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가정용 연료전지 시스템의 열관리 해석
Thermal Management Study of PEMFC for Residential Power Generation 원문보기

대한기계학회 2008년도 추계학술대회B, 2008 Nov. 05, 2008년, pp.2839 - 2844  

유상석 (기계연) ,  이영덕 (기계연) ,  안국영 (기계연)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A PEMFC(proton exchange membrane fuel cell) is a good candidate for residential power generation to be cope with the shortage of fossil fuel and green house gas emission. The attractive benefit of the PEMFC is to produce electric power as well as hot water for home usage. Typically, thermal manageme...

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문제 정의

  • 통상, 스택으로 들어가는 공기량을 증가 시킬수 록 스택의 성능은 개선 될 수 있지만, 블로워가 사용하는 기생 전력도 증가하기 때문에, 운전 조건을 효율적으로 제어 시킬 필요가 있다. 본 연구에서는 이론공기량의 2배를 최적조건이라고 정의하여, 대부분의 운전영역에서 터보블로워가 반응량(stoichiometry flowrate)의 2배에 해당하는 공기량을 공급할 수 있도록 제어하였다. 요구 유량이 매우 작은 경우에는 블로워의 안전성을 확보하기 위해 최소 속도로 운전할 수 있도록 제어하였다.
  • 그러므로 본 연구에서 작성된 단위 부품의 모델들은 경험식에 의존하기보다는 1-D 해석 모델을 이용해 작성하고자 한다. 이렇게 작성된 모델을 프로그래밍 플렛폼(SIMULINKⓇ)에서 통합하여, 가정용 연료전지 시스템의 열관리를 위한 설계 및 운전 인자를 도출하고자 한다.

가설 설정

  • 여기서, 막 전해질 내부의 습증기 함유도는 양쪽 전극에서의 습증기 농도차에 의한 확산력과 전압차에 의한 전기삼투력(electroosmotic force)사이의 균형에 의해 결정된다(3). 그리고 양 전극에 압력차가 존재하면 이에 의한 유동도 존재하지만, 본 연구에서는 두 전극의 압력차는 동일한 것으로 가정하였다. 습증기 수송 모델은 비정상상태에 대해 두 구동력을 종 보존 방정식에 적용하여 유도하였다(4):
  • 이를 제어하기 위해서 급탕수 유량 및 온도 신호를 검출하였으며, 급탕수 온도는 65℃를 최고온도로 설정하고, 외부 냉각 유량을 이용해 온도를 조절하였다. 열교환기 모델은 판형 열교환기를 가정하여 모델링하였으며, 냉각계통의 동특성은 냉각수 구동 펌프의 모터 동특성만을 고려하였다.2
  • 블로워 모듈은 터보 블로워 본체와 모터로 구성되어진다. 터보 블로워의 동특성은 모터 동특성에 의해 지배된다고 가정하였으며, 모터 동특성 모델을 적용하였다(6). 터보 블로워는 연료전지 스택에 공기를 공급해 주지만, 또한 구동 동력을 공급 받는다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고분자막 전해질 연료전지의 장점은 무엇인가? 연료전지는 다양한 산업체 분야에서 발생하는 매연 및 이산화탄소 배출문제, 에너지 자원의 고갈 등 전세계적으로 공감대를 형성하고 있는 자원고갈과 공해에 능동적으로 대처할 수 있는 차세대 동력 추진원으로 서서히 인식을 확장하고 있다. 연료전지는 그 작동온도 및 전해질 등 재료에 따라서 다양하게 분류되며, 그 중 고분자막 전해질 연료전지(Proton Exchanger Membrane Fuel Cell, 이하 PEMFC)는 저온작동이 가능하며, 제작이 간편하고, 시동 시간이 짧으며, 효율이 우수하여, 현재 차량용으로 적용하기 위해 활발한 연구가 진행 중 이다. PEMFC는 또 대형 트럭들의 장기 정차 시 발생하는 기생전력(hotel power)을 제공하기 위한 보조동력용으로 적용시에도 효율 향상에 큰 기여를 하기 때문에, 보조 동력용으로도 연구가 진행중이다. 그리고, PEMFC에서 발생하는 전력과 열을 동시에 사용하여, 열효율을 극대화 시킬 수 있기 때문에, 가정용 복합 발전(1kW급)에 적용하기 위한 연구도 진행 중이다.
블로어의 모터 속도 제어 시 모델을 단순화 시키기 위해 모터 제어를 위한 검출 신호를 무엇으로 설정하였는가? 연료전지 시스템 성능 예측 프로그램에서는 스택에 필요한 공기량을 공급하기 위해, 블로어의 모터 속도를 제어한다. 모터 속도 제어 시, 모델을 단순화 시키기 위해, 모터 제어를 위한 검출 신호는 공기 공급계 출구에서의 유량으로 설정하였으며, 향후 경제성 등을 고려하여 검출 신호를 변경할 예정이다. 검출 신호의 제어 목표값 공기 이용율을 50%(νair =2)로 하였다(Jay).
PEMFC이 물관리가 매우 중요한 이유는 무엇인가? PEMFC를 상용화하기 위해서는 다수의 기술적 도약이 필요하며, 가정용의 경우 효과적인 열관리를 통해 가정에 필요한 온수를 공급함과 동시에, 시스템 작동온도를 최적으로 유지할 수 있다. 그리고, PEMFC는 전해막에 적절한 수분을 유지시킴과 동시에 양쪽 채널에서는 수분 배출을 효과적으로 수행해야 우수한 성능을 낼 수 있기 때문에, 물관리가 매우 중요하며, 물 및 열관리는 서로 연동되기 때문에 시스템적 관점에서의 접근이 필요하다.
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