• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.79.1-79.1
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• 2010

현재까지의 연료전지 스택 고장 진단 방법은 스택의 전류와 각 셀 전압값을 측정하고 그 측정된 값을 계산함으로써 스택의 고장 여부를 판단하는 것이었다. 이러한 방법은 수백개 이상의 스택의 셀 전압을 2~4개 단위로 측정하기 때문에 백개 이상의 측정 채널이 필요하다. 또한, 스택 진단 시스템을 복잡하게 하여 신뢰성을 저하시킬 뿐만 아니라 가격 상승을 유발한다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 THDA(전고조파왜율 분석) 방법을 제안하였다. THDA는 스택에 교류 전류를 주입하고 스택 양단의 전압을 측정하여 주입된 교류 전류의 THD를 구함으로써 연료전지 스택의 상태를 진단하는 방법이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.79.2-79.2
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• 2010

FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)는 연료전지스택의 각 셀에서 반응하는 화학에너지를 전기에너지로 변환하여 차량을 구동하는 시스템이다. 이러한 연료전지 셀이 정상적인 발전이 되지 않을 경우 비정상적인 전압이 발전되고 이것을 방치한다면 연료전지 스택의 영구적인 고장을 야기할 수 있다. 이를 방지하기 위해 SVM(Stack Voltage monitor) 제어기는 각 셀의 전압을 측정하고 그 정보를 상위 제어기인 FCU(Fuel cell Control Unit)에 전달한다. 이에 FCU는 연료전지스택의 고장을 운전자에게 알리고 연료전지스택의 발전을 멈추게 한다. 기존에 SVM 제어기는 각 셀마다 분압저항을 통하여 측정하며 이 전압의 차를 이용하여 셀 전압을 계산하는 방식이었다. 이는 상위 셀로 갈수록 오차가 커지는 문제가 있고 다수의 CPU 및 DC/DC 컨버터가 적용이 필요하여 복잡한 구성과 가격이 높은 문제가 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 cell monitoring IC를 적용하였고 좀 더 정밀한 측정과 간단한 인터페이스를 구성할 수 있었다. 본 연구에서는 기존 SVM 제어기보다 안정되고 정밀한 SVM 제어기의 개발에 대해 기술하였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.145.2-145.2
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• 2010

탄소복합소재 분리판의 연료전지 성능을 시험하기 위해 소형 고분자연료전지 스택을 제작하였으며 연료전지 운전에 따른 성능변화를 측정하여 탄소복합소재 분리판이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향을 조사하였다. 자체 설계한 가스유로로 디자인된 분리판과 MEA를 적층한 스택의 초기 성능과 장기간 운전에 따른 전압 감소를 측정하였다. 또한 장시간 운전 동안 각 셀의 전압 거동도 함께 측정하였으며 비교를 위해 흑연 분리판을 이용하여 제작한 스택의 성능도 함께 시험하였다. 스택에서 각 셀의 성능은 단위전지에서의 성능과 유사하게 나타나 분리판과 스택의 구조가 셀의 성능을 충분히 보여줄 만큼 적절히 디자인된 것을 알 수 있었으며, 장시간 운전 동안 전류가 증가함에 따라 스택의 성능 감소도 점차 증가하였으며 두 종류의 스택이 유사한 성능 감소를 보여 자체 제작한 탄소복합소재 분리판이 흑연 분리판과 유사한 성능을 보임을 알 수 있었다.

• Journal of Energy Engineering
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• v.8 no.1
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• pp.23-33
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• 1999

용융탄산염 연료전지의 대형화에 관한 기본 기술을 확립하기 위하여 전극의 유효면적이 625 $\textrm{cm}^2$인 단위전지를 20단 적층한 내부 분배형 용융탄산염 연료전지 스택을 제작하고 그 성능을 살펴보았다. 연료로 72% H2/18% CO2/10% H2O를 , 산화제로는 70% air/30% CO2의 혼합 기체를 사용하여 운전한 결과 전류밀도가 150 mA/$\textrm{cm}^2$이고 연료 및 산화제의 이용율이 0.4일 때, 스택 전압이 16.62 V로 1.56 kW의 높은 초기출력을 나타내었다. 스택 내 분리판에서의 온도 분포는 가스 흐름 방향으로 온도가 증가하였으며 스택출력이 높아질수록 가스 배출 부분의 온도가 상승하였다. 스택 내 각 단위전지간의 성능 분포는 균일하지 않았으며, 가스이용율에 따라 그 편차가 증가하였다. 연속 운전 300시간 후부터 스택의 성능이 감소하였으며, 그 원인을 분석한 겨로가 탄소 석출과 부식 생성물에 의한 전기 단락 때문으로 밝혀졌다. 본 연구를 통하여 anode 출구에서의 가스 조성을 분석함으로써 전기 단락에 의한 전압 손실량을 계산하는 기법을 확립하였다. 또한 본 연구에서 얻은 결과를 통하여 향후 스택의 대형화와 장수명화에 대한 대책을 제시하였다.

• Proceedings of the KIPE Conference
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• 2015.11a
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• pp.129-130
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• 2015

본 논문에서는 연료전지 스택진단용 양방향 컨버터의 설계 및 제어기법을 제안한다. 스택진단용 컨버터는 교류전류 제어를 위한 양방향 DC/DC 컨버터를 사용하였으며 컨버터의 전류를 교류로 제어하기 위한 전류 제어기법이 요구된다. 정확한 전류 제어를 위해 d-q 변환을 통해 전류 제어를 수행하였다. 본 논문에서 사용한 제어기법을 통해 넓은 입력전압 범위에서도 충전, 방전으로 연료전지에 교류 전류를 공급하여 연료전지의 전압 변화를 확인함으로써 연료전지 스택의 상태를 진단할 수 있다. 제안하는 컨버터의 제어기법에 대한 타당성은 PSIM 시뮬레이션을 통해 검증하였으며 1.5kW급 스택진단용 양방향 DC/DC 컨버터의 설계 기법을 제안하였다.

• Transactions of the Korean hydrogen and new energy society
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• v.6 no.2
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• pp.53-63
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• 1995

A 100kW class stack consisting of 10 molten carbonate fuel cells has been fabricated. Internally manifold stack has been tested for endurance. Each cell in the stack had an electrode area of $100cm^2$ and reactant gases were distributed in each cells in a cross-flow configuration. Initial and long term operation performance of the stack was investgated as a function of gas utilization using a specially designed small scale stack test facility. It was possible to have a stack with an output of more than 100W using an anode gas of 72% $H_2/18%$ $CO_2/10%H_2O$ and cathode gas of 33% $O_2/67%$ $CO_2$ and 70% Air 30% $CO_2$. The output and voltage of the stack at a current 15A($150mA/cm^2$) and gas utilization of 0.4 showed 125.8W and 8.39V respectively by elapsed time of 310 hours operation. In long term operation characteristics, the voltage drop of 52.4mV/1000hour was observed after more than 1,840 hours operation. Among the voltage drop, the OCV loss was highest than other voltage loss such as internal resistance and electrode polarization. Non uniformity of 2voltages and degradation of cell voltage in the stack was observed in according to changing the utilization rate after a long term operation. Further work for increasing the performance prolonging the life of the stack are required.

• Korean Chemical Engineering Research
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• v.51 no.3
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• pp.370-375
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• 2013

We analyze the effects of CO poisoning and air bleeding on the performance of a PEM (polymer electrolyte membrane) fuel cell stack fabricated using commercial MEA (membrane electrode assembly). Dynamic response data from the experiments on the performance of a stack are identified by obtaining steady-state gains and time-constants of the first-order system model expressed as a first-order differential equation. It is found that the cell voltage of the stack decreases by 1.3-1.6 mV as the CO concentration rises by 1 ppm. The time elapsed to reach a new steady state after a change in the CO concentration is shortened as the magnitude of the change in the CO concentration increases. In general, the steady-state gain becomes bigger and the time-constant gets smaller with increasing the air concentration (air-bleeding level) in the reformate gas to restore the cell voltage. However, it is possible to recover 87%-96% of the original cell voltages, which are measured with free of CO, within 1-30 min by introducing the bleed air as much as 1% of the reformate gas into the stack.

• Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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• v.39 no.4
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• pp.374-380
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• 2015

In this paper, a dynamic model describing the 2 phase effect on the gas diffusion layer depending on load change of a fuel cell stack was developed to examine the effects of liquid water in fuel cell cathode gas diffusion layer on the fuel cell performance. For the developed model, 2 phase effect on the performance of a fuel cell stack depending on the load changes, concentration distribution of water vapor and oxygen inside a gas diffusion layer, the effect of the thickness and porosity of the gas diffusion layer on the fuel cell stack voltage were examined. As a result, a fuel cell stack voltage for the 2 phase model within the scope of the research become lower than that for the 1 phase model regardless of the load. Although oxygen molar concentration for the gas diffusion layer adjacent to the catalyst layer was the lowest, water vapor concentration is the highest. In addition, as thickness and porosity of the gas diffusion layer increased and decreased, respectively, the fuel cell stack voltage decreased.

• Proceedings of the KIPE Conference
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• 2006.06a
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• pp.216-218
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• 2006

본 논문에서는 연료전지용 듀얼 부스트 컨버터의 전압제어루프의 피드백 루프에 디지털 필터를 도입하여 부하에 의해 발생하는 출력전압의 저고조파 리플성분을 제거한 측정값을 사용함으로써 입력전류의 저고조파 리플을 제거하고, 전류제어루프에 predictive deadbeat 제어기법을 적용하여 제어주기와 제어알고리듬 계산에 의한 시간적 지연에 의해 발생되는 동적응답특성의 저하를 최소화한다. 센서를 사용하는 대신 연료전지 스택에 공급되는 수소와 공기의 압력과 스택의 출력전류에 결정되는 연료전지의 전압-전류 특성곡선을 이용하여 부스터 컨버터의 입력전압을 계산하고 전류를 제어함으로써 연료전지 시스템의 성능을 최적화한다.

• Proceedings of the Korea Society for Energy Engineering kosee Conference
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• 1996.04a
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• pp.107-110
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• 1996

연료전지 발전방식중 용융탄산염형 연료전지 발전방식은 동작온도가 $650^{\circ}C$의 고온에서 동작되기 때문에 발전효율이 높고 석탄가스를 연료로 사용할 수 있으며 또한 배기가스를 이용하여 복합발전시스템으로 구성할 수 있는 등 전력사업에 적용가능성이 가장 큰 새로운 발전방식이다. 이와 같은 이유로 전력연구원에서 개발하고 있는 2kW급 용융탄산염형 스택은 전극유효면적이 1,000$ extrm{cm}^2$인 단위전지를 20단 적층한 Co Flow형 MCFC스택으로, 연료로, 연료극에 H2, CO2, H2O 혼합가스를 그리고 산소극에는 공기, CO2 혼합가스를 이용하여 150A 정부하 상태에서 초기성능이 전압 14.28V, 출력 2.142W의 발전 운전시험에 성공하였고 이때 스택의 단위전지 평균전압은 0.714V를 나타내었다.