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자동차용 연료전지 동력 시스템
한국에너지기술연구원
1. 연료 전지 자동차 기술 개요 최근 선진국의 주요 자동차 제작사와 부품회사들이 연료전지 자동차의 상용화를 위하여 경쟁과 협력을 통해 개발을 서두르고 있다. 자동차 제작사들은 2003년에서 2004년에 걸쳐서 상용화를 위한 시범 자동차를 출시하겠다고 공식적으로 발표한 바 있다. 연료전지 자동차는 에너지원으로 연료전지를 사용하는 것으로 연료전지는 공기중의 산소와 연료 중의 수소를 이용하여 전기화학적으로 전기를 발생시키는 것으로 연료와 공기를 외부에서 공급하여 전지의 용량에 관계없이 계속 발전을 할 수 있는 시스템이다. 연료전지는 연료의 화학에너지를 열에너지로의 변환없이 직접 전기에너지로 변환시키기 때문에 효율이 매우 높고 공해가 거의 없는 이상적인 발전시스템이다.
현재 개발되거나 사용되고 있는 연료전지는 전해질의 종류에 따라 알카리 연료전지, 인산 연료전지, 고분자 전해질 연료전지, 용융 탄산염 연료전지 그리고 고체 산화물 연료전지가 있다. 2). 연료전지 자동차 주행 성능 다임러 클라이슬러의 최근 연료전지 자동차 NECAR4의 주행 성능을 통해 기존의 내연기관 자동차와 비교되는 연료전지 자동차의 성능을 살펴보면 다음과 같다. NECAR4는 1999년 3월 워싱톤 D.C.에서 발표된 4인승 A-class Compact sedan 연료전지 자동차이다. 한번 연료 충전후 450Km를 달릴 수 있다. 엔진의 핵심부로 2개의 35kW급 고분자 전해질 연료전지가 탑재되어 있으며 액화수소와 공기중의 산소를 이용하여 구동된다. 운전 결과 연료전지 스택의 총효율은 62.2%로 나타났으며 나머지는 열로 소비되었다. 62.2%중 16.4%는 압축기, 냉각펌프와 순환기 등의 보조 동력으로 사용되었으며 8.1%는 인버터 전동기, 트랜스미션과 차동기어에서 손실되었다. 따라서 37.7%만이 수소에너지에서 바퀴의 회전력으로 사용되었다. 이것은 기존의 디젤엔진보다 반 이상 효율이 증가된 것이다. 연료 사용율로 고려하면 평균 수소사용량이 100km당 1.1kg으로 가솔린으로 환산하면 4.0l이며 디젤로는 3.7l이다. 이것은 같은 주행시험모드에서 100km를 가기 위해 디젤 4.5l 가솔린 7.1l가 사용되는 기존의 내연기관에 비해 연비가 우수한 것이다. NECAR4의 최고속도는 1445km/h이지만 모토의 마모를 방지하기 위해 최고속도는 125km/hh로 제한하여 실험하였다. 앞에서 언급된 결과들은 10,000km 주행후의 성능이다. 가속 성능으로는 0-30km/h에 2.8sec, 0-50km/h에 6sec, 그리고 6-100km/h에 26.3sec가 소요되었는데, 저속에서 가속 성능은 우수한데, 고속에서의 가속 성능이 60km/h에서 100km/h까지 18.1sec가 걸리는 문제가 있었다. 이것은 차량무게와 관련된 것으로 연료전지 자동차는 기존 A-class 보다 300kg이 더 무겁다. 이외에 다른 성능들도 보고되었는데 소음의 경우 69.3db로 기존 자동차의 72db보다 낮은 값으로 승차감이 우수하다.
1) 각국의 개발 현황 연료전지 자동차 개발은 독일의 다임러 클라이슬러가 NECAR1~NECAR4 시리즈로 시제품을 발표하였으며 그 뒤를 토요다, Ford등 주요 자동차 회사들이 따르고 있었으나 최근에는 자동차회사들이 합병과 기술 제휴 등을 통해 2003년이나, 2004년까지 연료전지 상용차를 개발한다는 계획을 발표하고 있다. 세계적으로 연료전지를 이용한 자동차의 개발 현황은 <표 1.1>과 같다. <표 1.1>에서 알 수 있는 바와 같이 주요 자동차 제작회사들이 총 망라 되어 있는 것을 알 수 있다. <표 1.1> 연료전지 자동차 개발 현황
<표 1.1>에 표시된 것 이외에 수소를 탑재하여 사용하는 연료전지 버스로는 260Kw급 연료전지를 사용하는 BPS버스와 Daimler Benz의 NeBus 가 있으며 NECAR1, 2가 고압 수소 용기를 사용하고 있다. 1996년의 토요타의 연료전지 자동차(FC-EV/RAV4)는 수소 흡장 함금에 저장된 수소를 연료로 하는 연료전지로서 자사제품의 연료전지를 사용하여 1회 충전으로 250Km를 주행할 수 있다. Ford는 1999년 압축수소를 탑재한 P2000 연료전지 시범 자동차를 발표하였다. 또한 NECAR4는 [그림 1.1]과 같이 액화수소를 탑재한 연료전지 자동차이다. NECAR4는 Ford의 자동차와 마찬가지로 승객을 위한 공간을 충분히 확보하고 있으며, 운전거리는 약 450㎞로 일반 자동차와 차이가 없다.
3) 개질기 탑재 방식 연료전지 자동차 차에 저장된 메탄올을 개질한 수소를 연료전지의 연료로 사용할 경우 충분한 주행거리를 확보할 수 있고, 기존의 연료공급 기반시설을 그대로 활용할 수 있는 장점이 있다. 토요타, 닛산의 연료전지 자동차가 메탄올 개질기를 탑재하고 있다. [그림 1.2]가 개질기를 탑재한 NECAR3 자동차이다. 1998년에는 GM/Opel에서 메탄올 개질기를 탑재한 실험차를 발표하였다. NECAR3는 메탄올을 연료로 수소를 직접 사용하지 않고 액체 연료를 사용한다 는 점에서 주목할 만하다. 그러나 액체 메탄올에서 수소를 생산하는 개질 과정의 복잡성으로 인해 운전석으로 제외하고는 전부 개질기로 채워야 하는 문제점이 있어 실용화된 자동차로는 볼 수 없으며 수소 이외의 연료를 사용하기 위해서는 이를 위한 공정 설비의 크기를 줄이기 위한 연구가 더 필요하다. 차세대 동력원으로 주요 역할을 담당하게 될 연료전지 시스템을 개발하기 위해서는 연료전지 스택을 비롯하여 개질기, 동력변환기, 급기시스템, 냉각시스템 그리고 제어기 등의 요소 기술과 이들 요소들을 종합적으로 연계시키고 운영시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다. 연료전지를 비롯한 대체 동력기관 위한 평가는 단순히 가격에 의한 경쟁성만을 고려할 것이 아니라, 지역적 공해문제, 온실가스 배출 문제, 효율 향상과 대체 연료 사용으로 인한 원유 수입과 자원문제의 해결 등을 종합적으로 고려하여 결정해야 한다. 가격에는 동력설비 자체의 가격은 물론, 연료비와 기반 시설 투자비를 포함해야 한다. 다임러 클라이슬는 Ford, Ballard와 공동으로 2004년에는 연료전지 자동차를 일반시장에 연 40,000대를 판매하겠다고 발표하였다. 가솔린과 대체연료 사용이 가능한 50kW 고분자 전해질 연료전지 시스템의 개발을 위하여 2개의 팀(Plug Power, L.C.C./Arthur D. Little과 IFC/Arthur D. Little)이 연구를 수행 중에 있다. DOE는 첨단 PEMFC 스택과 다중 연료 사용가능 개질기 서브시스템을 개발하기 위한 과제를 지원하고 있다. Energy Partners와 Allied Signal-AES는 부분산화 개질기로 작동 가능한 50kW 연료전지 스택을 각각 개발하고 있다. 여기에서는 시스템 효율과 출력 밀도를 각각 57%와 350 W/kg을 목표로 하고 있다. 가격목표는 대량 생산을 기본으로100$/kW이다. Hydrogen Burner Technology는 가솔린, 메탄올, 에탄올 또는 천연가스에서 고품질의 개질가스를 연료전지 시스템에 공급 가능한 50kW, 다중 연료 개질기(CO 정제 포함)를 개발하고 있다. 시스템 효율과 출력 밀도의 목표는 각각 70%와 600W/kg이다. 가격 목표는 대량 생산을 기본으로 하여 30 $/kW이다. - 핵심 부품의 연구 개발 DOE 프로그램은 연료전지 시스템의 핵심 부품을 개발하기 위한 여러 개의 중점 연구 개발 과제(산업체와 공동)를 지원하고 있다. 이들 과제는 첨단 재료의 연구 개발뿐만 아니라 저렴한 생산 공정의 개발에도 중점을 두고 있다. <표 1.2> 자동차용 연료전지 핵심 기술 보유 현황
<표 1.2>가 자동차용 연료전지의 핵심 기술 보유현황을 정리한 것이다. <표 1.2>에서 알 수 있는 바와 같이 주요 연료전지제작회사와 자동차회사가 자동차용 연료전지의 기술의 일부를 보유하고 있음을 확인할 수 있다.
2. 연료전지 동력시스템 구성
전기자동차는 순수하게 축전지만을 이용하는 것과 축전지와 새로운 동력원을 병합하여 사용하는 하이브리드 자동차로 구분할 수 있는데 연료전지자동차의 경우도 연료전지만을 이용하거나 축전지와의 하이브리드로 동력장치를 구성할 수 있다. [그림 2.1], [그림 2.2], 그리고 [그림 2.3]이 각각 축전지만의 전기자동차와 연료전지/축전지 하이브리드, 그리고 연료전지중심의 동력장치를 나타내는 개념도이다.
[그림 2.2]와 [그림 2.3]은 직접 수소를 이용하는 연료전지를 나타낸 것으로 메탄올과 같은 탄화수소를 연료로 이용할 경우에는 자동차에 탑재된 수소발생장치, 즉 개질기가 필요하며, [그림 2.4]와 [그림 2.5]가 개질기를 포함한 연료전지 시스템의 전체적인 구성도이다.
[그림 2.4]와 [그림 2.5]에서 알 수 있는 바와 같이 연료전지 동력장치 구성은 연료변환부(개질기 포함), 압축기와 같은 공기 공급부, 연료전지 스택, 그리고 전력변환계와 축전지로 구성되어 있다. 연료로 수소를 사용할 경우 연료변환부가 필요없으며 보다 간단하게 시스템을 구성할 수가 있다. 이와 같은 연료전지 엔진에서 가장 중요한 부분은 스택과 개질기로 이에 대해서는 별도의 장에서 설명한다. 연료전지를 동력기관으로 실용화시키기 위해서는 연료전지 스택과 개질기의 성능개선은 물론 저온 시동, 공기 가압시스템의 소형화, 연료변환(개질기) 부분이나 수소 저장기의 소형화 문제, 냉각 시스템 소형화 등의 문제를 해결해야 한다. 연료전지 시스템은 연료전지 스택 이외에 연료 공급장치, 공기 공급장치, 냉각 장치 등 복합 설비로 구성되며 이들 설비들이 연료전지 특성에 맞게 종합화되고 연계되어 운전될 때 연료전지의 장점인 고효율을 유지할 수 있다. 연료전지 엔진 시스템은 운전 방법에 따라 온도, 압력, 유량을 완전하게 전자식으로 제어하는 방식과 주요 부분은 전자식으로 정밀 제어하고 나머지는 기계식으로 조절하는 방식으로 설계할 수 있다. 연료전지 제어시스템은 마이크로 프로세서를 이용하여 시동과 정지를 위한 순차제어와 출력제어가 이루어지도록 설계하였다. 연료전지는 연료로서 수소와 산화제로서 공기중의 산소를 이용하여 발전하는 시스템으로 [그림 2.6]과 같은 부속설비로 구성되어 있다. 메탄올과 같은 연료를 이용할 경우 [그림 2.5]와 같이 연료변환장치가 필요하며 외부에서 제조된 수소를 직접 이용할 수 있다. [그림 2.7]이 직접 수소이용 자동차의 시스템 구성 예이다. 수소를 직접 연료로 이용하는 연료전지 시스템의 경우 실제 이용율보다 높게 공급된 수소를 출구측에서 배출시키지 않고 입구쪽으로 재 순환시켜 사용할 수 있으며 이 경우 수소는 전기 부하를 위해 필요한 양보다 과도하게 연료전지에 공급되며 외부 부하에 따른 연료전지의 최대 전력 생산량은 공기량에 의해 좌우될 수 있다. 즉 연료가 충분히 공급된 상태에서 산화제인 공기의 양을 제어하여 연료전지의 출력을 제어하게 된다. 공기는 압축기나 송풍기에 의해 공급되며 이와 같은 유체기계의 모터 회전수를 제어하여 필요한 공기 양을 조절하게 되는데 전기적인 반응보다 연료나 공기 공급 시스템의 응답 특성이 느리므로 이에 대한 보상이 필요하며, 시스템 시동시나 급격한 부하 증가시에 특히 연료전지에 과부하가 걸리지 않도록 운전을 수행할 필요가 있다.
[그림 2.8] 연료전지 동력장치 구성도
[그림 2.9] 직접수소 이용 연료전지 자동차 구성예
[그림 2.10] 직접 수소이용 연료전지동력 시스템
[그림 2.8]와 [그림 2.9]가 수소 이용 고분자 전해질 연료전지 설비의 개략도를 나타낸 것으로 [그림 2.8]은 전체 설비를 [그림 2.9]는 급기 및 가습설비를 중심으로 개략적인 공정을 나타낸 것이다. 여기서 알 수 있는 바와 같이 전체 설비는 연료전지본체를 비롯하여 급기설비, 연료 공급 설비, 가습설비, 전력변환설비 그리고 제어 설비로 구성되어 있는 것을 알 수 있으며 이외에 냉각과 수처리설비가 가습설비에 연계되어 있다. 구체적으로 각 부품의 기능을 설명하면 다음과 같다. [그림 2.8]에서 연료인 수소는 입구 밸브와 압력조절기를 통해 연료전지로 공급되며 공기는 공기필터와 유량계를 거친 후 송풍기나 압축기에서 가압되어 연료전지에 공급된다. 유량계는 압축기 후단에 설치될 수도 있다. 연료전지 전단에는 공기나 연료를 가습하기 위한 가습장치가 필요하다. 고분자 전해질 연료전지 특성상 이온전도도를 위해 전해질인 막이 계속 습한 상태를 유지해야 한다. 연료전지 내부에서는 전해질인 막을 사이에 두고 양극에 공기와 수소가 공급되어 전
[그림 2.11] 급기 및 가습설비 중심 연료전지 시스템 구성도 기화학 반응에 의해 전기를 발생하고 물이 생성되어 공기측으로 배출된다 부하 상태에서 단위전지에서 얻을 수 있는 전압은 1volt 이하로 미소하므로 단위전지를 직렬로 적층시킨 스택을 이용하여 고전압의 전력을 발전시킬 수 있다. 공기량을 제어하는 압축기는 전기 모터에 의해 구동되는데 정상적인 상태에서는 연료전지의 출력을 모터 특성에 맞게 변환시켜 사용하며, 시동시에는 보조 축전지의 전기를 이용한다. 소형 발전설비에 많이 채용하는 연료전지/축전지 복합 발전 설비인 경우에는 축전지의 전력을 변환시켜 연료전지에서 필요한 전기를 공급하게 된다. 공기량은 연료전지에 요구되는 동력에 연동되어 압축기의 회전수를 조절하여 제어하게 된다. 공기 출구에는 압력조절기가 설치되어 부하에 따라 변하는 공기량에 관계없이 스택내부가 일정한 압력을 유지하도록 한다. 수소측에는 퍼지(purge) 밸브가 설치되어, 정상 상태에서는 닫혀서 연료전지 출구의 잔여 수소를 입구로 다시 순환시킬 수 있도록 하며, 계속 운전 중에 발생할 수 있는 오염물질이나 과다하게 공급된 수분을 배출시키는 역할을 수행하게 된다. 제어기에서는 유량, 전압 전류 등의 계측자료와 동력 요구신호를 이용하여 연료전지를 제어하기 위한 신호를 산출하게 되며 이 신호에 의해 수소 측 입 출구 밸브와 공기측 압축기 그리고 출력 부하를 제어하게 된다.
3) 연료전지 공정 제어 시스템 연료전지 시스템의 공정시스템은 크게 제어시스템별로 유량제어시스템, 온도제어시스템, 압력제어시스템, 그리고 가습제어 시스템으로 구분할 수 있다. 온도제어시스템은 스택 내부온도를 최적의 반응상태를 유지하도록 제어하는 것으로 스택 출구의 공기 온도나 냉각수의 출구 온도가 일정 한 값을 유지하도록 스택에 공급되는 냉각수의 온도나 유량을 제어하는 것이다. 냉각 시스템에는 온도제어기 이외에 급수저장시스템의 수위를 일정하게 유지하기 위한 수위제어기가 포함되어 있으며, 냉각수를 통한 전기의 누설과 가습장치의 오염을 막기 위해 전해도를 검출하는 장치와 정수 처리를 위한 필터가 설치되어야 한다. 또한 스택의 성능에 영향을 미치는 공기와 연료의 압력을 제어하기 위해 압력제어시스템이 설치되어야 하며, 부하에 연동되어 최적의 효율을 유지하도록 유량제어기가 설치되어야 한다. 고분자 전해질 연료전지에서는 최적의 반응을 위해서는 전해질막을 항상 가습상태로 유지해야 하는데 이를 위한 가습장치가 설치되어야 하며 부하에 따라 가습량을 제어할 필요가 있다. 가) 연료전지 스택 온도제어 연료전지는 전기 발생과 더불어 발열반응에 의해 계속해서 열이 발생하는데 스택 내부 온도를 최적 운영온도로 유지하기 위해서는 냉각이 필요하다. 온도 제어기는 연료전지 스택의 냉각판에 공급되는 냉각수의 온도를 조절하는 것으로 이에 연동되어 스택 내부온도가 제어된다. 스택의 내부온도는 설정 온도는 전해질막의 안정성과 스택의 효율을 고려하여 80 ℃로 하였다. 나) 공기 유량제어 공기는 압축기의 회전수 제어나, 공기관의 입구에 설치된 유량제어밸브를 이용하여 제어한다. 공기 유량은 부하에 연동되어 제어되는 것으로 자동차의 엔진 제어기의 부하 요구 신호나 연료전지의 전압과 전류 신호를 이용하여 최적의 이용율을 유지하도록 공기량을 제어한다. 공기이용율 제어에 대해서는 별도로 설명한다. 다) 공기 압력제어 스택 내부의 반응 압력을 일정하게 유지하지 위한 것으로 출구에 설치된 밸브를 이용하여 압력을 제어한다. 압력제어를 부하에 연동하여 제어할 경우에는 전자식제어밸브가 필요하며 부하에 관계없이 항상 일정한 값으로 유지시킬 경우에는 기계식 압력조절기를 사용할 수 있다. 압력은 1-3bar 정도로 조절한다. 라) 수소 압력제어 수소를 연료로 할 경우에는 반응에 사용되지 않은 연료를 그대로 배출시키지 않고 다시 순환시키는 시키는 것이 바람직하며, 이를 위한 부가 설비가 필요하다. 수소의 재순환을 위해서는 순환용 압축기나 노즐이 사용될 수 있다. 또한 사용된 수소량에 연동되어 공급시키기 위한 압력제어시스템이 필요하다. 수소를 폐회로로 구성하여 스택에 공급할 경우 수소는 반응에 필요한 것보다 많은 량이 공급되는 것으로 반응에 이용되는 수소의 양은 공기의 양에 의해 결정된다. 즉, 부하에 따라 연동되는 공기량에 따라 수소가 사용되며, 사용된 정도는 스택의 압력신호로 검출될 수 있다. 수소 압력제어기는 반응에 필요한 압력으로 사용되는 수소의 양에 따라 스택의 압력을 일정하게 유지하는 방법으로 사용된 수소를 보충하게 된다. 따라서 수소 유량 제어를 위해서는 유량계측기가 필요 없이 압력만으로 공급유량을 제어하게 되나, 감시용으로 유량계측기가 사용될 수 있다. 마) 가습 및 기타 공정 제어 고분자전해질 연료전지 시스템을 고효율로 운전하기 위해서는 온도제어와 물의 관리가 필수적이다. 냉각 및 물관리 시스템의 주요기능은 전해질을 위한 연료 및 공기의 가습, 스택에서 생성된 물의 제거, 그리고 스택의 최적운영 온도 유지를 위한 냉각이다. 멤브레인의 전기 전도도는 가습량에 크게 영향을 받으며 동력밀도가 클수록 영향이 크다. 스택에서 생성된 물을 회수하기 위해 서 스택 출구부에 물회수장치를 설치되어야한다. 스택 내부에서 물이 응축되어 가스의 흐름을 막는 것을 방지하기 위해 유량제어 제어 알고리즘을 구성하였다. 가습을 위해서는 [그림 2.10]과 같이 가열식, 멤브레인식, 분사식 등 여러가지 방식이 고려될 수 있으며 가습량 조절을 위해서 펌프나 밸브에 의해 유량과 압력을 조절할 수 있다. 스택의 온도는 냉각수의 온도에 의해 조절되도록 3-way 밸브를 이용하여 제어시스템을 구성하였으며 수질 유지를 위하여 냉각수의 일부가 계속 Deionizer filter를 통과하도록 시스템을 구성하였다. 바) 계측 시스템 연료전지 시스템의 성능 분석과 시스템의 안정성을 위한 운전 범위를 감시하기 위해 자동제어를 위한 계측기와 감시제어용 계측기를 설치할 수 있다. ① 공기 유량계: 부하에 따른 이용율 계산 및 유량제어를 위해 측정 ② 수소 유량계: 연료전지 효율 계산을 위해 스택에 공급되는 수소 유량 계측 ④ 스택 입구 공기 온도계: 압축기 출구온도 및 스택 입구 온도 감시를 위해 측정
[그림 2.12] 가습장치 종류
4) 공정 시스템 구성 예 연료전지 공정 시스템은 앞에서 기술한 제어시스템과 계측 설비 이외에 각종 펌프, 압축기, 밸브 등의 구동기와 배관 그리고 물탱크와 필터 그리고 물 회수 장치 등으로 구성되어있다.
[그림 2.13] 연료전지 프로세스 P&I 구성도 (전자식 제어 시스템)
[그림 2.14] 연료전지 엔진 구성도(기계식 제어)
3. 고체고분자 연료전지의 요소기술 가. 연료전지 기술 1) 연료전지 개요 1959년 Grubb에 의하여 처음으로 고분자전해질막이 전기화학전지의 고체전해질 및 분리막으로 응용되는 것이 제안된 후에 고체고분자 연료전지(Proton-Exchange-Membrane Fuel Cell (PEMFC))는 60년대 초에 Gemini 우주선의 전력원으로 응용되었으며 70년대와 80년대 초에는 수소를 대량생산하기 위한 물 전기분해전지의 개발에 응용되어 많은 관심을 불러 일으켰다. 80년대 중반부터 에너지와 환경에 관련된 관심이 높아지면서 고체고분자 연료전지를 연료전지에 건물 및 일부지역의 현지 설치형 소규모 발전, 무공해 차량의 동력원, 우주선용 전원, 이동형 전원, 군사용전원 등 매우 다양한 분야에 응용하는 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. - 높은 에너지 효율(부피 및 무게) - 부식성 액체가 없는 안전한 고체전해질 - 낮은 작동온도 및 신속한 시동 - 장기적 안정성 및 긴 수명 - 제작 용이성 - 다양한 재료 선택 고체고분자 연료전지는 다른 연료전지들보다 낮은 온도에서 작동된다. 작동온도는 전해질로 사용하는 고분자막의 열적 안정성 및 전도도에 따라 결정되며 보통 80℃ 정도이고 더 우수한 막을 사용하면 10-20℃ 정도 더 높일 수 있다.
[그림 3.15] 연료전지 단위셀 구성 부품
[그림 3.16] 연료전지 단위 셀 구조
2)연료전지 기술 가) 전극 (1) 연료전지 전극의 기본 전기화학반응 연료전지는 연료의 화학에너지를 직접전기에너지로 변환시키는 장치로 연료전지를 통해 얻어질 수 있는 이론적인 최대 에너지는 Gibbs 자유에너지 변화 ΔG와 관계가 있다. ΔG=ΔH-TΔS Gibbs-Helmholtz Eq. (1) 여기에서 ΔH: 반응 Enthalpy 변화, ΔS: 반응 Entropy 변화, T: 절대온도(K)이다. 25℃의 온도와 1atm의 가스압력에서 수소와 산소가 반응할 때의 Gibbs 자유에너지 변화 ΔGo298은 다음과 같다. H2(g) + 1/2O2(g) → H2O (l) ΔGo298=-237.19 kJ/mol 여기에서 ΔGo298가 음의 값을 나타내는 것은 시스템으로 부터 에너지를 방출하는 것을 의미한다. 수소가 연소되어 열을 얻는 것과 같이 수소의 에너지 함량 (여기서 반응 Enthalpy는 연소 Enthalpy 또는 Heat value, Lower Heating value(LHV))이 연료전지의 전기에너지로 모두 전환되지는 않는다. n을 반응식당 교환되는 전자의 수라고 하면 아래의 식으로 부터 평형상태에서의 Cell potential을 얻을 수 있다. ΔGo=-nFEo (2) 여기에서 n= 2, F= 96487 C/mol (Faraday’s constant)이고 Eo= 1.229V이다. 또한 80℃의 온도에서의 이론적인 전위는 Eo= 1.18V 가 된다. 이 potential Eo는 평형상태, 즉 전류가 흐르지 않는 상태에서의 standard reversible cell potential이다. 이 값은 표준상태에서 연료전지의 어떤 potential이 최대로 되는 것인가를 나타낸다. 반응 Enthalpy가 완전하게 전지에너지로 전환되는 것은 “thermal neutral potential"을 의미하는 것이고 이것은 표준 상태에서 다음식으로 구해진다. Eo = -ΔHo/(nF) = Eo=1.481V (3) 전극 반응은 반응이 일어나는 촉매층 표면적, 사용되는 수소, 산소극과 전해질막 사이의 결합정도, 전극의 반응온도, 반응기체의 압력 등에 따라 전기화학 반응의 진행정도가 다르게 되며 발생되는 전류 또한 변하게 된다. 전기화학 반응에서 발생되는 열의 일부는 연료전지 자체의 온도유지에 이용되고 나머지는 냉각액체(주로 물)를 통해 제거된다. 이 때 산소극에서 발생되는 물 역시 전극의 반응에 영향을 주지 않도록 즉시 제거되어야 한다. [그림 3.3]의 곡선에는 양전극 및 음전극 부위에서의 전류밀도를 함께 나타낸 것이다. 여기에서 생긴 손실은 overvoltage η으로도 표시된다. 곡선에서 특징적인 것은 양전극에서의 overvoltage가 매우 크고 음전극에서의 overvoltage는 작다는 것이다. 개회로 전위에서 전류가 증가하면 전지의 전압이 낮아진다. 낮은 전류밀도에서 전위는 로그함수에 따라 감소하고 높은 전류밀도에서는 직선적으로 감소한다.
[그림 3.17] 연료전지에서의 분극곡선
이러한 손실을 일으키는 원인이 되는 현상들은 다음과 같은 것들이 있으며 이 손실들은 η=ηA+ηO+ηΩ 연료전지의 전지 성능을 향상시키기 위해서는 발생하는 overvoltage를 최소화시켜야 한다. 연료전지의 성능은 전극의 성능에 의해 좌우된다. 전극의 성능을 저하시키는 주요 기구로는 저항분극, 활성화 분극 및 농도분극 등을 들 수 있다. 저항분극은 전해질내의 전해질 저항이나 전극 자체의 저항, 또 단자 연결부위 등에 생기는 저항으로 이 내부 저항이 크면 클수록 실제 전위차는 적게 나타난다. 따라서 저항 분극에 의한 손실을 막기 위해서 전극은 좋은 전도체를 가지는 물질로 구성되어야 하며 전극은 단단하게 조립되어야 한다. (2) 전극구조 전형적인 전극은 전기화학 반응이 일어나는 전극촉매층과 촉매층을 지지하는 전극지지체로 구성되며 이들은 전해질과 가스상의 반응물들이 동시에 접하는 다공질체로 되어있다. 그러나 고체 고분자 전해질막을 전해질로 사용하는 경우 전극촉매층과 전해질막 사이에 밀착도를 증가시키고 촉매상과 인접한 곳에 전해질과 연결되는 통로를 제공하기 위해 전해질 현수액을 전극촉매층에 코팅하거나, 전극촉매층 제조 과정에 첨가한다. 2Pt-H -> 2Pt+2H++2e-
나) 고체고분자 전해질 (1) 연료전지 전해질의 조건 연료전지에서 전해질은 연료의 산화와 환원이 해당전극 표면에서만 일어나고 이 때 생성되는 이온물질을 상대전극으로 연결하여 전류를 흐르게 하는 역할을 한다. 좋은 전해질은 전해질 자체가 전극 반응에 의하여 산화 또는 환원되지 않아야 하며, 전류운반 이온에 대한 전도도가 좋아야 전지의 내부저항이 낮아지므로 전압효율을 높일 수 있다. 또 전극에 흡착되어 전극반응을 방해해서는 안되며 반응물질과 생성물질에 대한 확산계수가 높아 반응속도를 촉진시킬 수 있는 것이 이상적이다. 연료극에서의 전극반응은 수소가 수소이온과 전자로 분리되며 이 중 수소이온은 전해질 박막을 통해 공기극으로 이동하며, 발생한 전자들은 공기극 표면에서 산소와 결합하여 물을 생성한다. 여기서 고체를 전해질로 사용하면 증발이나 전해액 누출에 의한 소모가 거의 없고 이온 교환막이 얇기 때문에 연료전지의 부피를 줄일 수 있는 이점이 있다.
전기화학시스템에서 고분자 막의 전도도는 막내의 물의 양에 매우 민감하다. 대기압하에서 100oC 이상에서는 고분자막의 전도도는 dehydration에 의하여 감소하게 된다. 전해질막의 안정성 또한 중요하다. 통상적으로 막은 온도, 물, 전류밀도 같은 균일한 환경을 비롯하여 서로 다른 가스와 그 반응생성물에 의하여 두 전극과 막 사이에 생기는 경계와 같은 불균질 환경에서도 안정하여야 한다. 연료전지가 작동되는 조건(온도, 압력, 전류밀도 등)에 따라 저항률, 전기삼투성 물 이동도, 가스확산도 등과 같은 막의 물성이 변하지만, 이러한 물성들은 연료전지 작동 중에는 직접 측정할 수 없다. 현재까지는 Nafion membrane 과 Dow membrane 이 실시스템에 사용되는 효율적이고 사용사능한 막중 가장 발전된 막이다. 성능은 Dow membrane 이 Nafion membrane 보다 우수하나 긴 제조공정과 얇은 두께로 인한 높은 제조가격의 단점이 있다. 또한 나피온은 다른 전해질에 비해 백금촉매상에서 산소가 환원될 때 과전압을 현저히 낮추어 주는 것으로 알려져있다. Nafion은 200℃ 이상에서도 화학적 및 전기화학적으로 안정하여 연료전지 작동을 100℃ 정도까지 올릴 수 있게 되었다. 그러나 이 이상의 온도에서는 막의 탈수 현상이 일어나 수소이온의 전도도가 급격히 떨어지게 된다. 나피온의 단점은 가격단가가 비싸다는 것이다.
[그림 3.18] 전해질막 구조 최근에 Dow Chemical 사에서 Nafion과 비슷한 성질을 갖는 새로운 이온 교환막이 개발되어 연료전지용 전해질로 시험해 본 결과 성능이 우수한 것으로 알려져 있다. Nafion과 달리 Dow membrane의 단량체는 다음과 같은 branched carbon 이 없는 분자식을 갖는다. CF3=CFOCF2CF2SO3H Dow Chemical 의 고분자막은 Nafion에 비해 당량중량이 낮고 (700~900), -CF2-한개당 연결되어 있는 -SO3H가 많은 것으로 알려져 있다. 다) 바이폴라판 단위전지를 적층시켜 용량을 확대하기 위해서는 단위전지와 단위전지 사이의 가스의 혼합을 방지하고 전기적 회로의 연결을 위하여 바이폴라판이 필요하다. 바이폴라판은 한쪽 면에 연료기체 channel 이, 다른 한면에 산화기체 channel 이 있는 전기전도성 판으로 연료극에서 생성된 전자를 공기극으로 전도해주는 전류집전체의 역할을 하며 MEA를 지지해주고, 연료극과 공기극에 각각 연료와 공기를 공급해 주는 통로를 제공해주는 동시에 전지운전 중에 생기는 물을 제거해 주는 통로 역할을 한다. 물이 유로상에 축적되어 반응기체가 흐르지 않는 dead spot이 형성되면 전극의 효율성이 떨어지게 되기 때문이다. 1) 개질기 개요 현재 개발되어 있는 연료전지는 연료로서 수소를 사용한다. 메탄올과 같은 연료를 사용하는 연료전지 시스템은 개질기 등을 이용하여 탄화수소에서 수소로 변환시키는 개질 공정이 있어야 한다. 자동차를 위한 탑재형 연료개질기는 고정식 산업용 개질기와는 기본 설계 개념이 다르다. 몇 가지 설계상 주안점은 다음과 같다. 부피: 자동차 내의 가용한 공간에 적합하도록 부피가 작아야 한다. 개질기에는 다음의 3가지 형태가 있으며, 이것들은 탄화수소 연료로부터 수소를 얻어내는 기본 기술이 서로 다르다. ? 수증기 개질(Steam Reforming) 방법 2) 개질기 종류와 특성 가) 수증기 개질 탄화수소 연료의 수증기 개질은 산업체에서 가장 보편적으로 사용하는 방법이다. 촉매에 의한 고온증기에서의 반응은 일산화탄소와 수소를 발생시킨다. 일산화탄소는 물과 반응하여 이산화탄소와 수소를 생성한다. 연료개질 과정은 반응열을 공급하기 위해 많은 양의 에너지 (약 50kJ /mole)를 필요로 한다. 만일 메탄올의 에너지량을 메탄올의 산화열을 기준으로하면, 총 엔탈피의 대략 25%가 수소 발생을 위해 필요하다. 총에너지는 3가지 흡열 단계에서 사용된다. - 물 기화와 수증기 가열 : 50% shift 반응 평형에 따르면 CO농도는 [CO] = Ks {[CO2][H2]}/[H2O]에 따라 결정된다. 이 shift 반응에 대한 평형상수 Ks의 값은 온도에 따라 증가한다. 온도가 낮아지면 CO의 농도가 낮아지지만 메탄올 개질 반응 자체가 느려지게 된다. 또 스팀의 농도를 증가시켜 CO농도를 감소시킬 수 있지만 스팀의 발생은 많은 에너지를 필요로 하므로 개질기 효율이 저하된다. 일반적으로 첫 개질 단계를 거쳐 나온 연료에는 CO농도가 매우 높은 양인 12%나 된다. CH3OH + H2O → 3H2 +CO2 ΔH = 11.84kcal/mol 자동 열분해 개질은 부분 산화와 수증기 개질 기술의 결합 방식이다. 니켈 또는 귀금속 혼합 촉매는 탄화수소의 개질에 사용된다. 열은 연료의 부분 산화에 의하여 내부의 일정한 위치에서 공급되어 진다. 촉매는 부분 산화의 온도보다 더 낮은 최적 운전 온도에서 사용되어진다. 개질과 연소 반응은 부분 산화 방식과 동일하다. 촉매는 연료내의 오염 물질과 고온 소성 현상으로부터 보호되어져야 한다. 이것은 최대 촉매 운전 온도 이하와 최소 부분 산화 반응 이상에서 개질기의 온도를 충분히 유지시킬 수 있는 복잡한 반응기의 제어를 요구한다. 가) 기술 개요 다) Palladium 막 이용 CO 제거 기술
[그림 3.19] 선택적 산화법을 이용 CO 제거기를 갖춘 연료전지 시스템
[그림 3.20] 분리막 이용 CO 제거기를 갖춘 연료전지 시스템 4. 연료전지 공정 및 부하 제어시스템 가. 연료전지/축전지 하이브리드 시스템의 제어 방법 1) 연계 운전 제어 방법 연료전지 자동차는 전기자동차와 연료전지가 결합된 형태로 이해할 수 있다. 따라서 전체적인 시스템 구성은 전기 자동차 구성 부분과 연료전지 시스템으로 구분할 수 있으며 차세대 자동차 동력원으로 주요 역할을 담당하게 될 연료전지 시스템의 엔진 부분은 전력변환기 등의 전기장치 이외에 연료전지 스택과 전력변환장치를 비롯하여 연료 공급장치, 공기 공급장치, 냉각 장치, 가습 장치 그리고 제어기와 각종 구동기 등으로 구성되며 이들 장치들을 종합적으로 연계시키고 운영시킬 수 있는 종합화 기술 및 종합운전 제어 기술의 개발이 필요하다. 2) 연료전지 축전지 연계 제어 시스템 구성
[그림 4.21] 연료전지 자동차 시스템 제어 계통도 제어장치는 축전지의 잉여저장량(신호 7)과 부하명령(가속신호량 : 신호 10)에 비례하는 현재 전력소비량(신호 8)으로부터 메탄올 연료 공급 조절 밸브와 공기 조절 밸브를 조절하여 연료전지의 출력을 조절하고 자동차를 구동하는데 필요한 전력을 제공하도록 해야한다. 즉 연료전지에 공급되어야 하는 연료량을 계산하여 연료제어부에 메탄올 공급 조절 신호를 보낸다. 연료전지 제어 장치는 DC/DC 콘버터를 조절하여 연료전지의 출력 전력을 제어한다. 그러나 제어 시스템에서는 다음의 사항이 준수되도록 제어하여야 한다. 첫째, 연료전지는 부하에 따라 전동기에 전력을 공급하는 가변 전원 공급 장치로 작용하지만, 자동차가 빠르게 가속되거나 부하가 증가하거나 하는 경우는 축전지가 연료전지의 모자라는 출력을 보상하는데 사용되야 하고, 경부하구간 동안 연료전지로부터 전력을 충전받도록 하여야 한다. 둘째, 연료전지의 출력제어는 가능한 고효율(40% 이상)을 유지할 수 있도록 동작되어야 하고, 축전지는 과방전에 의한 수명저하가 발생되지 않도록 동작되어야 한다. 복합 연료전지 시스템의 운전에 있어서 외부 부하의 값이 연료전지의 출력보다 적을 때에 에너지 효율을 향상시키는 방법을 제공하기 위한 것이다. 이것은 연료가스와 산소 가스의 반응에 의하여 동력을 발생하는 연료전지를 포함하는 복합 연료전지 시스템에 적용할 수 있다. DC/DC 변환기에는 연료전지의 출력 전류를 제한하는 전류 제한 장치, 연료전지에 병렬로 접속된 보조 전지, 외부 부하에 동력을 공급하는 연료전지 보조용 전류 제한 장치, 외부 부하의 값의 변동을 감지하기 위한 외부 부하 변동 감지 장치, 전류 제한 장치에 의하여 만들어진 연료전지의 출력 전류의 시간 제한의 경과에 의해 변화하는 외부 부하 값의 변동을 추종하는 제한 전류 조절 장치 등이 포함되어 있다. 외부 부하의 값의 변동은 외부 부하 변동 감지 장치에 의해 감지되고, 제한 전류 조절 장치는 시간의 경과에 따라 연료전지 출력 전류의 변화를 제한한다. 즉 외부 부하의 값이 갑자기 감소하면 연료전지는 즉각적으로 반응하지 못하며 여분의 출력이 보조 전지에 저장되어 진다. 부차적으로 전류 제한 조절 장치는 점진적으로 연료전지의 출력 전류를 낮추기 시작한다. 연료전지로부터 공급된 전류는 보조 전지의 충전에 소모된다. 최종적으로 외부 부하의 전류는 오직 연료전지 만이 공급한다. 전류 제한장치는 전류 제한 조절 장치로부터 제어 신호를 가지는 게이트 터미널을 포함한 DC/DC 변환기이다. 이 시스템은 보조 전지의 충전 전류 감시에 의한 DC/DC 변환기의 출력 전압의 제한적 변화를 위한 전압 제한 조절 장치를 포함한다. 외부 부하 변동 감지 장치는 연료전지의 출력 전류 회로 속에 삽입된 첫 번째 전류 감지장치, 보조 전지의 충방전 회로에 삽입된 두 번째 전류 감지 장치, 첫 번째와 두 번째 전류 감지 장치에 의해 감지된 값을 더하기 위한 추가 장치, 첨가 장치에 의해 첨가되는 결과에 의해 시간의 경과로 발생하는 변화를 감지하기 위한 감지장치를 포함할 수 있다. [그림 4.2]는 연료전지와 축전지를 동력원으로 하는 시스템에 적용할 연료전지/축전지 복합 구동 동력원의 동력 시스템 제어 계통도를 보여주고 있다. 제어장치는 축전지의 잉여저장량과 부하명령에 비례하는 현재 전력소비량으로부터 메탄올 연료 공급 조절 밸브와 공기 조절 밸브를 조절하여 연료전지의 출력을 조절하고 부하를 구동하는데 필요한 전력을 제공하도록 해야한다. 즉 연료전지에 공급되어야 하는 연료량을 계산하여 연료제어부에 메탄올 공급 조절 신호를 보낸다. 연료전지 제어 장치는 DC/DC 콘버터를 조절하여 연료전지의 출력 전력을 제어한다. 그러나 제어 시스템에서는 다음의 사항이 준수되도록 제어하여야 한다. 첫째, 연료전지는 부하에 따라 전동기에 전력을 공급하는 가변 전원 공급 장치로 작용하지만, 점진적이 아닌 짧은 시간내에 급격히 부하가 증가하는 변화가 발생할 경우에는 축전지가 연료전지의 모자라는 출력을 보상하는데 사용되야 하고, 부하가 약하거나 감소하는 동안에는 연료전지로부터 전력을 충전받도록 하여야 한다. 둘째, 연료전지의 출력제어는 가능한 고효율(40% 이상)을 유지할 수 있도록 동작되어야 하고, 축전지는 과방전에 의한 수명 저하가 발생되지 않도록 동작되어야 한다. 3) 직류변환기(DC/DC 변환기)에 의한 부하제어 및 스택의 보호 연료전지의 성능은 단위전지에 걸리는 전압이 너무 높거나 낮은 경우 저하될 수 있다. 더욱이 연료전지가 무부하 상태 등에 있는 경우 작동시작 및 중단시점에서 전지종류에 따라서는 잔여가스에 의한 전기화학반응이 발생되어 순간적으로 높은 피크전압이 생기게 된다. [그림 4.3]은 연료전지의 통상적 전류-전압 특성곡선이며 전류가 증가함에 따라 전압이 감소하는데 정격시 전압은
[그림 4.22] 연료전지 시스템 제어 계통도
[그림 4.23] 연료전지의 전압-전류 특성 무부하의 40-50%이하로 감소하며 최대전력은 정격 근처에서 발생된다. 상용 연료전지의 동작범위는 최대부하와 최소한 필요한 방전용 부하사이에서 동작된다. 연료전지 스택은 항상 최소부하이상이 유지되도록 동작시켜야 하며 동작 시동 및 중단시에 전지전압을 안전한 영역에 존재할 수 있도록 하는 알고리즘이 필요하게 된다.
나. 연료전지 부하 제어 방법 1) 축전지 상태에 따른 연료전지 부하의 단계적 제어 방법 축전지 전류 전압 제어 장치는 연료전지 전류 전압 검출기와 축전지 전류 전압 검출기의 출력에 기초하여 연료전지나 축전지의 전류나 전압이 일정한 범위로 유지하도록 제어한다. 축전지는 연료전지에 비해 전류가 큰 범위까지 높은 전압을 유지하고 있다. 단, 무부하 상태에서는 연료전지의 전압이 축전지의 전압보다 높게 설정되어 있다. 따라서 연료전지자동차의 부하가 낮은 운전 상태에서는 전동기의 운전에 필요한 전력은 주로 연료전지에서 공급된다.
[그림 4.24] DC/DC 컨버터의 회로 구조
[그림 4.25] DC/DC 컨버터의 동작방법
[그림 4.27] DC/DC 컨버터의 부하변화에 대한 안정성시험 축전지가 방전 상태가 되면 연료전지에 의해 축전지를 충전한다. 이때 축전지 전류 전압 검출기에서 검출되는 연료전지의 전류가 최대 전류값 이하로 되게끔 연료전지 제어스위치에서 제어한다. 이 제어는 축전지 전류 전압 검출기에 의하여 검출된 축전지 전류가 설정값 이하로 되게 연료전지 제어 스위치를 On-Off 제어 방식에 의해 수행하는 것이 좋다. 따라서 연료전지가 과부하 상태로 되어 전압이 낮을 때는 연료전지 제어 스위치를 차단 상태로 하여 축전지만으로 전동기에 전력을 공급한다. 2) 축전지 부하에 따른 연료전지 연속 부하 제어 연료전지는 이미 언급한 바와 같이 연료전지는 점진적으로 변화하는 부하에는 충분한 추종 능력이 있지만, 급격한 부화 변화를 추종하는데는 매우 취약하고, 또한 효율 및 수명 등의 여러 성능 저하를 초래할 수 있다. 따라서 외부 부하의 변동이 심할 때에도 충분한 성능을 발휘할 수 있도록 하기 위한 제어 시스템의 구성 및 이를 보조할 소프트웨어의 구성이 필요하다. 연료전지/축전지 복합 동력원 시스템에서 부하를 제어하기 위한 연료전지의 출력은 자동차 운행시에 일어나는 운행 경로의 변화량, 축전지 내부의 충전 상태의 변화량, 자동차 운전시에 입력되는 가속 신호 등에 따라 변화해야 한다. 연료전지 출력 제어 장치는 축전지 충전 상태에 의한 출력 허용 범위를 결정하고, 그 범위 내에서 잔류 충전량이 남아있는 한 연료전지가 동력을 공급하는 것을 제어한다. 연료전지와 축전지의 부하 제어를 위한 동력 시스템 소프트웨어의 주요 구성을 크게 구분하면 연료전지에 의한 부하제어 과정과 축전지에 의한 부하제어 과정 등으로 구성되어 있다.
[그림 2.28] 연료전지에 의한 축전지 충전 제어
[그림 4.29] 부하 전류 변화에 따른 연료전지 부하제어
3) 사용부하에 따른 연속 제어 방법 연료전지를 이용한 기존의 동력시스템은 일정량의 전력 생산을 담당하고 나머지 부하는 축전지에서 담당하도록 설계되어 있다. [그림 4.10]은 연료전지를 이용한 기존의 동력장치로 연료 저장탱크, 연료를 이용하여 수소가스로 만드는 개질기, 연료전지, DC/DC 변환기, 인버터, 축전지, 부하, 마이크로프로세서 형태의 제어기로 구성된다. 연료전지로부터 나온 출력 PF은 DC/DC 변환기에 의해 출력 PC로 바뀐다. 일정한 DC/DC 컨버터 출력(PC)은 외부 부하크기에 따라 에 따라 부하출력(PL)과 축전지 입력 전력(PB)으로 공급된다.
[그림 4.31 ] 부하연동 연료전지 제어방법
[그림 4.32] 연료전지 출력부하 예측방법 보조기기에서 사용된 전력(WPL)은 측정된 전류와 전압값 V0은을 이용하여 연산된다. 외부부하(WPL)는 인버터 효율을 고려하여 DC 전력(PINV)변환되어 다른 직류전원 부하와 합산된다. [그림 4.12]에 나타나 있는 바와 같이 부하값(WPL)으로 예측이 가능한 효율()을 이용하여 인버터 입력전력(PINV =WPL/ηINV)을 계산할 수 있다. 연산유닛으로부터 계산된 보조동력신호와 인버터 효율 연산유닛으로부터 유도된 인버터 입력전력 그리고 축전지 충전 동력신호을 합하여 직류변류기에서 공급되어야 할 전력을 얻을 수 있으며 다시 직류변환기의 효율을 이용하여 연료전지의 출력전력을 예측할 수 있다. 이렇게 예측된 출력 전력을 측정 전압으로 나누어 직류변환기의 전류 제어신호로 사용하게된다. 적분기는 개질기의 응답시간에 따라 연료전지 출력 전류명령 IF가 발생할 수 있도록 최적의 시간간격으로 직류변환기의 출력을 지연시키는 역할을 한다. 개질기에서 생성된 수소가스는 연료전지에 공급되는 수소가스와 같고, 연료전지로부터 유도된 출력전류는 공기량은 물론 수소가스의 양에 비례한다.
압축기의 회전수를 조절하여 변화시키며 부하에 따라 설정된 회전수나 유량을 되먹임을 통해 설정된 값으로 제어하게된다. 연료전지의 정확한 부하제어를 위해선 공기와 수소의 이용율이 중요하며 부하에 관계없이 일정한 이용율을 유지할 수 있도록 공기량과 연료량을 제어하게된다.
4) 연료전지 부하와 연료 및 공기 유량 제어 시스템 연료전지 발전 시스템은 연료나 공기부족으로 인해 발생할 수 있는 과부하와 성능 저하를 방지하기 위한 제어시스템을 갖추고 있어야 한다. 연료전지 발전 시스템은 기본적으로 연료공급 설비, 급기 설비, 연료전지 스택, 인버터 그리고 출력제어시스템으로 구성되어 있다. 출력제어 시스템에는 설정된 동력을 내기 위해 인버터의 전류나 직류변환기의 전류를 제어하는 조절기가 포함되어 있다.
[그림 4.33] 연료와 공기유량에 따른 성능곡선 외부에서 연료와 공기가 충분히 공급되는 경우 그림의 A와 같이 전류에 따른 전압의 변화가 완만한 반면 외부에서 공급되는 가스가 부족할 경우 B와 같이 전압이 급속히 감소하고 전기적 특성이 나빠짐과 동시에 스택의 과부하로 촉매에 영향을 미쳐 수명이 단축될 수 있다. 이를 방지하기 위한 제어 기술이 필요하나 기존의 부하제어는 [그림 4.14]와 같이 설정된 전력과 실제 측정된 전력 값을 일치시키기 위하여 2개 값의 차이를 이용하여 인버터에서 출력해야 할 전류값을 계산하고 이 값과 실제 측정된 전류값의 차를 이용하여 인버터를 제어하게 된다. 이 시스템은 단순하게 전기적인 측면만을 고려하여 부하를 제어하는 것으로 공정설비의 지연으로 인해 연료나 공기가 충분히 공급되지 않을 경우 지연시간 만큼 과부하가 걸릴 위험성이 있다. 이를 해결하기 위해서는 공급유량의 지연에 대한 보상회로가 필요하다. [그림 4.15]은 이를 위해 연료전지의 출력을 유량에 따라 보상 제어하기 위해 구성한 제어 시스템의 개념도로 기존 시스템과는 달리 공급유량에 따라 설정 출력을 예측하고 보정할 수 있는 기능이 추가되어 있다. 즉, 연료전지에 실제로 공급되는 유량을 계측하여, 이 유량으로 출력할 수 있는 최적의 전류를 산출한 후 설정 출력과 비교하며 최소값을 실제 연료전지 출력의 설정 값으로 선택하면 연료전지에 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있다. 설정된 전류값에 의한 전력값을 계산하여 이값을 설정값으로 실제 전력을 제어하도록 제어 신호를 산출하며 전력에 의한 오차 신호는 전류값으로 다시 변환된다. 실제 전류값과 비교되어 인버터의 제어 신호로 입력된다. 따라서 유량에 연동되어 보정된 값으로 인버터의 출력 전류가 변하게 되므로, 연료나 공기의 부족없이 주어진 공정상태에서 최적의 출력을 유지하며 부하가 변하게 된다. 이것을 블록 다이아그램으로 표현한 것이 [그림 4.16]이다. 이와 같은 제어시스템을 적용할 경우 고장 등에 의해 공급 유량이 감소될 경우, 즉시 유량센서에 의해 감소된 유량이 측정되어 이 값으로 연산된 출력 가능한 전류와 전력이 예측된다. 예측된 값과 실제 출력을 비교하여 작은 값으로 인버터의 출력이 조절되어 과부하가 걸리는 것을 방지할 수 있으며 심한 경우 시스템의 부하를 차단시켜 연료전지를 보호 할 수 있다. 생성된 잔차가 보정 가능한 경우에는 제어기능으로 출력을 보정하고 이것이 불가능한 경우 유량공급 시스템의 고장으로 간주하여 시스템을 정지시킬 수 있다. 따라서 연료전지는 주어진 유량에서 출력할 수 있는 최대 전력범위에서 작동되어 연료 부족에 따른 과부하 상태를 방지할 수 있다. 이것은 순간적으로 설정 출력값이 증가되었을 경우에도 적용되어 스택을 보호할 수 있다.
[그림 4.34] 단순 부하 제어방법
[그림 4.35] 유량을 고려한 부하제어 방법 개념도
[그림 4.36] 연료유량을 고려한 부하제어방법
5) 이용율 이용 연료공급 지연 보상 부하 제어 시스템 [그림 4.17]은 측정된 전류와 유량으로 계산된 이용율과 설정된 이용율의 차를 이용하여 설정 이용율을 유지하기 위한 유량 제어와 동시에 설정된 이용율에서 현재 측정된 유량으로 발전 가능한 전류를 산출하여 이 값과 설정 전류 값을 비교하여 작은 것을 실제 전류의 설정 값으로 사용하는 제어방법을 나타내고 있다. [그림 4.16]과의 차이점은 [그림 4.16]에서는 설정 전류와 유량에 의한 예측 전류가 이용되었는데 [그림 4.17]의 경우 실제 측정된 전류와 유량에 의해 이용율을 계산하여 적정 이용율을 유지하기 위한 전류를 산출하는 과정을 추가한 것이다. [그림 4.16]과 마찬가지로 이용율로 산출한 예측 전류와 실제 전류를 비교하여 작은 값을 실제 전류제어를 위한 설정 값으로 사용되며, 실제 전류 제어를 위한 설정 값과 외부에서 주어진 설정 값의 차가 계속 허용범위를 초과할 경우 시스템이 정상적으로 운전되지 않는 것으로 간주할 수 있다. 이것은 연료전지를 적절한 연료 및 공기의 이용율 범위에서 운전하여 시스템의 안정성과 수명을 향상시키기 위한 것이다.
[그림 4.37] 이용율 이용 연료공급 지연 보상 부하제어 방법
[그림 4.38] 연료량(공기량) 및 부하 연동 제어방법
6) 유량 보상 운전 제어 연료전지가 출력할 수 있는 동력보다 부하 측에서 큰 동력을 요구하여 연료전지가 과부하 상태가 되지 않도록 요구 부하를 제한하는 기능이 있어야 한다.
[그림 4.39] 유량제어 및 부하 보정 제어 방법
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