대한기계학회논문집B (Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B)

  • 제39권6호
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  • Pages.505-511
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  • 2015
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  • 1226-4881(pISSN)
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  • 2288-5324(eISSN)
대한기계학회 (The Korean Society of Mechanical Engineers)
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5kW급 고체 산화물 연료전지 열관리 계통 LQR 상태 궤환 제어기 설계

Design of LQR Controller for Thermal Management System of 5kW Solid Oxide Fuel Cell

  • 투고 : 2015.01.06
  • 심사 : 2015.03.31
  • 발행 : 2015.06.01
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초록

고체 산화물 연료전지는 $800{\sim}1000^{\circ}C$의 고온에서 작동한다. 고온 작동은 효율에 유리하지만 재료 요구 조건, 신뢰성, 열팽창 문제 등이 발생하여 온도 제어가 중요하다. 본 연구에서는 연료전지 시스템의 열관리를 위한 상태 공간 제어기를 설계하고 응답 특성을 확인하였다. 연료전지 스택과 열관리 핵심부품인 촉매연소기는 집중 용량법을 이용한 과도 응답 모델을 개발하였고, 구성품과 통합하여 정적 운전 특성을 확인하였다. 개발된 비선형 시스템을 정격 운전 조건에서 다중 입력과 출력이 가능한 상태 공간 식으로 선형화하였다. 부하에 따라 응답특성이 현저하게 달라지는 특성을 제어하기 위해 LQR 제어기를 설계하여 궤환 제어 시스템의 온도를 제어하였다. 상태 궤환 제어기가 적어도 두 개의 제어 게인을 가지고 운전 영역에 따른 응답을 보여줄 때, 원하는 온도 응답을 나타냄을 확인하였다.

Solid oxide fuel cell operate at high temperature ($800{\sim}1000^{\circ}C$). High temperature have an advantage of system efficiency, but a weak durability. In this study, linear state space controller is designed to handle the temperature of solid oxide fuel cell system for proper thermal management. System model is developed under simulink environment with Thermolib$^{(R)}$. Since the thermally optimal system integration improves efficiency, very complicated thermal integration approach is selected for system integration. It shows that temperature response of fuel cell stack and catalytic burner are operated at severe non-linearity. To control non-linear temperature response of SOFC system, gain scheduled linear quadratic regulator is designed. Results shows that the temperature response of stack and catalytic burner follows the command over whole ranges of operations.

키워드

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