소형 PEM 연료전지 스택의 제어 알고리즘 개발

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소형 PEM (Proton Exchange Membrane) 연료전지 시스템은 가습이 필요치 않아 상용화의 가능성이 크지만 그 제어 방법은 뚜렷하게 정립되어 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 소형 PEM 연료전지 시스템의 제어를 위해 이중 루프 구조의 제어방식을 정립하고 DSP (Digital Signal Processor)를 이용하여 구현한다. 일반적으로 연료전지 시스템에서 제어의 핵심 요소는 크게 공기와 수소의 공급, 스택 내부의 수분 관리, 스택의 온도 관리로 나뉜다. 별도의 가습이 없이 공랭식으로 구동되는 소형 PEM 연료전지 스택의 제어에 있어서 팬은 스택의 공기 공급과 열관리 및 수분관리를 위한 핵심적인 역할을 하며, 퍼지밸브는 스택 내부의 잉여수분을 배출한다. 제안된 방식은 이중 제어루프를 이용한 팬의 제어를 통해 팬의 과도응답을 빠르게 하여 공기의 공급 속도를 개선시키며, 연료전지 스택의 전압변화를 피드백 하여 보상해줌으로써 연료전지가 부하변동에 대해 신속한 응답 특성을 갖도록 하였다. 제안된 방법의 유용함은 60W급 소형 PEM 연료전지 시스템의 실험과 이를 이용한 노트북 컴퓨터의 구동을 통해 검증된다. Small PEM (Proton Exchange Membrane) fuel cell systems do not require humidification and have great commercialization possibilities. However, methods for controlling small PEM fuel cell stacks have not been clearly established. In this paper, a control method for small PEM fuel cell systems using a dual closed loop with a static feedforward structure is defined and realized using a DSP (Digital Signal Processor). The fundamental elements that need to be controlled in fuel cell systems include the supply of air and hydrogen, water management inside the stack, and heat management of the stack. For small PEM fuel cell stacks operated without a separate humidifier, fans are essential for air supply, heat management, and water management of the stack. A purge valve discharges surplus water from the stack. The proposed method controls the fan using double control loops to quicken transient response of the fan thereby improving the supply rate of air. Feedback control to compensate for the voltage change in fuel cell stack improves the response characteristics in fuel cell to load variations. The feasibility of proposed method was proved by the experiments with a 60W small PEM fuel cell system and operation of a notebook computer using this system.