을 접목하여 보다 개선된 시스템을 구성, 적용하려는 연구 시도가 이루어지고 있다3) .
	수소 연료전지 자동차의 성공적인 상용화를 위해 개선되어야 하는 것은?	하지만 수소 연료전지가 자동차의 동력원으로 상용화되기 위해서는 수명(내구성), 비용, 다양한 온도에서의 시동성 및 작동성, 변화하는 부하 조건에 대한 적응성 등 많은 기술적 과제들이 극복되어야 하는 문제를 안고 있다. 특히 양산 전 단계에 이르고 있는 수소 연료전지 자동차의 경우 성공적인 상용화를 위해서는 전체 시스템 측면의 가격을 낮추는 것과 더불어 성능, 효율, 내구성의 추가 개선이 반드시 필요하다. 이를 위해서는 수소 연료전지의 각 요소들에 대한 연구뿐 아니라 연료전지 시스템 차원의 체계적인 연구가 이루어져야 한다1,2).
	수소 연료전지가 자동차의 동력원으로 상용화되기 위해서 극복되어야 하는 문제는?	다양한 에너지원이 자동차의 동력원으로 적용이 검토되고 있는데, 그 중 수소 연료전지는 수소의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 에너지 발생 장치로 고효율, 무공해 에너지원인 장점으로 인하여 친환경 자동차의 동력원으로 전 세계 자동차 회사들로부터 많은 관심과 적극적인 연구 개발의 대상이 되고 있다. 하지만 수소 연료전지가 자동차의 동력원으로 상용화되기 위해서는 수명(내구성), 비용, 다양한 온도에서의 시동성 및 작동성, 변화하는 부하 조건에 대한 적응성 등 많은 기술적 과제들이 극복되어야 하는 문제를 안고 있다. 특히 양산 전 단계에 이르고 있는 수소 연료전지 자동차의 경우 성공적인 상용화를 위해서는 전체 시스템 측면의 가격을 낮추는 것과 더불어 성능, 효율, 내구성의 추가 개선이 반드시 필요하다.

참고문헌 (10)

J. Larminie and A. Dicks, Fuel Cell Systems Explained, John Wiley & Sons, Ltd., UK. 2003.
H.-S. Kim, D.-H. Lee, K. Min, and M. Kim, "Effects of Key Operating Parameters on the Efficiency of Two Types of PEM Fuel Cell Systems", J. of Mechanical Science and Technology, Vol. 19, No. 4, 2005, pp 1018-1026.

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B. Blunier and A. Miraoui, "Proton Exchange Membrane Fuel Cell Air Management in Automotive Applications", J. of Fuel Cell Science and Technology, Vol. 7, 2010, pp. 041007-1-041007-11.

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J. M. Cunningham, M. A. Hoffman, and D. J. Friedman, "A Comparison of High-Pressure and Low-Pressure Operation of PEM Fuel Cell Systems", SAE Paper No. 2001-01-0538, 2001.
S. Pischinger, C. Schonfelder, W. Bornscheuer, H. Kindl, and H. Wiartalla, "Integrated Air Supply and Humidification Concepts for Fuel Cell Systems", SAE Paper No. 2001-01-0233, 2001.
S. Gelfi, A. Stefanopoulou, J. Pukrushpan, and H. Peng, "Dynamics of Low-Pressure and High-Pressure Fuel Cell Air Supply Systems", Proceeding of the 2003 American Control Conference, Vol. 3, 2003, pp. 2049-2054.
J. T. Pukrushpan, "Modeling And Control of the Fuel Cell Systems and Fuel Processors", Ph. D Thesis, The University of Michigan, 2003.
S. W. Ji, N. S. Myung, and T. S. Kim, "Analysis of operating characteristics of a polymer electrolyte membrane fuel cell coupled with an air supply system", J. of Mechanical Science and Technology, Vol. 25, No. 4, 2011, pp 945-955.

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D. Cho and H.-S. Kim, "A Study of the Effect of Compressor Performance Map on the Efficiency of High-pressure Operating PEMFC Systems in Automotive Applications", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 23, No. 6, 2012, pp. 604-611.

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J. Kim, Y, Noh, U. Jeon, and J. Lee, "Mod eling of Hydrogen Recirculation System for Fuel Cell Vehicle", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 22, No. 4, 2011, pp. 481-487.

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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