[논문]연료전지 모델링 및 부스트 컨버터 출력 특성

박봉희; 최주엽; 최익; 이상철; 이동하

doi:10.7836/kses.2014.34.1.091

연료전지 모델링 및 부스트 컨버터 출력 특성
Fuel Cell Modeling with Output Characteristics of Boost Converter 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.34 no.1, 2014년, pp.91 - 97

박봉희 (광운대학교 전기공학과) , 최주엽 (광운대학교 전기공학과) , 최익 (광운대학교 로봇학부) , 이상철 (대구경북과학기술원) , 이동하 (대구경북과학기술원)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a modeling of fuel cell which replaces dc source during simulation. Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy in fuels into electrical energy. This system has high efficiency and heat, no environmental chemical pollutions and noise. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are commonly used as a residential generator. These fuel cells have different electrical characteristics such as a low voltage and high current compared with solar cells. And there are different behaviors in the V-I curve in the temperature and pressure. Therefore, the modeling of fuel cell should consider wide voltage range and slow current response and the resulting electrical model is applied to boost converter with fuel cell as an input source.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 연료전지 발전 시스템에서의 특성에 대하여 설명하였다. 연료전지에서 화학적인 에너지가 어떻게 전기적인 에너지로 바뀌는지 이때 연료전지의 V-I의 곡선의 특성을 갖게 하는 화학, 전기적인 전압 강하의 원인을 찾아서 계산하였고 연료전지 모델링 결과를 토대로 부스트컨버터와 연동하였다.

제안 방법

본 논문에서는 연료전지 발전 시스템에서의 특성에 대하여 설명하였다. 연료전지에서 화학적인 에너지가 어떻게 전기적인 에너지로 바뀌는지 이때 연료전지의 V-I의 곡선의 특성을 갖게 하는 화학, 전기적인 전압 강하의 원인을 찾아서 계산하였고 연료전지 모델링 결과를 토대로 부스트컨버터와 연동하였다. 연료전지의 전압 및 전류 출력 특성과 부스트 컨버터의 출력 특성을 시뮬레이션을 통하여 해석 할 수 있었으며 출력의 전압강하에 대하여 부스트 컨버터가 제대로 제어되는지 확인하였다.
연료전지에서 화학적인 에너지가 어떻게 전기적인 에너지로 바뀌는지 이때 연료전지의 V-I의 곡선의 특성을 갖게 하는 화학, 전기적인 전압 강하의 원인을 찾아서 계산하였고 연료전지 모델링 결과를 토대로 부스트컨버터와 연동하였다. 연료전지의 전압 및 전류 출력 특성과 부스트 컨버터의 출력 특성을 시뮬레이션을 통하여 해석 할 수 있었으며 출력의 전압강하에 대하여 부스트 컨버터가 제대로 제어되는지 확인하였다. 실제 연료전지의 특성과 시뮬레이션 결과를 종합적으로 고려하였을 때, 연료전지의 동특성상 실제 운전에 있어서 생각보다 긴 대기 시간이 필요함을 알게 되었고, 이러한 동특성의 단점을 보완하기 위하여 배터리 같이 초기운전 상태를 보완할 수 있는 보조전원의 필요성도 알게 되었다.
4의 모델링 결과 값이 같은 것을 확인 할 수 있었다. 이 제품의 연료전지 출력 특성을 고려하여 PSIM 및 MATLAB을 이용하여 Fig.5와 같이 모델링된 연료전지와 부스트컨버터를 연계하였다.
이러한 연료전지의 출력 전압이 떨어지는 것을 반영하여 정전압을 내는 출력 50V의 부스트 컨버터를 연결함으로 연료전지 출력전압의 강하에 대해서도 Fig.7과 같이 50V의 출력을 내는 시뮬레이션 결과를 확인하였다.
이러한 연료전지 발전 시스템의 특성을 이해 및 해석하려면 우선적으로 연료 전지의 특성을 가장 잘 나타낼 수 있는 연료 전지 모델링이 필요하다고 생각한다. 이러한 특성에 맞춰 인버터가 고려해야 할 부분이 어디인지 확인 및 해석하여 모델링 하도록 중점을 두도록 하였다.

대상 데이터

Table.1의 연료전지 모델은 Horizon社의 H-200모델이다. 제조사에서 제공되는 Fig.

성능/효과

연료전지의 전압 및 전류 출력 특성과 부스트 컨버터의 출력 특성을 시뮬레이션을 통하여 해석 할 수 있었으며 출력의 전압강하에 대하여 부스트 컨버터가 제대로 제어되는지 확인하였다. 실제 연료전지의 특성과 시뮬레이션 결과를 종합적으로 고려하였을 때, 연료전지의 동특성상 실제 운전에 있어서 생각보다 긴 대기 시간이 필요함을 알게 되었고, 이러한 동특성의 단점을 보완하기 위하여 배터리 같이 초기운전 상태를 보완할 수 있는 보조전원의 필요성도 알게 되었다.
이 때 1A 일 때의 전압은 0A일 때의 전압의 95%를 가지도록 하였으며, 주어진 정격이외에 최대출력전류(Iend)는 8A, 최소출력전압(Vend)값은 26V로 하였다.이러한 조건들을 반영한 결과 연료전지의 출력에서 Fig.6와 같이 시간에 따라 전압이 천천히 떨어지며, 동시에 전류가 천천히 올라가는 것을 확인하였다. 이때 각각의 구간에서 실제 전원의 특성인 활성분극화 손실, 저항분극화손실, 농도분극화 손실이 나타나는 것을 보여주었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화석 연료에 대한 부정적인 결과는 무엇이 있는가?	동력 공급을 위한 화석연료의 사용으로 많은 부정적 결과들이 야기되었다는 사실로부터 과거 십여 년에 걸쳐 연료전지에 대한 관심이 꾸준히 증대하여 왔다.화석 연료에 대한 부정적인 결과들로서는 심각한 오염, 지구자원의 무분별한 채취, 그리고 자원이 풍부한 국가들의 정치적 우월권과 통제를 들 수있다. 이에 따라 에너지 효율이 좋고 오염물질 배출이 적으며 연료의 무제한적인 공급이 가능한 새로운 동력원이 요구되고 있다.
	현재 PEM연료전지 기술은 어느 온도 범위에서 운전하는가?	이러한 연료들은 연료전지에 직접 주입하거나 혹은 재생기 로 보낸 다음 순수한 수소를 추출하여 연료전지로 공급하기도 한다.이러한 PEM연료전지 기술은 기존 운전온도가 60~80°C이었다면 현재는 120~180°에서 운전함으로써 이론적으로 발전효율 및 열 활용 측면에서 유리하게 변화하고 있다.이러한 연료전지는 전기화학 적인 특성으로 인하여 연료전지 발전 시스템 에서 출력 전압1)의 강하가 다른 전압원에 비하여 심하며 이를 계통에 연계하는 PCS사양에 대한 기본적인 특성의 해석이 필요하며,전 기적으로 절연 및 저전압 대전류의 특성 때문에 변압기가 필수적으로 사용되며 이 점은 시스템 및 인버터의 전체 효율을 낮추게 하는 원인이 있다.
	PEM 연료전지는 수소로부터 에탄올 및 생체물질에서 추출된 연료에 이르기까지 많은 다른 연료를 사용하는데, 이 연료들은 어떻게 공급되는가?	PEM 연료전지는 또한 수소로부터 에탄올 및 생체물질에서 추출된 연료에 이르기까지 많은 다른 연료들을 사용할 수 있다.이러한 연료들은 연료전지에 직접 주입하거나 혹은 재생기 로 보낸 다음 순수한 수소를 추출하여 연료전지로 공급하기도 한다.이러한 PEM연료전지 기술은 기존 운전온도가 60~80°C이었다면 현재는 120~180°에서 운전함으로써 이론적으로 발전효율 및 열 활용 측면에서 유리하게 변화하고 있다.

참고문헌 (5)

Collen spiegel, "PEM Fuel Cell Modeling and Simulation Using Matlab", Elsevier, 2008.
Sang-Cheol LEE, et al, "Fuel cell simulation :steady-state and dynamic case", International Conference on Computer Science&Education(ICCES), 2012.
Jong-Soo Kim, et al., "Matlab-PSIM Co-Simulation Technique for Analysis of Characteristics of Fuel Cell System", The Korean Institute of Electrical Engineerings, 2008
Andrea, E, et al, "A simplified electrical model of small PEM fuelcell", IPEC, 2010
MarkC. Williams, et al, "Fuel Cell Handbook", EG&G Technical Services, Inc. 2004.

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