Empirical Modeling of Polymer Electrolyte Fuel Cell

Abstract

현재 자동차 대체 동력원으로서 고분자 전해질 연료전지(PEFC)에 대한 많은 연구가 진행되고 있으며 지금까지 발표된 연료전지 모델 또한 많이 있다. 연료전지 모델은 스택 내부의 물리적 현상이나 스택 내부의 온도, 압력 등의 정보를 얻기 위해 이용되고 있다. 하지만 지금까지의 연료전지 모델들은 스택 설계에 적합하게 만들어졌기 때문에 제어 엔지니어가 연료전지 시스템 구동 연구를 위해 이용하기에는 부족한 부분이 발생한다. 제어를 위한 모델은 수학적으로 간단해야 하며, 넓은 구동 조건에서 연료전지 내부 정보를 제공해야 한다. 이 연구에서는 연료전지에서 스택의 전압 모델과 스택 내부의 물 이동 모델을 제시한다. 전압 모델은 스택의 출력 전압 뿐만 아니라 스택 내부의 저항, 전도성 등의 정보를 제공하는 부분 모델로 구성되어 있다. 물 이동 모델은 스택 내부에서 분리막을 통해 이동하는 물의 양과 방향에 대한 정보를 제공한다. 제시된 두 모델에서 스택의 전도성과 물 이동 정보는 연료전지의 성능을 좌우하는 분리막의 수화 정도를 예측할 수 있는 중요한 요소로써 연료전지 물 관리 시스템의 기반 모델이 될 수 있다.; Polymer electrolyte fuel cells (PEFC) for automotive power source are exposed to a wide range of operating conditions. Although there are established PEFC models in many studies focused on PEFC stack design, these models are developed with different point of view at a far remove from the control engineer’s. Thus they are not suitable for control system design. Requirements of the PEFC model for the control system design are to be mathematically simple and represent factors affecting the PEFC performance such as temperature, humidity, pressure and conductivity of the PEFC. In this study, a PEFC model was developed based on water transport and current interrupt experiment. The PEFC model proposed includes the following characteristics: (1) membrane conductivity in various operating conditions (2) current density and voltage performance of the stack and (3) water transport across the membrane. Mathematical structures derived from physical laws and model parameters are adjusted to the experimental data.