의존적으로 열화되는 MEA 셀들을 이용한 PEM 연료전지의 신뢰성 평가

Abstract

연료전지는 친환경적이고 효율적인 에너지 변환 장치이며, 양성자 교환막(Polymer Electrolyte Membrane, PEM)연료전지는 다른 연료전지들에 비해 전류밀도가 높고 비교적 저온에서도 작동되어 자동차의 동력원 및 설치형 발전 설비 등과 같이 다양한 곳에서 사용되고 있다. 하지만 실제 운영 환경에서는 부하량이 일정하지 않아 전압의 변동성이 크고 열화가 빠르게 진행된다. 따라서 상용화된 연료전지는 불규칙한 부하량에 따른 전압의 변동성을 고려하고 정확성 높은 신뢰성 평가가 요구된다. 기존 연구들에서는 이러한 불규칙한 전압의 변동성을 모델에 반영하고 시간에 따른 전압의 비선형적인 열화 패턴을 모델에 반영하기 위해 비선형 위너 과정 열화 모델을 적용하였다. 이러한 열화 모델은 연료전지 스택 내부의 셀 간 독립을 가정하여 열화 모델 적합을 통한 신뢰성 평가가 주로 이루어졌다. 하지만 연료전지의 경우 스택 내부의 셀들이 직렬로 연결되어 셀 간에 전기화학적 및 물리적인 영향을 주기 때문에 기존 독립을 가정한 열화 모델에서는 이러한 영향을 고려하지 못하는 한계점이 있다. 본 연구에서는 이러한 한계점을 극복하기 위해 기존 비선형 위너 과정 열화 모델에 Copula 함수를 적용하여 셀 간 종속구조 및 종속성을 고려하여 예측 오차를 줄이는 모델을 제안한다. 실제 대형 상용차용 PEM 연료전지 스택 내부 막전극접합체(Membrane Electrode Assembly, MEA)셀들의 전압 열화 데이터에 제안한 모델을 적용하였다. 의존적으로 열화되는 MEA 셀들의 종속성을 고려한 모델이 고려하지 않은 모델과 비교했을 때, 예측 오차가 줄어드는 것을 확인하였다. 이를 통해 연료전지 셀 간 종속성을 확인할 수 있고 효과적인 신뢰성 평가를 제시함으써 상용화된 연료전지의 신뢰성 향상에 기여할 수 있다.