[논문]PEM 연료전지 시스템 모델링-자동차용 연료전지 시스템의 주요 작동 변수 변경에 따른 시스템 효율 민감도 분석

김한상; 강병길; 원권상

doi:10.7316/khnes.2019.30.5.401

PEM 연료전지 시스템 모델링-자동차용 연료전지 시스템의 주요 작동 변수 변경에 따른 시스템 효율 민감도 분석
Modeling of PEM Fuel Cell System-Sensitivity Analysis of System Efficiency with Different Main Operating Parameters of Automotive Fuel Cell System 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.5, 2019년, pp.401 - 410

김한상 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 강병길 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과) , 원권상 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The operating conditions greatly impact the efficiency and performance of polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell systems and must be properly managed to ensure better performance and efficiency. In particular, small variations in operating conditions interact with each other and affect the performance and efficiency of PEM fuel cell systems. Thus, a systematic study is needed to understand how small changes in operating conditions affect the system performance and efficiency. In this paper, an automotive fuel cell system (including cell stack and balance of plant [BOP]) with a turbo-blower was modeled using MATLAB/Simulink platform and the sensitivity analyses of main operating parameters were performed using the developed system model. Effects of small variations in four main parameters (stack temperature, cathode air stoichiometry, cathode pressure, and cathode relative humidity) on the system efficiency were investigated. The results show that cathode pressure has the greatest potential impact on the sensitivity of fuel cell system efficiency. It is expected that this study can be used as a basic guidance to understand the importance of achieving accurate control of the fuel cell operating conditions for the robust operation of automotive PEM fuel cell systems.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Schematic of the low-pressure operating PEM fuel cell system adopted in the present study
표 Table 1. Empirical relations for a unit fuel cell model^4,12)
그림 Fig. 2. Blower efficiency map used for this study
그림 Fig. 3. The I-V polarization curve with stack temperature(Base condition: a cathode air pressure of 1.3 bar and air stoichiometry of 3)
표 Table 2. Base Fuel cell stack operating conditions used
표 Table 3. Main operating parameters of the simulation results
그림 Fig. 4. Fuel cell net system efficiency with small variation in stack operating temperature under three different net system power conditions
그림 Fig. 5. Fuel cell net system efficiency with small variation in air stoichiometry under three different net system power conditions
그림 Fig. 6. Fuel cell system efficiency with small variation in cathode operating pressure under three different net system power conditions
그림 Fig. 7. Fuel cell system efficiency with small variation in air RH under three different net system power conditions

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 자동차용 연료전지 시스템의 주요 작동 인자(스택 작동 온도, 공기극 작동 압력, 공기극 상대습도, 공기극 양론비)의 작은 변화에 따른 시스템 효율 민감도 특성을 분석하였다. 연구에서 얻어진 시스템 해석 결과는 아래와 같이 정리할 수 있다.
본 연구에서는 자동차용 PEM 연료전지 시스템의 안정적인 운전을 위한 기초 연구의 일환으로 주요 작동 인자들의 변화가 연료전지 시스템의 효율 변화에 미치는 영향을 단순 민감도 해석을 통하여 분석하고자 하였다. 이를 위하여 자동차용 상압형 PEM 연료전지 시스템을 MATLAB/Simulink를 활용하여 시스템 차원에서 모델링하고 4개의 주요 작동 인자 (스택 작동 온도, 공기극 양론비, 공기극 압력, 공기극 상대습도)의 작은 변화가 연료전지 시스템의 효율 변화에 미치는 영향(민감도)을 파악, 비교하였다.

가설 설정

1 : function of membrane water content
1) 연료전지 스택으로 공급되는 가스는 이상기체로 취급한다.
2) 연료전지 시스템 내의 온도의 공간적인 분포와 유로 형태에 따른 가스의 농도 구배는 고려되지 않는다.
3) 분리판의 종류, 분리판 및 촉매 등의 재질 관련한 사항들은 고려되지 않는다.
가습기 시스템의 소모 동력은 가습기에 장착된 전기 히터(효율은 70%로 가정)에서 소모되는 동력으로 평가하였다.

제안 방법

PEM 연료전지 시스템의 체계적인 해석을 위해서는 시스템을 구성하는 각 요소들에 대한 물리적인 분석과 이를 모두 반영한 모델링이 수행되어야 하는데 각 요소들에 대한 자세한 물리적인 모델링을 통한 해석을 위해서는 매우 많은 시간과 노력이 소요되고 물리적인 모델링 자체도 아직 많은 한계를 지니고 있으므로 본 연구에서는 주요 관심사인 시스템의 성능 및 효율 측면에서 구성 요소들을 단순 모델 링하고 이를 시스템 모델로 통합하여 민감도 분석에 사용하였다.
PEM 연료전지 시스템의 효율을 평가하기 위해서는 다양한 효율식을 고려할 수 있는데 본 연구에서는 PEM 연료전지 시스템에서 순수하게 발생하는 일 (순 출력)을 고려하고 이를 이용하여 시스템 효율로 정의하는 것으로 하였다.
공기 공급 장치의 자세한 모델링을 위해서는 블로워에 대한 열, 유체역학적 상세 모델링이 요구되지만 본 연구에서는 연료전지 시스템 효율 측면의 연구가 주이므로 블로워 구동을 위하여 소모되는 동력을 산정하는 방식으로 블로워 시스템을 모델링하였다. 블로워의 소모 동력은 식 (9)를 사용하여 나타낼 수 있는데, 식 (9)에서 블로워의 효율(η_b )은 블로워의 성능 효율 맵을 적용하여 구할 수 있다.
본 연구에서는 PEM 연료전지 시스템의 성능 및 효율에 비교적 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있는 스택 작동 온도, 공기극 양론비, 공기극 작동 압력, 공기극 상대습도의 4개 변수를 시스템 주요 작동 인자로 정하고 이들 인자의 작은 변화에 따른 PEM 연료전지 시스템의 효율 변화를 분석하였다.
본 연구의 경우도 다양한 작동 조건에서 연료전지 스택 시험 데이터를 확보할 수 없어 단위 연료전지의 성능 모델링을 통하여 스택의 성능을 예측하는 방법을 적용하였다. 단위 연료전지의 성능 모델은 다양한 작동 인자의 영향에 따른 연료전지 성능 특성을 효과적으로 예측할 수 있는 Pukrusphan의 모델을 통하여 구현되었다⁴⁾ .
시스템 해석은 3개의 시스템 순 출력 조건에 대하여 기준 조건 중 1개 작동 인자의 변화에 따른 연료 전지 시스템의 효율 민감도를 계산하는 방법으로 진행하였다. 효율 민감도는 다음과 같이 구하였다.
본 연구에서는 자동차용 PEM 연료전지 시스템의 안정적인 운전을 위한 기초 연구의 일환으로 주요 작동 인자들의 변화가 연료전지 시스템의 효율 변화에 미치는 영향을 단순 민감도 해석을 통하여 분석하고자 하였다. 이를 위하여 자동차용 상압형 PEM 연료전지 시스템을 MATLAB/Simulink를 활용하여 시스템 차원에서 모델링하고 4개의 주요 작동 인자 (스택 작동 온도, 공기극 양론비, 공기극 압력, 공기극 상대습도)의 작은 변화가 연료전지 시스템의 효율 변화에 미치는 영향(민감도)을 파악, 비교하였다.

데이터처리

연료전지 시스템 효율의 민감도 분석은 그 실효성을 증대하기 위하여 3개의 동일 시스템 순 출력(60, 80, 100 kW) 조건에서 해석을 진행하고 그 결과를 비교하였다.

성능/효과

2) 스택 작동 온도는 작동 온도가 높아질수록 저출력 조건일수록 시스템 효율에 상대적으로 큰 민감도를 나타낸다.
3) 시스템의 공기극 당량비 변화는 고 출력 조건에서 시스템 효율에 상대적으로 큰 민감도를 나타내므로 고 출력 조건에서는 공기극 당량비의 신뢰도 높은 제어가 더 필요해진다.
4) 공기극 상대 습도는 저 출력 조건에서 시스템 효율에 상대적으로 큰 민감도를 나타낸다. 따라서 저출력 조건에서는 공기극 상대습도 제어가 상대적으로 중요해짐을 알 수 있다.
본 연구에서 진행된 시스템 민감도 해석 결과를 그래프로 나타내어 분석하기 위해서 모두 기본 작동 조건을 표시하고 기본 작동 조건에서 작은 변화를 준 경우의 시스템 효율 민감도를 나타내었다.

후속연구

더불어 공기극 압력은 상압형 시스템의 경우 가변 압 시스템을 적용하지 않는 경우에는 연료전지 시스템 작동시 크게 변경시키기는 어려우므로 시스템 설계 전에 공기 공급 장치의 특성과 연계된 충분한 시스템 해석 연구와 다양한 조건에서의 관련 실험 데이터 축적을 통한 적절한 범위의 작동 압력의 선정이 진행되어야 함을 제시한다.
본 연구의 결과는 자동차용 PEM 연료전지 시스템의 작동시 작동 변수 제어 측면의 중요도를 파악하고 우선순위를 정하여 효율 및 성능 측면에서 안정적으로 연료전지 시스템을 구동할 수 있는 전략을 마련하는 데 기초 데이터로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차용 연료전지 시스템의 주요 작동 인자(스택 작동 온도, 공기극 작동 압력, 공기극 상대습도, 공기극 양론비)의 작은 변화에 따른 시스템 효율 민감도 특성을 분석 결과는?	1) 주요 작동 인자 중 공기극 압력 변화가 시스템의 효율에 가장 큰 민감도를 나타낸다. 따라서 연료 전지 시스템 설계 시 및 시스템 작동 시 공기극 압력 제어에는 신뢰도 높은 제어가 필요할 것으로 사료된다. 2) 스택 작동 온도는 작동 온도가 높아질수록 저출력 조건일수록 시스템 효율에 상대적으로 큰 민감도를 나타낸다. 3) 시스템의 공기극 당량비 변화는 고 출력 조건에서 시스템 효율에 상대적으로 큰 민감도를 나타내므로 고 출력 조건에서는 공기극 당량비의 신뢰도 높은 제어가 더 필요해진다. 4) 공기극 상대 습도는 저 출력 조건에서 시스템 효율에 상대적으로 큰 민감도를 나타낸다. 따라서 저출력 조건에서는 공기극 상대습도 제어가 상대적으로 중요해짐을 알 수 있다.
	연료전지이란?	연료전지는 수소와 산소의 전기화학 반응을 통하여 전기를 발생시키는 친환경, 고효율 에너지원으로 수송용, 발전용, 휴대용 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있다. 특히 고분자전해질형 연료전지(polymer electrolyte membrane [PEM] fuel cell)는 빠른 응답 특성, 비교적 낮은 작동 온도(60-80℃), 높은 출력 밀도, 우수한 시스템 적용성 등으로 친환경 자동차의 동력원으로 각광을 받고 있다1-4) .
	PEM 연료전지의 경우 전기를 발생하는 스택 (stack)이 자동차의 동력원이 되는 데 요구되는 출력을 만족시키기 위해서는?	PEM 연료전지의 경우 전기를 발생하는 스택 (stack)이 자동차의 동력원이 되는 데 요구되는 출력을 만족시키기 위해서는 시스템 형태로 적용되어야 한다. 연료전지 시스템 내에는 안정적인 스택의 성능 구현을 위하여 다양한 주변장치(balance of plant, BOP)가 요구되는데, BOP 주요 장치에는 공기 공급 장치, 열·물 관리 장치, 가습 장치 등이 포함된다.

참고문헌 (12)

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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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