[논문]연료전지 자동차 내 수소 공급 시스템에서 드레인 밸브 특성에 따른 드레인 로직 최적화 및 연비와 운전안정성을 고려한 물 관리 전략 개발

안득균; 이현재; 심효섭; 김대종

doi:10.7316/khnes.2016.27.2.155

연료전지 자동차 내 수소 공급 시스템에서 드레인 밸브 특성에 따른 드레인 로직 최적화 및 연비와 운전안정성을 고려한 물 관리 전략 개발
Optimization of Condensate Water Drain Logic Depending on the Characteristics of Drain Valve in FPS of Fuel Cell Vehicle and Development of Anode Water Management Strategy to Achieve High Fuel Efficiency and Operational Stability 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.2, 2016년, pp.155 - 162

안득균 (현대자동차) , 이현재 (현대자동차) , 심효섭 (현대자동차) , 김대종 (현대자동차)

Abstract ▼ AI-Helper

A proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) produces only water at cathode by an electrochemical reaction between hydrogen and oxygen. The generated water is transported across the membrane from the cathode to the anode. The transported water collected in water-trap and drained to the cathode within the humidifier outlet. If the condensate water is not being drained at the appropriate time, condensate water in the anode can cause the performance degradation or fuel efficiency degradation of fuel cell by the anode flooding or unnecessary hydrogen discharge. In this study, we proposed an optimization method of condensate water drain logic for the water drain performance and the water drain algorithm as considered the condensate water generating speed prep emergency case. In conclusion, we developed the water management strategy of fuel processing system (FPS) as securing fuel efficiency and operating stability.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 실험에서는 드레인 밸브의 유량계수가 감소한 경우 응축수 배출성능을 확보하기 위해 드레인 밸브의 제어 방법을 도출하고자 하였다. 전류별 정 전류 운전을 통해 드레인 밸브 전/후단 차압에 따른 드레인 1회 평균 배출량을 측정하였다.
본 논문에서는 연료극 드레인 밸브의 사양 변경에 따른 검증 프로세스 및 이에 따른 운전 로직 최적 설계의 사례를 다루었으며, 또한 물 관리에 대한 fail-safety 전략으로서 운전온도 별 응축수 생성속도를 도출하여 비상 시 적절한 응축수 배출 시기를 결정하였다. 이러한 방법을 통해 연료전지 차량의 연비와 운전안정성을 동시에 고려한 연료극 내 물 관리 전략을 도출하고자 하였다.

제안 방법

LM FCEV PMC를 이용하여 드레인 밸브 특성인 유량계수가 1.0에서 0.8로 하향 조정된 밸브가 적용된 시스템에서 드레인 밸브의 기본 개방 조건과 응축수 배출량 및 응축수 배출 시 수소 누출 여부를 평가하였다. 연료극과 공기극 출구의 차압을 0.
드레인 밸브의 닫힘 시점을 과도하게 지연 시켰을 경우 드레인 밸브를 통해 수소가 배출될 수 있으므로 이를 확인하기 위하여 연료전지 시스템을 US06 모드로 운전하며 드레인 밸브 주변부의 수소 농도를 측정하였다. Fig.
드레인 밸브의 닫힘 시점을 지연시켰을 때, 수소가 응축수와 함께 배출된다면 PMC의 수소 이용률이 저감될 것이며, 이는 곧 연비 및 시스템 효율과 직결되는 문제이다. 따라서 드레인 밸브의 닫힘 시점을 수위 센서 off 이후로 지연시켰을 경우에 드레인 밸브를 통해 수소가 배출되는지 확인하기 위하여 US06 모드로 운전하며 드레인 밸브 주변부의 수소 농도를 측정하였다.
그러나 서론에서 언급한 바와 같이 현 기준 수치 값에 도달할 때까지 응축수 배출이 이뤄지지 않을 경우 연료극 flooding 현상이 발생하게 되어 스택의 전압 저하 등에 의해 연료전지 시스템의 성능저하를 야기시킬 수 있다. 따라서 연료극 물 관리에 대한 fail-safety 전략으로서 수위센서가 작동하지 않는 비정상 조건에서 연료극 응축수 생성량 예측 모델을 통해 적절한 응축수 배출 시기를 결정하고자 하였다. 이때 연료극내의 응축수는 스택에 인가되는 전류와 운전온도의 영향을 받는다.
본 논문에서는 연료극 드레인 밸브의 사양 변경에 따른 검증 프로세스 및 이에 따른 운전 로직 최적 설계의 사례를 다루었으며, 또한 물 관리에 대한 fail-safety 전략으로서 운전온도 별 응축수 생성속도를 도출하여 비상 시 적절한 응축수 배출 시기를 결정하였다. 이러한 방법을 통해 연료전지 차량의 연비와 운전안정성을 동시에 고려한 연료극 내 물 관리 전략을 도출하고자 하였다.
8로 하향 조정된 밸브가 적용된 시스템에서 드레인 밸브의 기본 개방 조건과 응축수 배출량 및 응축수 배출 시 수소 누출 여부를 평가하였다. 연료극과 공기극 출구의 차압을 0.1 bar 기준으로 기본 밸브 개방시간을 0.2~3초 증대시켜 응축수 배출 성능을 확보하여 연료전지 시스템의 FPS 내 물 관리를 위한 운전 로직을 도출하였으며, 수위 센서의 오작동 및 고장 시 적절한 응축수 배출 시점을 결정하는 시험을 통하여 연료전지 시스템의 연비 및 운전안정성을 확보하고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 연료극 압력이 낮은 영역과 높은 영역에서의 드레인 밸브 닫힘 시점을 구분해야 하며 본 시험에 서는 운전 빈도가 큰 저전류(저출력)구간에서는 응축수 배출 성능을 확보하기 위해 밸브 기본 개방 시간을 수위 센서 OFF 후 0.3초로, 그 이상의 고출력 구간에서는 0.2초로 적용하도록 하였다. 이상의 결과로부터 유량 계수가 1.
일정 전류를 10분간 운전하면서 연료전지 시스템의 운전온도를 승온시켰고 이후 드레인 밸브를 강제로 작동시켜 워터트랩 내의 응축수를 모두 제거했다. 이후 다양한 실차 운전 모드 별 응축수 배출시점을 확인하기 위하여 UDDS, NEDC, US06, HWFET, AB mode 및 자체개발 운전모드인 실주행내구모드(HMC mode) 운전을 실시하였다. Table 2에 각 운전 모드를 운전 조건 별로 비교하였다.

이론/모형

각 실험에 앞서 PMC의 초기 운전조건을 동일하게 만들기 위해 pre-condition test를 수행했다. 일정 전류를 10분간 운전하면서 연료전지 시스템의 운전온도를 승온시켰고 이후 드레인 밸브를 강제로 작동시켜 워터트랩 내의 응축수를 모두 제거했다.

성능/효과

1)연료극의 워터트랩에 축적되는 응축수는 적절한 시점에 배출을 하지 않을 경우 연료극 내에 flooding 현상이 발생하여 성능저하 및 출력저하를 일으키는 요인이 된다.
2)연료극 응축수 배출은 드레인 밸브 전/후단 압력인 연료극 출구와 공기극 가습기 출구 측 압력의 차이에 영향을 받으며 그 차압특성에 따라 응축수 밸브 개폐 시점이 구분되어야 한다.
3)드레인 밸브의 유량계수 하향 적용 시 이전 사양과 동등한 응축수 배출 성능을 확보하기 위해 기본 밸브 개방 시간, 응축수 배출량 및 응축수 배출 시 수소 누출 여부를 평가하여 연료극 내 응축수 배출 로직을 최적화할 수 있다.
4)워터트랩에 축적되는 응축수는 스택에 인가되는 평균전류에 비례하여 생성되며, 연료전지 시스템의 운전온도에 따라 평균전류에 대한 응축수 생성속도 수식을 통해 연료극 응축수 생성량 예측 모델을 만들 수 있다.
5)비상 로직을 통하여 연료극의 응축수의 적절한 배출 시점을 결정함으로써, 연료극 내 flooding 현상을 사전에 방지하여 출력저하 및 성능저하를 막을 수 있으며, 드레인 밸브를 통한 수소배출을 막아 연비하락 및 연료전지 시스템의 FPS내 물관리에 대한 전략을 개발할 수 있다.
2, 3초로 지연시켜 시험을 진행하였다. 그 결과 유량 계수 0.8인 드레인 밸브의 기본 개방 시간을 증대 시, 유량계수 1.0인 경우와 1회 배출량이 동등 수준임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 유량계수가 0.
8로 하향 조정된 밸브가 적용된 시스템 운전 시 응축수 배출 로직을 도출 하여 Table 3에 나타내었다. 즉, 드레인 밸브의 유량 계수가 1.0에서 0.8로 감소하였을 경우 연료극과 공기극 출구 간 차압을 0.1 bar 기준으로 기본 밸브 개방 시간을 0.2 또는 0.3초 증대 적용 시, 유량 계수 1.0 밸브를 적용한 시스템과 동등한 물 배출 성능이 구현됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량용 고분자 전해질 연료전지란 무엇인가?	차량용 고분자 전해질 연료전지는 수소와 산소의 전기화학반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 전환하는 에너지 전환 시스템으로 기존의 내연기관 엔진에 비해 효율이 높으며, 화학반응의 부산물로 물이 생성되는 친환경 시스템이다. 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 공기가 공급되는 공기극에 반응의 생성물로서 물이 생성된다.
	LM FCEV PMC의 일반적인 구성은 무엇인가?	1에 현 연료전지 투싼(LM FCEV)차량에 탑재되는 연료전지 시스템(Power Module Complete, PMC)을 나타내었다. LM FCEV PMC는 고분자 전해질 막과 양 옆으로 연료극 및 공기극으로 구성된 연료전지를 전기적으로 직렬로 연결한 스택과 연료전지 시스템의 운전을 위한 운전장치(Balance of Plant, BOP)로 구성되어 있다. BOP는 크게 공기 공급 시스템(Air Processing System, APS), 수소 공급 시스템(Fuel Processing System, FPS), 열 관리 시스템(Thermal Management System, TMS)로 구성되어 있다.
	연료전지 시스템의 운전을 위한 운전장치의 구성은 무엇인가?	LM FCEV PMC는 고분자 전해질 막과 양 옆으로 연료극 및 공기극으로 구성된 연료전지를 전기적으로 직렬로 연결한 스택과 연료전지 시스템의 운전을 위한 운전장치(Balance of Plant, BOP)로 구성되어 있다. BOP는 크게 공기 공급 시스템(Air Processing System, APS), 수소 공급 시스템(Fuel Processing System, FPS), 열 관리 시스템(Thermal Management System, TMS)로 구성되어 있다. 수소 탱크 로부터 FPS에 공급된 수소는 수소 차단 밸브 및 압력제어를 위한 솔레노이드 밸브를 거쳐 연료전지 스택에 공급되어 전기화학반응을 일으키게 된다.

참고문헌 (6)

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J. O'Rourke, M. Ramani, and M. Arcak, "In situ detection of anode flooding of a PEM fuel cell", J. Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 16, 2009, p. 6765.

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저자의 다른 논문 :

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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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