연료전지 시스템의 모델예측제어에 관한 연구

송지호, 김윤식, 이익형*, 윤인섭

서울대학교 화학공학과, 서울보건전문대학 산업안전과*

Application of Model Predictive Control to the Fuel Cell Systems

Ji Ho Song, Yoonsik Kim, Ikhyung Lee*, En Sup Yoon

Division of Chemical Engineering, Seoul National University,

Seoul Health Junior College*

1. 서론

연료전지 시스템은 연료를 수소를 바꾸는 연료처리공정과 수소와 산소의 화학에너지를 직접 전기로 바꾸어주는 전지스택공정으로 크게 나눌 수 있으며 두 공정 사이에는 강한 상호 작용이 존재한다. 특징으로는 넓은 운전범위 및 심한 부하 변동을 들 수 있다. 이 논문에서는 각 공정간에 상호의존성이 강한 연료전지 공정에서 부하의 변동이 일어났을 때 공정 전체를 안정화시키면서 빠른 부하추종을 가지도록 공정을 운전하고 제어하는 내용에 중점을 두고 있다.

2. 이론

2.1. 연료전지공정의 구성

연료전지의 시스템은 크게 연료처리 공정과 전지스택 공정 그리고 직류/교류 변환 공정으로 구성된다. Fig.1은 전체 인산형 연료전지 시스템에 대한 개략도를 나타낸 것이다. 연료처리 시스템은  각종 화석연료를 수소 가스로 만들어 주는 개질기(reformer)와 개질시 함께 발생하는 CO가스를 CO2로 변환시키고 수소를 더 생성시키는 CO변환기로 이루어진다. 연료공급 공정에서는 메탄과 고온의 수증기를 1:3의 비율로 혼합하여 온도 800℃, 압력 5기압 정도의 니켈촉매가 고정상으로 충진되어 있는 개질기에 보내어 수소로 개질시킨 후 여기서 함께 생성된 CO가스를 약 350℃ 및 250℃의 변성기로 보내어 CO2 및 H2 로 변환시킨다.

여기서 생성된 개질수소가스는 수분을 과량 함유하고 있으므로 기액분리기로 보내어 수분의 함량을 줄인다. 이 때 감소되는 수분의 양은 기액분리기의 압력과 온도로 결정된다. 기액분리기를 나와 전지스택공정의 양극으로 공급되는 수소의 함량은 70% 정도 되며 양극의 백금 촉매상으로 공급된다. 전지스택은 연료인 수소가 가지고 있는 화학에너지를 전극의 촉매반응에 의해 전기에너지로 변환시키는 장치이며 양극(anode), 음극(cathode), 전해질 및 냉각관으로 구성된다.

양극과 음극은 전지반응이 일어나는 전극이며, 전해질은 전지반응이 일어나도록 이온을 전달하는 이온 전달체이며, 냉각관은 전지반응시 발생하는 반응열을 제거하여 전지의 작동온도를 유지하기 위한 열교환기이다.

2.2. 모델 예측 제어기의 구성

모델예측제어기가 풀어야 할 문제는 다음과 같이 표현된다.

[eqn: min_{ u(t) } Phi [ u(t), x(t), y(t) ] ## dx over dt `-` f(x,u)~=~0 ,~~y `-` g(x,u) ~=~0 ## h(x,u) ~=~0 ,~~k(x,u) ~>=~0 ## x( t_0 ) ~=~ x_0,~~t `IN `[ t_0 , t_0 + T ]]

여기서, 는입력벡터, 는출력벡터, 그리고 는 상태벡터이다. 시간 간격은 현재 시간[eqn: t_0]에서 예측구간 를 더한 미래의 어떤 유한 구간 [eqn: t_0` +` T]까지이다. 스칼라 함수 는 제어기의 성능 목적함수이고 와는 플랜트의 모델을 결정하며 와는 제한조건을 나타내는 함수이다. 성능 목적함수의 일반성으로 인해 출력과 설정치 사이의 표준 적분형 제곱오차(standard integral square error)에 반하면서 에너지와 폐기물의 최소화와 같은 고차원적인 함수에 대한 모델예측제어기를 설계할 수 있다.

3. 메탄 전지공정의 제어 목표 및 모사 결과

연료기체 양이 변화할 경우 개질기의 큰 열용량으로 인하여 수소의 생성속도가 느려지게 되며 개질기의 온도 및 메탄의 전환율에 영향을 주게 되어 원하는 부하를 잘 추종할 수 없게 된다. 이 경우 개질기의 온도와 메탄의 전환율을 제어할 필요성이 있다. 이 때 개질기 내의 전환율의 제어는 개질기의 온도를 제어하는 inferential 제어로 하였다. 여기에는 개질기의 온도가 일정한 온도를 유지하면 메탄의 전환율은 일정하다고 보며 메탄의 유량이 증가하면 개질기 내부의 온도가 감소하여 메탄의 전환율도 감소한다.

전지스택의 경우 유입되는 유량에 따라 양 극간의 압력차가 변화하게 된다. 양 극간의 압력차가 커질 경우 폭발의 위험성이 있으므로 기액분리기의 압력과 전지스택 양 극의 입출력 밸브를 조절하여 양 극간의 압력차를 조절하고자 한다.

개질기로 들어오는 메탄 및 수증기의 양이 증가할 때 개질기의 온도 및 전환율과 전지스택에서의 양 극간의 압력차이를 일정하게 유지하도록 제어하였다.

Fig.2에서는 개질기로 유입되는 메탄 및 수증기의 유량을 각각 30% 증가(a), 60% 증가(b)시켰을 때의 개질기의 온도와 메탄의 전환율을 제어한 것을 나타낸 그림들이다. Fig.3에서는 전지스택에서 메탄 및 수증기의 유량을 각각 30% 증가(a), 60% 증가(b)시켰을 때 양 극간의 압력 차이를 제어한 결과를 나타내었다.

4. 결론

기존의 제어 방법들은 복잡한 동적거동이 있는 시스템을 제어하기가 어렵고 제한조건을 다루기가 힘든 단점이 있어 변수들의 상호의존성이 강한 연료전지 공정의 특징상 제어성능이 떨어지게 된다. 따라서 기존의 제어방법들의 한계를 극복함과 동시에 보다 좋은 제어성능을 가질 수 있는 모델예측제어(Model Predictive Control)방법을 이용한 제어전략으로 연료전지 시스템에 적용하였다.

그 결과 메탄 및 수증기의 양을 증가시켜 부하를 증가시켰을 때 개질기의 온도와 전환율을 일정하게 유지할 수 있었다. 또한 전지스택에서 양 극간의 압력차는 빠른 시간 내에 제어됨을 확인하였다. 이는 국내에서 현재 연구개발 중인 연료전지 제어에 대한 가능성을 높였음을 보여준다.

감사의 글

본 연구는 포항공과대학교 공정산업의 지능자동화연구센터를 통한 한국과학재단 우수연구센터 지원금에 의한 것입니다.

참고문헌

1. J. W. Eaton and J. B. Rawlings, Model Predictive Control of Chemical Processes, Chem. Eng. Sci. ,Vol. 147, No. 4, pp. 705-720, 1992

2. H. Nishitani, I. Tamura and E. Kunugita, Integration of Production Planning and Real Time Process Control, Proceeding of IFAC Workshop on Production Control in Process Industry, 1989

3. 이익형, 모델링 및 전산모사를 통한 연료전지 공정의 제어전략에 관한 연구, 공학박사학위논문, 서울대학교, 1996

4. 송지호, 연료전지 시스템의 dynamic Matrix Control에 관한 연구, 공학석사학위논문, 서울대학교, 1999

Fig. 1. Schematic Diagram of PAFC Process

(a)	(b)

Fig. 2. Simulation Results of Reformer in Fuel Increase (a) 30 %, (b) 60%

(a)	(b)

Fig. 3. Simulation Results of Cell Stack in Fuel Increase (a) 30 %, (b) 60%