고분자 전해질 연료전지와 슈퍼캐패시터 하이브리드 시스템의 운전전략에 관한 연구

Abstract

수소 에너지를 이용한 연료전지가 환경 친화적일 뿐만 아니라 고효율과 저소음, 저 진동 등의 장점으로서 관심을 받고 있다. 연료전지 중 고분자 전해질 연료전지(PEMFC)는 높은 전력 밀도, 낮은 작동 온도와 쉬운 제조로 휴대용 제품이나, 자동차, 보조전력으로서 적용하고자 연구 진행 중이다. 하지만, 이러한 장점에 반해 전해질의 물 문제, 안정적인 장기 운전특성, 그리고 성능 저하의 기술적인 문제를 가지고 있다. 고분자 전해질 연료전지의 기술적인 문제는 모두 물 문제와 관련 있어 물 문제를 해소하기 위한 노력이 진행 중이다. 최근에는 하이브리드 시스템을 구성함으로써 연료전지의 전력 변화를 최소한으로 줄이고, 급격하게 변하는 요구 전력은 보조 에너지 장치로 전력을 분산 담당하게 하여 물 문제를 감소시키고 전력 공급의 안정화에 대한 연구가 많이 시도되고 있다. 따라서 본 연구에서 연료전지와 슈퍼캐패시터 하이브리드 시스템을 제작하고 제어 전략에 따른 전력 변화의 안정성에 관하여 연구하였다. 연료전지의 특성 파악을 위해서 Polarization Curve와 전류 변화에 따른 동특성 실험을 공기극의 Stoichiometry변화에 따라 실험 하였다. 물 문제에 의한 성능 저하를 고려하여 하이브리드 시스템 실험에서는 공기극의 높은 Stoichiometry로 실험 조건을 잡게 되었다. DC/DC Converter를 제작하여 연료전지 및 슈퍼캐패시터와 연동하여 실험을 수행하여 하이브리드시스템의 제어전략을 BUS의 요구 전력이 높은 경우 전력 분담의 조건에 따라 2가지로 나누었다. 제어 전략 1은 고전류 영역을 슈퍼캐패시터만으로 담당하게 하는 것이고, 전략 2는 연료전지와 함께 전력 분담을 하는 것이다. 하이브리드 시스템 실험과 MATLAB/simulink™ 를 이용한 모델링을 통하여 높은 효율과 안정된 전력 공급이 요구되는 시스템에서는 전략 1을 사용하는 것이 좋다는 것을 알았다.