고분자 전해질형 연료전지의 자동화 운전 system

구영모, 김준범

울산대학교 화학공학과

Automatic Operating System of

Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Youngmo Goo, Junbom Kim

Department of Chemical Engineering, University of Ulsan

서론

환경문제에 대한 관심이 고조됨에 따라 차세대 에너지원 중에 하나인 연료전지에 대한 연구가 국내외적으로 주목받고 있다. 연료전지는 크기가 작은 소형에서부터 대용량까지 제작이 용이하기 때문에 수요에 따라 크기와 모양을 정하여 필요한 곳에 바로 설치할 수 있다는 장점이 있다. 그리고, 연료전지는 수요처에 설치할 수 있는 on-site형이므로 기존 발전방식의 송전손실을 상당폭 감소시킬 수 있다. 또한, 연료의 화학적 에너지를 열에너지를 거치지 않고 직접 전기에너지로 변환시킬 수 있으므로 직류로부터 교류로 변환시 발생하는 손실 등을 고려하여도 현재의 화력발전보다 높은 약 50% 이상의 전환효율을 기대할 수 있다[1]. 특히 연료전지 중 PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 상온에서 운전이 가능하다는 것과 소형제작이 가능하다는 이점을 지니고 있어 국내외적으로 많은 연구가 진행 중에 있으며 이미 선진국에서는 상용화 단계에까지 도달해 있는 실정이다. 국내의 PEMFC 기술수준을 선진국과 비교하여 볼 때 열악한 환경과 기술개발에 의하여 운전 system이나 성능면에서 많은 차이를 보이고 있다. PEMFC를 단위전지의 수준에서 대용량 stack으로 발전시키기 위해서는 성능의 향상뿐만 아니라 지속성에 대한 연구가 선행되어야 한다. 선진국의 기술과 비교하여 볼 때 성능의 지속성 면에서 차이가 나는 이유는 운전 system의 자동화에 있다고 할 수 있으며, 국내의 경우에는 자체적인 자동 운전 system을 보유하지 못하고 있는 실정이다. 이로 인하여 PEMFC의 개발에 있어 비효율적인 시간과 인력의 낭비를 초래하고 있다. 본 연구에서는 PEMFC운전에 소요되는 인력과 시간을 줄이는 것과 운전의 지속성과 안전성을 높이기 위하여 운전 system의 자동화에 대한 실험을 수행하였다.

실험

PEMFC의 단위전지 운전에 소요되는 장치와 변수로는 flow meter, cell fixture의 온도, anode와 cathode측의 humidifier와 back pressure regulator, 그리고 electronic load 등이 있다. 특히 다른 운전변수들은 실험을 들어가기 전에 설정되어지는 것이지만 electronic load는 운전 중에 변화하는 data 값이므로 측정하고자 하는 time interval에 따라 계속하여 조정되어야 한다. 즉 운전 실험에서 electronic load의 조작에 많은 인력과 시간이 소비되고 있다. Electronic load의 제어는 사람의 수동작으로 제어되고 있으므로 매 시간마다 측정하기가 어렵고 실험 중 운전변수조작에 따른 data의 신뢰성이 떨어지게 된다는 문제점을 내포하고 있다.

Fig. 1에는 PEMFC의 운전 system 중에 electronic load를 자동화한 것을 도식화하여 나타내었다. 자동화에 사용된 하드웨어는 HPIO drive board이고 소프트웨어는 HP사의 VEE(Hewlett-Packard Visual Engineering Environment)를 이용하여 자동화 운전 system을 구축하였다. Cell fixture에서 생성된 전력은 HP VEE에 의하여 조정되는 electronic load에서 소모되도록 하였다[2]. 이 때 소모되는 전력량과 정상상태 운전까지 소요되는 time interval은 컴퓨터의 입력 data에 의하여 조절될 수 있도록 하였다. Electronic load로부터 입력되는 signal을 컴퓨터와 호환시키기 위하여 HP사의 HPIO drive board를 컴퓨터 내부에 장착하였고 electronic load와 HPIO drive board간의 연결 line은 HP-IB cable을 사용하였다. 컴퓨터에 입력될 수 있도록 변형된 signal은 HP VEE에서 수식화 되어 나타나며, 이 data를 Microsoft사의 EXCEL로 전송하여 file로 저장될 수 있도록 자동화 system을 구성하였다[3].

Fig. 2에는 PEMFC의 일반적인 성능 graph를 나타내었다. 점으로 나타낸 것이 성능시험에 의하여 습득한 actual data이고 선으로 나타낸 것이 regression data이다. Regression data는 다음과 같은 식에 의하여 구해질 수 있다[4].

[eqn: E~= ~{ E}_{o }~-~b~log~(`i``)~-~R~i~-~m~exp~(`n` i``)]

위 식에서 E는 cell의 potential을 나타내며, Eo는 개회로 전압, i는 전류를 나타내며 b, R, m과 n은 상수이다. Fig. 2의 A영역은 activation region을 나타내고, B영역에서 직선의 기울기는 R값으로 해석되어질 수 있고, C영역은 mass transfer limitation region을 나타내고 있다. 따라서 자동화 운전 system의  형태를 regression data에서 볼 수 있는 바와 같이 3개의 영역으로 나누어서 logic을 구성하였다. PEMFC에 적용하기 위한 형태로는 time interval part, HP load panel part, constant voltage(CV) mode change part 등으로 구분하여 logic을 개발하였고 이를 실험에 적용하였다[5,6].

결과 및 고찰

Fig. 3은 electronic load의 조작을 수동과 자동으로 하였을 때의 성능을 비교한 것이다. 수동으로 조작하였을 경우에는 운전조작 중의 부주의나 electronic load의 급격한 변화 등에 의하여 성능이 저하될 수도 있다. 그리고 일정 시간 간격으로 측정을 하여야 하므로 data를 취하는 시간의 균일성이 떨어질 수도 있다. 자동화 운전 system에서는 이와 같은 단점을 보완할 수 있으므로 Fig. 3의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 자동화된 경우의 운전성능이 수동의 경우보다 높게 나타났다.

Fig 4는 운전 run time의 interval에 차이를 둔 실험의 결과로 운전 run time도 성능에 변화를 가져 올 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이와 같이 연료전지의 실험은 운전조건(온도, 압력, 가습 등)에 따라 성능이 달라질 수 있으므로 매 실험마다 사람의 손으로 측정할 경우에는 data의 신뢰도가 떨어질 수도 있다. Run time과 data를 취하는 time interval을 실험시작시 입력할 수 있는 변수로 지정하여 control이 가능하게 함으로서 실험에 소요되는 시간과 인력을 대폭 감축시킬 수 있었다.

PEMFC의 성능 시험시에 cell fixture내의 온도가 부분적으로 과도하게 상승할 수도 있고, 가압하여 실험을 수행할 경우에는 membrane내의 수분이 감소하거나 pin hole의 발생 등으로 인하여 성능이 급격히 저하될 수도 있다. 이와 같은 성능저하 상태로 장시간 운전이 지속될 경우 연료전지의 성능이 급격이 저하되어 회복이 어려워질 뿐만 아니라, 최악의 경우에는 연료기체인 수소와 산소가 직접 반응하여 안전사고가 발생할 수도 있다. Constant current(CC) mode에서는 위와 같은 현상이 발생할 수도 있지만 CV mode에서는 이를 방지할 수 있다. 따라서 자동화 운전 system내에 안전을 위한 logic을 첨가하여 위와 같은 급격한 변화가 발생할 경우에는 CC mode에서 CV mode로 자동 전환할 수 있는 system을 구축하였다. Fig. 5는 성능의 저하 시에 CC mode에서 CV mode로 자동적으로 전환된 경우의 성능변화를 나타낸 것이다. 이와 같은 안전 logic에 의하여 운전 중에 발생할 수 있는 성능의 저하 현상을 방지할 수 있었고 실험장비의 효율성도 증대시킬 수 있었다.

결론

HP VEE language를 이용하여 단위전지의 성능 실험을 수행할 수 있는 electronic load의 자동화에 대한 control logic을 개발하였다. 그 결과로  PEMFC의 연구에 소모되는 시간과 인력을 대폭 감소시킬 수 있었고, 성능의 지속성과 안전성을 확립하였다. 이로 인하여 1달의 기간 내에 1회에 2∼3시간이 걸리는 성능실험을 200회 정도까지 수행할 수 있게 되었다. PEMFC는 control logic에 따라 성능과 수명이 영향을 받을 수 있으므로 이에 대한 지속적인 연구개발이 필요할 것으로 사료된다.

참고문헌

1.  Appleby, A. J. and Foulkes, F. R.,“Fuel Cell Handbook”, Van Nostrand        Reinhold (1989)

2.  Hewlett-Packard Co.,“Visual Programming with HP VEE”,  second edition         (1997)

3.  Hewlett-Packard Co.,“HP VEE Advanced Programming Techniques”, third       edition (1997)

4.  J. Kim, S. Lee, and S. Srinivasan, J. electrochem. soc., 142, 8 (1995)

5.  Hewlett-Packard Co.,“Getting Started with HP VEE”, first edition (1997)

6.  Hewlett-Packard Co.,“Introduction to HP VEE”, version B (1997)

Fig. 1. Electronic load의 자동화 구조

Fig. 2. PEMFC의 성능해석           Fig. 3. 조작방식에 따른 성능변화

Fig. 4. 운전 시간에 따른 성능변화    Fig. 5. 성능저하시 mode의 전환방식