Hardware-In-the-Loop Simulation을 이용한 고분자 전해질 연료전지 냉각시스템 최적 제어기법 연구 Optimal Ccontrol Strategy of Cooling System for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell using Hardware-In-the-Loop Simulation원문보기
고분자 전해질 연료전지는 운전온도에 따라 효율과 출력이 변화하기 때문에 $65^{\circ}C{\sim}75^{\circ}C$정도의 적정 운전온도를 유지하기 위한 냉각시스템을 필요로 한다. 따라서 PEMFC 운전온도를 유지하기 위한 냉각시스템 및 이를 위한 제어로직을 적용할 필요가 있다. HILS는 이러한 냉각시스템 제어로직을 검증하고 연구하기 위한 방법 중 하나이다. 본 논문에서는 냉각수 제어 알고리즘 연구를 위해 HILS 시스템을 구성하였다. HILS 시스템 모델은 PEMFC, 열교환기 및 온도와 관련한 외부환경 모델로 구성되며, HILS 시스템의 하드웨어는 삼방밸브, 펌프, 열교환기로 이루어진다. 이러한 HILS를 활용하여 냉각시스템 제어 효율 향상을 위한 제어우선순위 및 제어 대상온도 설정에 대한 연구를 수행하였다. 1차 냉각회로의 삼방밸브를 우선제어대상으로 설정하고, 2차 냉각회로의 온도제어성능 보정을 위해 2차 냉각회로 삼방밸브의 개도율 하한값을 PEMFC 출력과 2차 냉각회로 냉각수 온도의 함수로 작성하여 온도제어성능을 보상할 수 있도록 하였다. 그 결과 안정적인 PEMFC 온도 제어성능을 확인하였다.
고분자 전해질 연료전지는 운전온도에 따라 효율과 출력이 변화하기 때문에 $65^{\circ}C{\sim}75^{\circ}C$정도의 적정 운전온도를 유지하기 위한 냉각시스템을 필요로 한다. 따라서 PEMFC 운전온도를 유지하기 위한 냉각시스템 및 이를 위한 제어로직을 적용할 필요가 있다. HILS는 이러한 냉각시스템 제어로직을 검증하고 연구하기 위한 방법 중 하나이다. 본 논문에서는 냉각수 제어 알고리즘 연구를 위해 HILS 시스템을 구성하였다. HILS 시스템 모델은 PEMFC, 열교환기 및 온도와 관련한 외부환경 모델로 구성되며, HILS 시스템의 하드웨어는 삼방밸브, 펌프, 열교환기로 이루어진다. 이러한 HILS를 활용하여 냉각시스템 제어 효율 향상을 위한 제어우선순위 및 제어 대상온도 설정에 대한 연구를 수행하였다. 1차 냉각회로의 삼방밸브를 우선제어대상으로 설정하고, 2차 냉각회로의 온도제어성능 보정을 위해 2차 냉각회로 삼방밸브의 개도율 하한값을 PEMFC 출력과 2차 냉각회로 냉각수 온도의 함수로 작성하여 온도제어성능을 보상할 수 있도록 하였다. 그 결과 안정적인 PEMFC 온도 제어성능을 확인하였다.
Polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) requires cooling system to maintain the proper operating temperature(about $65^{\circ}C{\sim}75^{\circ}C$) because the efficiency and power are affected by operating temperature. In order to retain the operating temperature of PEMFC, cooling s...
Polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) requires cooling system to maintain the proper operating temperature(about $65^{\circ}C{\sim}75^{\circ}C$) because the efficiency and power are affected by operating temperature. In order to retain the operating temperature of PEMFC, cooling system and coolant control logic are needed. Hardware-in-the-loop simulation(HILS) is one of effective methods to study and evaluate control algorithm. In this paper, the HILS system was designed to study the coolant control algorithm. The models of HILS system consisted of PEMFC, heat exchanger, and external environment associated with temperature. The hardwares in HILS system are 3-way valves, pumps, and a heat exchanger. The priority control and the control target temperature were investigated to improve the control performance using HILS. The 3-way valve in $1^{st}$ cooling circuit was selected as priority control target. The under limit value of $2^{nd}$ 3-way valve set as a function of PEMFC power and $2^{nd}$ circuit coolant temperature to correct temperature control performance. As a result, the temperature of PEMFC is stably controlled.
Polymer electrolyte membrane fuel cell(PEMFC) requires cooling system to maintain the proper operating temperature(about $65^{\circ}C{\sim}75^{\circ}C$) because the efficiency and power are affected by operating temperature. In order to retain the operating temperature of PEMFC, cooling system and coolant control logic are needed. Hardware-in-the-loop simulation(HILS) is one of effective methods to study and evaluate control algorithm. In this paper, the HILS system was designed to study the coolant control algorithm. The models of HILS system consisted of PEMFC, heat exchanger, and external environment associated with temperature. The hardwares in HILS system are 3-way valves, pumps, and a heat exchanger. The priority control and the control target temperature were investigated to improve the control performance using HILS. The 3-way valve in $1^{st}$ cooling circuit was selected as priority control target. The under limit value of $2^{nd}$ 3-way valve set as a function of PEMFC power and $2^{nd}$ circuit coolant temperature to correct temperature control performance. As a result, the temperature of PEMFC is stably controlled.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
HILS시스템 구성을 위해 냉각시스템 열관리 계통에 관련된 PEMFC, 열교환기, 외부환경 중 온도와 관련된 부분을 실시간 모델로 작성하고, 그 외의 부분은 하드웨어로 적용한 HILS 시스템을 구성하여 PEMFC 냉각시스템 제어성능 향상을 위한 연구를 수행하였다.
본 연구에서 구성한 HILS 시스템은 PLC를 포함하며, 이를 이용한 PID 제어를 기본으로하는 PEMFC 냉각시스템 제어기법 연구를 수행하였다. PEMFC 냉각시스템을 안정적으로 제어하기 위해 본 연구에서는 다음과 같은 제어방법을 적용하여 PEMFC 냉각시스템의 안정성과 냉각성능을 향상할 수 있는 제어전략을 확인하였다.
HILS는 주로 자동차나 항공기와 같이 개발기간 및 비용이 높은 분야에서 사용되어온 기술로, 이러한 HILS를 연료전지 분야에 적용하기 위한 연구가 다양 하게 시도되고 있으며, 점차 증가하는 추세이다[3-5]. 따라서 본 연구에서는 HILS를 활용하여 PEMFC 냉각시스템을 보다 안정적이고 효율적으로 제어 할 수 있는 제어기법에 대해 연구하였다.
본 연구에서는 1차 및 2차 냉각회로로 구성된 PEMFC 냉각시스템의 제어성능을 최적화하여 부하 변동에 관계없이 PEMFC의 온도를 안정적으로 유지할 수 있는 제어방법을 구현하기 위해 크게 두 가지 측면에서 제어방법을 구성하여 실험을 진행하였다. 첫째, 제어대상품목 간 제어 우선순위 설정과 제어 안정성과의 관계와, 상대적으로 제어 우선순위가 낮아진 2차 냉각회로 삼방밸브의 제어성능 보완을 위한 하한값 설정방법 및 이에 따른 제어 안정성을 확인하였다.
본 연구에서는 HILS를 적용하여 1차, 2차 냉각회로로 구성된 PEMFC 냉각시스템의 최적 제어 기법에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 열관리 계통과 관련된 PEMFC, 열교환기 및 온도와 관련된 외부환경을 실시간 연산을 위한 모델로 작성하였으며, 그 외 부분은 하드웨어인 PEMFC 냉각시스템용 HILS 시스템을 구성하였다.
본 연구에서는 Matlab/Simulink를 이용하여 실시간 연산에 적합한 연산속도를 가질 수 있도록 PEMFC 모델을 작성하였다. PEMFC 모델 작성에 사용된 주요 수식은 Table 1과 같다.
가설 설정
은 1차 냉각회로에서 생성된 열량과 관계되므로, 1차 냉각회로의 PEMFC 발열량과의 관계로 나타낼 수 있다. 일반적으로 고출력 상태에서 PEMFC의 발열량은 출력 P와 유사한 값을 가지므로, 출력과 발열량이 같다고 가정한다.
제안 방법
(3) 상대적으로 느리게 제어되는 2차 냉각회로의 온도제어성능 보완을 위해 2차 냉각회로 삼방밸브의 제어 대상온도를 적정온도로 유지하기 위한 삼방밸브 개도율(k)을 PEMFC 출력과 2차 냉각회로에 유입되는 2차 냉각수 온도(Tsw)의 함수로 작성하여, 계산된 해당 개도율 값이 2차 냉각회로 삼방밸브의 하한값으로 설정되도록 적용하였다. 이러한 제어방식의 적용을 통해 상대적으로 느린 2차 냉각회로 삼방밸브의 반응속도를 보상하여, 주 제어 대상인 PEMFC 입구및 출구온도의 안정적 제어와 함께, 향상된 2차 냉각회로 제어 대상온도의 제어성능을 확인하였다.
이러한 제어 대상온도를 적정값으로 유지하기 위해 1차 및 2차 냉각회로의 삼방밸브와 펌프를 이용해 온도를 제어한다. 그러나 일반적으로 제어대상이 증가할 수록 제어의 복잡성 및 난이도가 비례하여 증가하므로, 본 연구에서는 두 개의 펌프는 단순 제어를 수행하고 반응속도가 빠른 두 삼방밸브를 중심으로 제어를 수행하는 제어방식을 적용하였다.
PEMFC의 발열량은 PEMFC의 출력에 비례한다. 그러므로 각 냉각회로의 펌프는 제어의 복잡성을 감소하기 위해 PEMFC 출력 증가에 비례하여 펌프 회전수 역시 증가하여 냉각능력을 높일 수 있도록 비례제어를 적용하였다. 이러한 펌프 제어 방법은 PEMFC 출력이 증가하여 발열량이 증가하는 경우, PEMFC 출구단 온도가 상승하기에 앞서 펌프 회전수를 증가시켜 PEMFC 출구단 온도가 제어 설정값을 초과하여 상승하는 오버슈트(overshoot) 를 감소시킬 수 있다.
첫째, 제어대상품목 간 제어 우선순위 설정과 제어 안정성과의 관계와, 상대적으로 제어 우선순위가 낮아진 2차 냉각회로 삼방밸브의 제어성능 보완을 위한 하한값 설정방법 및 이에 따른 제어 안정성을 확인하였다. 둘째, 제어 대상온도 위치 설정이 달라짐에 따른 제어 안정성을 확인하기 위해 1차 냉각회로의 PEMFC 입구온도와 출구온도로 제어 대상온도 설정을 달리하며 이에 따른 제어 안정성을 확인하였다.
이를 위해 열관리 계통과 관련된 PEMFC, 열교환기 및 온도와 관련된 외부환경을 실시간 연산을 위한 모델로 작성하였으며, 그 외 부분은 하드웨어인 PEMFC 냉각시스템용 HILS 시스템을 구성하였다. 또한 HILS 시스템의 실시간성을 구현하기 위해 Matlab/Simulink와 NI Veristand의 인터페이스로 RT-Computer를 이용한 실시간 연산을 구현하였으며, NI Labview를 이용해 HILS 시스템을 컨트롤 및 모니터링 할 수 있는 프로그램을 작성하여 HILS 시스템을 제어할 수 있게 하였다.
) 계측을 통해 직접 계측이 가능한 온도이며, 직접계측 또는 이론적 계산을 통해 온도의 함수로 표현이 가능하다. 또한 냉각수 유랑 ṁ과 비열(cp) 역시 계측, 수식 또는 상수값을 가지고, TMH는 제어 대상온도로 설정값이기 때문에 상기식 (4)를 통해 2차 냉각회로 삼방밸브가 제어 대상온도인 TMH를 적정온도로 유지하기 위한 개도율을 계산 하여 삼방밸브 하한값으로 적용하여 PEMFC 냉각시스템 제어를 수행하였다. 그 결과 PEMFC 출력의 스텝 상승 시 PEMFC 입구온도의 경우 Fig.
그림에 나타난 바와 같이 HILS 시스템은 HILS 하드웨어, PLC, Monitoring/Control PC, HOST PC 및 열관리 계통과 관련된 PEMFC, 열교환기, 금속수소화물 등의 구성품 모델로 이루어진 HILS 냉각시스템 모델이 포함된 RT-Computer로 구성된다. 또한 제어와 계측 등을 위해 HILS 시스템은 그림과 같이 각 구성품을 연결하여 신호를 교환할 수 있도록 하였다.
본 연구에서 구성한 HILS 시스템은 PLC를 포함하며, 이를 이용한 PID 제어를 기본으로하는 PEMFC 냉각시스템 제어기법 연구를 수행하였다. PEMFC 냉각시스템을 안정적으로 제어하기 위해 본 연구에서는 다음과 같은 제어방법을 적용하여 PEMFC 냉각시스템의 안정성과 냉각성능을 향상할 수 있는 제어전략을 확인하였다.
본 연구에서는 2차 냉각회로에 비해 상대적으로 1차 냉각회로에 제어의 우선순위가 부여되는 제어를 기본으로, 2차 냉각회로의 온도제어성능 향상을 위해 2차 냉각회로의 삼방밸브가 제어 대상온도를 적정온도로 유지할 수 있도록 하는 삼방밸브 개도율을 PEMFC 출력과 2차 냉각회로에 유입되는 온도(Tsw) 와 관계된 수식으로 작성하여, 계산된 해당 개도율이 2차 냉각회로 삼방밸브의 하한값으로 부여되어 삼방 밸브의 느린 반응속도를 보상할 수 있도록 하는 제어 방식을 적용하였다.
그림에서 확인할 수 있는 바와 같은 이러한 영향을 최소화하기 위해 두 삼방밸브 중 하나의 삼방밸브를 상대적으로 느리게 제어하도록 한다. 이 때, PEMFC는 온도에 의해 효율, 내구성 등이 금속수소화 물에 비해 큰 영향을 받으므로 1차 냉각회로의 삼방 밸브를 2차 냉각회로의 삼방밸브보다 빠르게 제어하도록 설정하였다.
(3) 상대적으로 느리게 제어되는 2차 냉각회로의 온도제어성능 보완을 위해 2차 냉각회로 삼방밸브의 제어 대상온도를 적정온도로 유지하기 위한 삼방밸브 개도율(k)을 PEMFC 출력과 2차 냉각회로에 유입되는 2차 냉각수 온도(Tsw)의 함수로 작성하여, 계산된 해당 개도율 값이 2차 냉각회로 삼방밸브의 하한값으로 설정되도록 적용하였다. 이러한 제어방식의 적용을 통해 상대적으로 느린 2차 냉각회로 삼방밸브의 반응속도를 보상하여, 주 제어 대상인 PEMFC 입구및 출구온도의 안정적 제어와 함께, 향상된 2차 냉각회로 제어 대상온도의 제어성능을 확인하였다.
이러한 펌프 제어와 동시에 삼방밸브를 이용하여 PEMFC가 적정 온도에서 운전되도록 냉각시스템 온도제어를 수행한다. 그러나 앞선 HILS 시스템 구성에서 나타난 바와 같이 1차 냉각회로와 2차 냉각회로는 열교환기를 중심으로 각 냉각회로 간 열교환을 수행하며 영향을 주고받는다.
본 연구에서는 HILS를 적용하여 1차, 2차 냉각회로로 구성된 PEMFC 냉각시스템의 최적 제어 기법에 대한 연구를 수행하였다. 이를 위해 열관리 계통과 관련된 PEMFC, 열교환기 및 온도와 관련된 외부환경을 실시간 연산을 위한 모델로 작성하였으며, 그 외 부분은 하드웨어인 PEMFC 냉각시스템용 HILS 시스템을 구성하였다. 또한 HILS 시스템의 실시간성을 구현하기 위해 Matlab/Simulink와 NI Veristand의 인터페이스로 RT-Computer를 이용한 실시간 연산을 구현하였으며, NI Labview를 이용해 HILS 시스템을 컨트롤 및 모니터링 할 수 있는 프로그램을 작성하여 HILS 시스템을 제어할 수 있게 하였다.
(1) 1차 및 2차 냉각회로의 삼방밸브와 펌프 중 응답특성이 빠른 삼방밸브를 주 제어 대상으로 설정하였다. 이를 위해 펌프는 PEMFC 출력에 비례하여 회전수가 증감하는 비례제어를 적용하였다. 펌프 회전수가 PEMFC 출력에 비례하도록 제어하는 경우, 출력 증가에 의해 PEMFC 온도가 상승하기 전, 미리 냉각수 유량을 증가시켜 PEMFC 출구단 온도의 과도한 상승을 감소시켜 PEMFC 운전온도를 적절히 유지할 수 있음을 확인하였다.
PLC는 모니터링/제어 PC에서 제어신호를 받아 HILS 하드웨어의 펌프와 삼방밸브를 입력된 제어로직에 따라 제어하고, 모니터링/제어 PC를 포함한 HILS 시스템 각 구성품간 신호를 전송하는 역할을 수행한다. 이를 통해 실시간으로 입출력되는 측정값을 통해 PEMFC 냉각시스템의 각 위치별 온도가 계산되고, 계산된 온도값을 이용해 PEMFC 냉각시스템 제어를 수행하며 제어성능 향상을 위한 방법을 적용하고 검증하였다.
대상 데이터
(1) 1차 및 2차 냉각회로의 삼방밸브와 펌프 중 응답특성이 빠른 삼방밸브를 주 제어 대상으로 설정하였다. 이를 위해 펌프는 PEMFC 출력에 비례하여 회전수가 증감하는 비례제어를 적용하였다.
본 연구에서 구성한 1차 및 2차 냉각회로로 구성된 PEMFC 냉각시스템의 제어 대상온도는 주 제어대상인 1차 냉각회로의 PEMFC 입구온도와 출구온도, PEMFC 스택에 수소를 공급하기 위해 적정 온도가 요구되는 2차 냉각회로의 금속수소화물 입구온도이다. 이러한 제어 대상온도를 적정값으로 유지하기 위해 1차 및 2차 냉각회로의 삼방밸브와 펌프를 이용해 온도를 제어한다.
실제 하드웨어와 모델을 연동하여 시뮬레이션을 수행하는 HILS의 경우, 이를 위해 각 구성품 간 입출력 변수를 설정하여야 할 필요가 있으며, 이는 Table 3에 정리하였다. 표에서 확인할 수 있는 바와 같이 주요 입출력 변수는 냉각시스템 각 위치별 온도 계산에 필요한 PEMFC 출력, 유량 및 삼방밸브 개도율 등이다.
이론/모형
HILS 시스템 모델은 검증이 완료된 PEMFC 모델, 열교환기 모델 등 각 구성품 모델을 포함하여 실제 냉각시스템과 동일한 구조를 갖도록 Matlab/Simulink를 이용해 작성하였다. HILS 시스템 모델은 실시간 연산을 위해 RT-Computer에 탑재하여야 하므로, 컴파일 하여 Veristand에서 사용할 수 있도록 작성하였다.
PLC는 자동제어 등이 필요한 산업 전반에 걸친 다양한 분야에서 사용되고 있는 제어기로, 본 연구에서는 Siemens사의 Simatic S7 PLC를 이용하여 HILS시스템을 구성하였다. PLC는 모니터링/제어 PC에서 제어신호를 받아 HILS 하드웨어의 펌프와 삼방밸브를 입력된 제어로직에 따라 제어하고, 모니터링/제어 PC를 포함한 HILS 시스템 각 구성품간 신호를 전송하는 역할을 수행한다.
Effective-NTU 방법은 수식이 비교적 간단하기 때문에 연산시간이 상대적으로 짧아 실시간 연산에 적합하며, 연산시간에 비해 비교적 신뢰성 높은 계산결과를 얻을 수 있어, 실시간성이 중요한 HILS 시스템에 적합하다고 판단되었다. Table 2는 Effective-NTU 방법으로 열교환기를 모델링 하기 위해 사용된 수식을 정리하였다.
본 연구에서 PEMFC 냉각시스템 구성에 사용한 열교환기는 다양한 형상의 원통 다관형 열교환기 중 U타입 열교환기로, 열교환기 고온측과 저온측의 토출온도 계산을 위해 Effective-NTU 방법을 적용해 온도를 계산하였다[11, 12].
PEMFC 모델 작성에 사용된 주요 수식은 Table 1과 같다. 일반적으로 잘 알려진 에너지 보존법칙, 손실과 관련된 수식, 연료전지 채널 내 물의 유량에 관계된 수식과 종 보존 방정식 등을 적용하여 모델을 작성하였다[9].
성능/효과
(2) 1차 및 2차 냉각회로의 삼방밸브 중 냉각시스템의 안정성을 확보하기 위해 주 제어대상인 PEMFC가 포함된 1차 냉각회로의 삼방밸브에 제어 우선순위를 두고, 2차 냉각회로의 삼방밸브는 1차 냉각회로의 삼방밸브에 비해 상대적으로 느리게 제어하여 각 냉각회로가 열교환기를 통해 주고받는 영향을 최소화하여 제어 대상 온도의 안정성을 확보하였다.
(4) 동일한 조건하에서 1차 냉각회로의 삼방밸브를 통해 제어하는 제어 대상온도를 PEMFC 입구 온도와 출구온도로 달리하여 냉각시스템 제어를 수행한 결과, 출구온도를 제어대상으로 하는 경우에 비해 입구온도를 제어대상으로 하는 경우가 보다 안정적으로 냉각시스템이 제어됨을 확인하였다. 이는 본 연구의 시스템 구성 상, 1차 냉각회로의 삼방밸브와 PEMFC 출구온도 사이에 외란으로 다뤄질 수 있는 PEMFC가 존재하기 때문에 상대적으로 제어가 불안정해 지며, 이러한 이유로 제어 대상온도가 PEMFC 입구 온도인 경우 상대적으로 안정적인 제어가 가능한 것으로 판단된다.
(c)에서 확인할 수 있는 바와 같이 2차 냉각회로의 제어 대상온도인 금속수소화물 전단온도를 제어 설정온도인 45℃에 대해 ±1℃ 이내에서 안정적으로 제어함을 확인하였다.
Effective-NTU 방법은 수식이 비교적 간단하기 때문에 연산시간이 상대적으로 짧아 실시간 연산에 적합하며, 연산시간에 비해 비교적 신뢰성 높은 계산결과를 얻을 수 있어, 실시간성이 중요한 HILS 시스템에 적합하다고 판단되었다. Table 2는 Effective-NTU 방법으로 열교환기를 모델링 하기 위해 사용된 수식을 정리하였다.
(4) 동일한 조건하에서 1차 냉각회로의 삼방밸브를 통해 제어하는 제어 대상온도를 PEMFC 입구 온도와 출구온도로 달리하여 냉각시스템 제어를 수행한 결과, 출구온도를 제어대상으로 하는 경우에 비해 입구온도를 제어대상으로 하는 경우가 보다 안정적으로 냉각시스템이 제어됨을 확인하였다. 이는 본 연구의 시스템 구성 상, 1차 냉각회로의 삼방밸브와 PEMFC 출구온도 사이에 외란으로 다뤄질 수 있는 PEMFC가 존재하기 때문에 상대적으로 제어가 불안정해 지며, 이러한 이유로 제어 대상온도가 PEMFC 입구 온도인 경우 상대적으로 안정적인 제어가 가능한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 1차 및 2차 냉각회로로 구성된 PEMFC 냉각시스템의 제어성능을 최적화하여 부하 변동에 관계없이 PEMFC의 온도를 안정적으로 유지할 수 있는 제어방법을 구현하기 위해 크게 두 가지 측면에서 제어방법을 구성하여 실험을 진행하였다. 첫째, 제어대상품목 간 제어 우선순위 설정과 제어 안정성과의 관계와, 상대적으로 제어 우선순위가 낮아진 2차 냉각회로 삼방밸브의 제어성능 보완을 위한 하한값 설정방법 및 이에 따른 제어 안정성을 확인하였다. 둘째, 제어 대상온도 위치 설정이 달라짐에 따른 제어 안정성을 확인하기 위해 1차 냉각회로의 PEMFC 입구온도와 출구온도로 제어 대상온도 설정을 달리하며 이에 따른 제어 안정성을 확인하였다.
이를 위해 펌프는 PEMFC 출력에 비례하여 회전수가 증감하는 비례제어를 적용하였다. 펌프 회전수가 PEMFC 출력에 비례하도록 제어하는 경우, 출력 증가에 의해 PEMFC 온도가 상승하기 전, 미리 냉각수 유량을 증가시켜 PEMFC 출구단 온도의 과도한 상승을 감소시켜 PEMFC 운전온도를 적절히 유지할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
PEMFC를 부하변동, 환경조건 변화에 관계없이 적정 온도를 유지하기 위해서는 냉각시스템 및 냉각수 제어가 반드시 필요하다. 따라서 PEMFC를 이용한 시스템 구성 시, 냉각을 위한 적절한 제어로직을 적용할 필요가 있으며, 이러한 제어로직에 대한 연구 및 검증이 선행될 필요가 있다. 그러나 고가인 PEMFC를 직접 사용하여 제어로직을 검증하고 연구하는 것은 큰 위험부담을 가진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고분자 전해질 연료전지의 특징은 무엇인가?
고분자 전해질 연료전지(PEMFC, Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell)는 다른 연료전지에 비해 높은 전력밀도를 갖는다. 또한 일반적으로 80℃정도로 운전온도가 비교적 낮기 때문에 주택이나 건물 등의 고정형 보조전원, 연료전지 자동차, 무인기, 분산발전용 전원, 휴대용 전원 등의 다양한 용도로의 사용이 가능하며, 이를 위한 연구가 지속되고 있다. PEMFC 는 주로 PTFE(persulfonated polytetrafluoroethylene) 등의 양성자 전도성 고분자를 전해질로 이용하며, 이고분자 전해질과 촉매를 포함한 전극으로 이루어진 MEA(Membrane Electrode Assembly)가 양성자 전도체 역할을 수행하며, 전기화학반응을 통해 전류를 생산한다.
PEMFC와 냉각시스템 제어에 대한 연구에 시뮬레이션을 이용하는 방법을 사용하는 이유는 무엇인가?
따라서 PEMFC를 이용한 시스템 구성 시, 냉각을 위한 적절한 제어로직을 적용할 필요가 있으며, 이러한 제어로직에 대한 연구 및 검증이 선행될 필요가 있다. 그러나 고가인 PEMFC를 직접 사용하여 제어로직을 검증하고 연구하는 것은 큰 위험부담을 가진다. 이러한 이유로, 주로 시뮬레이션을 통해 PEMFC와 냉각시스템 제어에 대한 연구를 수행하며 이를 위한 다양한 모델들을 개발하고 있다[2].
PEMFC에서 능동적인 물관리와 온도관리가 중요한 이유는 무엇인가?
PEMFC 는 주로 PTFE(persulfonated polytetrafluoroethylene) 등의 양성자 전도성 고분자를 전해질로 이용하며, 이고분자 전해질과 촉매를 포함한 전극으로 이루어진 MEA(Membrane Electrode Assembly)가 양성자 전도체 역할을 수행하며, 전기화학반응을 통해 전류를 생산한다. 이 MEA의 고분자 전해질은 물 함량과 온도에 전도성이 큰 영향을 받으므로, PEMFC는 능동적인 물관리와 적절한 온도관리가 필수적이다[1].
참고문헌 (12)
Ryan O'Hayre, Suk-Won Cha, Whitney Colella, Fritz B. Prinz, "Fuel Cell Fundamentals", WILEY
J-W. Ahn, S-Y. Choe,: "Coolant controls of a PEM fuel cell system", Journal of Power Sources, Vol, 179, 252-264, (2008)
Thomas H. Bradley, Blake A. Moffitt, Dimitri N. Mavris, Thomas F. Fuller, David E. Parekh, "Hardware- in-the-Loop Testing of a Fuel Cell Aircraft Powerplant", Journal of Profulsion and Power, Vol. 25, No. 6, Nov.-Dec., 1336-1344, (2009)
Lucia Gauchia, Javier Sanz, "A Per-Unit Hardware- in-the-Loop Simulation of a Fuel Cell/Battery Hybrid Energy System", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol. 57, No. 4, Apr, 1186-1194, (2010)
Sampath Yerramalla, Asad Davari, Ali Feliachi, Tamal Biswas, "Modeling and simulation of the dynamic behavior of a polymer electrolyte membrane fuel cell", Journal of Power Sources, Vol. 124, 104-113, (2003)
Zijad Lemes, Andreas Vath, Th. Hartkopf, H. Mancher, "Dynamic fuel cell models and their application in hardware in the loop simulation", Journal of Power Sources, Vol. 154, 386-393, (2006)
Jay T. Pukrushpan, Anna G. Stefanopoulou, Huei Peng, "Control of Feul Cell Power Systems", Springer
M. Prithiviraj, M. J. Andrews, "Three Dimensional Numerical Simulation of Shell-and-Tube Heat exchangers. Part I: Foundation and Fluid Mechanics", Numerical Heat Transfer, Part A: Applications : An International Journal of Computation and Methodology, Vol. 33, No. 8, 799-816, (1998)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.