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소형 PEM 연료전지 스택의 BOS 제어에 관한 연구
A Study on the BOS control of a small PEM fuel cell stack 원문보기

한국신재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회 논문집, 2009 June 25, 2009년, pp.274 - 277  

김태훈 (숭실대학교 전기공학부) ,  최우진 (숭실대학교 전기공학부)

초록
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본 논문에서는 소형 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지 스택의 BOS(Balance of Stack) 제어에 관하여 논의한다. 별도의 가습 장치가 필요치 않고 BOS의 구성이 비교적 간단한 소형 PEM 연료전지 시스템에서는 팬과 퍼지밸브만의 제어를 통해 스택 내부 수분의 조절과 열 관리가 수행된다. 따라서 본 논문에서는 부하에 따른 최적의 공기유량을 계산하고 요구되는 유량의 공급을 위해 팬을 제어하는 알고리즘을 통해 소형 연료전지 시스템의 과도응답 특성과 안정성을 향상시키는 방법에 관하여 제안한다. 150W급 소형 연료전지 시스템을 꾸미고, 마이크로컨트롤러를 이용한 제어회로를 구현하여 실험함으로써 제안된 알고리즘의 유용함을 검증하였다.

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 소형 PEM 연료전지 스택용 BOS 제어 방법에 대해 제안하였으며, 150W급 소형 연료전지 시스템을 이용한 실험을 통해 제안된 알고리즘의 유용함을 검증 하였다. 팬과 퍼지 밸브의 최적 제어를 통해 안정한 운전이 가능함을 알 수 있었으며, 팬의 PI 제어를 통해 동특성이 향상됨을 실험을 통해 확인하였다.

가설 설정

  • 연료전지의 전기 화학 반응을 통해 생성된 물이 모두 수증기 상태로 스택에서 배출된다고 가정하고, 연료전지의 반응엔탈피가 모두 전기적 에너지로 변환되면, 셀의 출력전압은 1.25V(LHV 기준)가 되며, 스택의 발열량은 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지가 휴대용, 가정용 및 자동차용으로 이용하기에 적절한 이유는 무엇인가? 다양한 종류의 연료전지 중 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지는 비교적 낮은 온도에서 동작하며, 효율이 좋을 뿐 아니라 다른 종류의 연료전지에 비해 부피가 작기 때문에 휴대용, 가정용 및 자동차용으로 이용하기 위한 연구가 활발하다. 이러한 PEM 연료전지 스택은 상압이나 가압 하에 동작 시킬 수 있는데, 소형 PEM 연료전지 시스템에서 가압방식으로 연료전지 스택을 사용할 경우 다소의 압력 이득이 생기지만, 압축에 필요한 에너지 소모를 고려한다면 실질적인 효율의 증가를 기대하기 어렵다.
상압형 연료전지 스택에 무가습 방식을 채택함으로써 어떠한 장점이 있는가? (1) 따라서 휴대용과 같은 소형 연료전지 시스템의 제작에 있어서는 주로 상압형 연료전지 스택이 사용되어 지며, 이때 반응에 필요한 공기를 공급하기 위해팬 혹은 블로어가 사용된다. 또한, 주로 무가습 방식을 채택함으로써 가습 장치와 같은 복잡한 BOS(Balance of Stack)를 필요로 하지 않아 시스템의 구성이 단순해지기 때문에 컴팩트한 시스템을 구성하는 것이 가능하다. 그러나 스택 내부의 수분 조절 및 열관리를 고려한 공급 공기 유량의 제어가 시스템의 성능을 좌우하게 된다.
휴대용과 같은 소형 연료전지 시스템에 가압형 연료전지 스택이 사용되지 못 하는 이유는 무엇인가? 다양한 종류의 연료전지 중 PEM(Proton Exchange Membrane) 연료전지는 비교적 낮은 온도에서 동작하며, 효율이 좋을 뿐 아니라 다른 종류의 연료전지에 비해 부피가 작기 때문에 휴대용, 가정용 및 자동차용으로 이용하기 위한 연구가 활발하다. 이러한 PEM 연료전지 스택은 상압이나 가압 하에 동작 시킬 수 있는데, 소형 PEM 연료전지 시스템에서 가압방식으로 연료전지 스택을 사용할 경우 다소의 압력 이득이 생기지만, 압축에 필요한 에너지 소모를 고려한다면 실질적인 효율의 증가를 기대하기 어렵다.(1) 따라서 휴대용과 같은 소형 연료전지 시스템의 제작에 있어서는 주로 상압형 연료전지 스택이 사용되어 지며, 이때 반응에 필요한 공기를 공급하기 위해팬 혹은 블로어가 사용된다.
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