[논문]1kW 연료전지 시스템용 개질기 온도제어

신범수; 김동찬; 공민석; 최동민; 박연구

[국내논문] 1kW 연료전지 시스템용 개질기 온도제어
Temperature Control for the Steam Reforming Reactor in 1kW PEMFC system 원문보기

신범수 ((주)효성) , 김동찬 ((주)효성) , 공민석 ((주)효성) , 최동민 ((주)효성) , 박연구 ((주)효성)

The object of the paper is to design two PI controllers. One provides the stable target temperature to the steam reforming reactor in 1kW PEMFC system. The other controls burner to operate within a permissible range of temperature. Feedforward control is applied to obtain temperature stability against disturbances such as changes of operating condition resulted from load change. Step response tests show that these controller work well with an error tolerance of $5^{\circ}C$.

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문제 정의

본 논문에서는 스택 발전에 필요한 수소를 안정적으로 공급하기 위해 수소 개질 과정에 필요한 열량을 정확히 그리고 변동없이 가해주는 온도제어 시험을 수행하였다. 이 시험에서 사용된 제어기는 PI 제어기이고, TMS320F2812 DSP Controller를 통해 구현하였다.
본 연구에서는 연료전지 시스템의 중요 제어요소 중 하나인 개질기 온도제어에 PI 제어기를 설계하여 진행하였고 그 제어기 성능을 평가하였다. PI 제어를 통해 개질기에 필요한 반응 온도를 ∓5℃ 범위 내에서 제어하였고, 외란이라고 할 수있는 부하 변동시에는 feedforward 제어를 적용하여 개질기 온도 변화에 미리 대응하여 변화폭이 작도록 하였다.

제안 방법

이 시험에서 사용된 제어기는 PI 제어기이고, TMS320F2812 DSP Controller를 통해 구현하였다. 그리고 1kW급 계통연계 연료전지시스템에 적용하여 시험을 진행한 후 제어기 성능을 평가하였다.
2) 이에 효성에서는 일산화탄소 농도에 대한 연료전지의 거동 특성을 파악하고, 일산화탄소에 의한 촉매 피독 시의 성능 회복 방안을 마련하여 시스템 개발 시 적용하였다.
개질기 단독 성능 시험 시 개질 가스 및 배출 가스의 유량을 확인하기 위해 습식 유량계(Shinagawa社, W-NK-5A) 를 사용하였다. 또한 개질 가스의 조성을 파악하기 위해서 비 분산 적외선 분광기(NDIR)및 보다 측정시간은 길지만, 보다 정밀한 측정이 가능한 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)를 동시에 사용하였다.
개질기 단독 성능 시험 시 개질 가스 및 배출 가스의 유량을 확인하기 위해 습식 유량계(Shinagawa社, W-NK-5A) 를 사용하였다. 또한 개질 가스의 조성을 파악하기 위해서 비 분산 적외선 분광기(NDIR)및 보다 측정시간은 길지만, 보다 정밀한 측정이 가능한 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)를 동시에 사용하였다.Fig.
앞에서 설계된 PI 제어기의 성능 평가를 위해 PI 제어 성능 시험을 하였다. 목표온도는 개질기 700℃ 이고 버너는 750℃이다.
에서 보는 것처럼 버너와 개질기의 온도가 목표온도의 ∓5℃ 범위 이내로 제어됨을 볼 수 있다. 이 시험에서 개질기 온도를 조절하기 위한 제어변수는 버너 온도이고, 버너 온도를 조절하기 위한 제어변수는 버너 NG와 버너 AIR이다. 그리고 PI제어기에 의해 버너 NG 값을 도출되면 버너 AIR는 공연비에 맞게 버너 NG 값에 연동되어 결정된다.
본 연구에서는 연료전지 시스템의 중요 제어요소 중 하나인 개질기 온도제어에 PI 제어기를 설계하여 진행하였고 그 제어기 성능을 평가하였다. PI 제어를 통해 개질기에 필요한 반응 온도를 ∓5℃ 범위 내에서 제어하였고, 외란이라고 할 수있는 부하 변동시에는 feedforward 제어를 적용하여 개질기 온도 변화에 미리 대응하여 변화폭이 작도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 스택 발전에 필요한 수소를 안정적으로 공급하기 위해 수소 개질 과정에 필요한 열량을 정확히 그리고 변동없이 가해주는 온도제어 시험을 수행하였다. 이 시험에서 사용된 제어기는 PI 제어기이고, TMS320F2812 DSP Controller를 통해 구현하였다. 그리고 1kW급 계통연계 연료전지시스템에 적용하여 시험을 진행한 후 제어기 성능을 평가하였다.

이론/모형

이 Gain값을 결정하는 방법에는 크게 무모델 조정법과 모델기반 조정법으로 나눌 수 있다. 본 논문에서는 무모델 조정법 중 지글러-니콜스(Ziegler-Nichols) 방법을 이용하여 PI Gain값을 결정하였고, 세부적인 Gain Tuning을 진행하여 PI 제어기를 설계하였다.⁵⁾

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