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Hardware in the Loop Simulation 기반 연료전지 스택 발열 예측
한재수(Jaesu Han),한재영(Jaeyoung Han),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.11
수소 연료전지 자동차는 운전 중 화학 반응에 의해 발생된 열이 적절히 배출되어야, 최적의 성능을 유지하고 또 장기 운전이 가능하다. 주행 시 동적으로 변동되는 부하와 이에 따른 연료전지 스택의 발열량을 실차수준에서 적절히 제어하는 것이 필요하지만, 아직 시장이 형성되지 않아 실측 데이터를 얻기 매우 어렵다. 정적 특성뿐 아니라, 운전 조건 변화에 따른 발열 특성을 모사하기 위해 HIL 시뮬레이션 기술을 적용해, 소프트웨어와 하드웨어의 적절한 조합으로 발열을 모사하였고, 스택 모사기의 발열지령은 스택 모사 모델을 통해 발생시켰다. 본 연구에서는 스택 모델의 발열 지령을 에뮬레이터가 적절히 추종하는지 확인하였으며, 또 냉각 계통을 에뮬레이터와 연동시켜 냉각에 필요한 응답 특성을 확인하였다. For hydrogen-fueled cell vehicles, the optimal performance is maintained and long-time driving becomes possible when the heat generated by the chemical reaction during driving is properly emitted. The dynamically changing load and the subsequent heat value of the fuel cells during driving need to be properly controlled, but it is difficult to obtain actual measurement data because the market has not yet been fully developed. Heat generation is emulated with the proper combination of hardware and software by applying hardware in the loop simulation (HILS) for heat-generation characteristics with variations in the driving condition as well as static characteristics. The heatgeneration command of stack emulators is generated using the stack model. In this study, it is shown that the stack emulator properly follows the heat-generation command of the stack model, and the response characteristics for cooling are confirmed by connecting the cooling system to the stack emulator.
차량 주행 환경에서 상대 습도가 PEMFC 내구 특성에 미치는 영향에 관한 실험적 연구
한재수(Jaesu Han),한재영(Jaeyoung Han),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集B Vol.44 No.2
최근 수소 전기차 등 PEMFC를 이용한 친환경 상용 차량이 개발되고 있으나 충분한 시장 형성이 되지 않아 내구성 등 정량적인 차량 평가가 어려운 실정이다. 이 때문에 작동 온도, 상대 습도, 작동 압력 등의 운전 조건에 따른 차량 성능 및 내구성 평가가 이루어지고 있지만, 대부분의 경우 정적 부하 환경에서 이루어진 연구로서 차량의 잦은 속도 변화 상황을 반영하기에는 부족하다. 또한 내구성 평가의 경우, 전압 강하에는 여러 환경 조건으로 향후 회복 가능한 전압인 가역 전압 강하가 함께 나타나게 되는데 이를 내구성 연구에 함께 반영하면 실제 스택의 수명 예측을 교란할 우려가 있다. 본 연구는 NEDC(New European Driving Cycle)이라는 차량 부하를 모사한 시나리오를 이용하여 상대 습도에 따른 PEMFC 3셀 스택의 내구성 등의 성능을 차량 환경에서 평가하였다. 100시간마다 회복 절차를 거쳐 가역 전압이 본 내구성 연구에 반영되지 않도록 하였다. Recently, eco-friendly commercial vehicles using PEMFCs, such as hydrogen-powered vehicles, have been developed. However, it is difficult to quantitatively evaluate the vehicle"s features, such as durability, owing to insufficient market formation. For this reason, vehicle performance and durability are evaluated according to the operating conditions, such as operating temperature, relative humidity, and operating pressure. However, in most cases, the studies are conducted under static load conditions. In addition, in the durability evaluation, the reversible voltage degradation, which is a recoverable voltage due to various environmental conditions, appears together with voltage degradation. Incorporating this into the durability study may distort the life prediction of the actual stack. This study evaluated the durability of the PEMFC 3-cell stack according to the relative humidity in the vehicle environment using a scenario that simulates the vehicle load of the New European Driving Cycle. After a 100-h recovery procedure, the reversible voltage was not reflected in this durability study.
차량 부하 모사 사이클에 따른 스택 내구 특성 평가 실험적 연구
한재수(Jaesu Han),한재영(Jaeyoung Han),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.4
고분자 막 전해질 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell)는 환경 친화적이고 낮은 작동 온도를 가지고 있어 차세대 차량 동력으로서 주목되고 있지만 상용화를 저해하는 여러 문제점이 있다. 그 중 내구성 문제는 PEMFC의 기술 개발을 위해 해결되어야 하는 주요 이슈 중 하나이다. 차량용 연료전지는 부하 변동폭이 크고 시동 정지가 잦은 특성을 가지고 있기 때문에 운전 환경을 고려한 부하 변동이 반영되어야 하지만, 차량의 부하 특성을 반영한 스택 실험에 대한 연구는 아직 많지 않다. 본 연구에서는 유럽 연합 JRC 보고서에 기초하여 도심 주행과 고속도로 주행을 조합한 New European Driving Cycle(이하 NEDC)을 기반으로 900사이클 동안의 내구성 실험을 수행하여, 같은 시간 동안의 정전류 내구성 저하와 비교하였다. 0, 300, 600, 900사이클에서 분극화 곡선을 획득하여, 0사이클의 전압을 기준으로 한 전압강하율을 부하별로 분석하였다. NEDC 사이클에서의 전압 강하율은 정전류 실험에서의 전압 강하율에 비해 모든 전류밀도에서 훨씬 높은 것으로 나타났으며, 결론적으로 실차 조건에서의 내구성 저하는 정전류에서보다 잦은 부하 변동의 NEDC 사이클에서 더 큰 영향을 받는 것을 알 수 있다. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), which is eco-friendly and operated at low temperature, is known as a power source of the next generation; however, there are some problems obstructing its commercialization. The durability of PEMFC is one of the main issues in the development of fuel cell vehicles (FCVs). Because vehicle load changes repeatedly, the start-stop cycle is frequent; thus, the load cycle of a vehicle must be considered in the durability research of vehicle fuel cells. However, research on the stack experiment considering vehicle load changes are, at present, insufficient. In this study, the stack experiment was conducted for about 900 cycles with the New European Driving Cycle (NEDC) protocol, which connects the urban driving cycle (UDC) and the extra urban driving cycle (EUDC) based on the JRC report in EU. Additionally, it is also compared with the constant current experiment conducted during the same time. Polarization curves were obtained after 0, 300, 600, and 900 cycles, and the voltage degradation rate is analyzed by comparing with the 0-cycle curve. The voltage degradation rate of NEDC cycle is higher than constant current experiment for all current densities. In conclusion, the durability degradation under actual driving conditions is more influenced by the NEDC cycle that loads changes frequently than by constant current.