환경보호의 중요성이 강조됨에 따라 세계적으로 환경오염에 대한 규제를 강화하고 있으며 오염물질 배출을 전혀 발생시키지 않는 연료전지가 유력한 차세대 동력장치로 주목받고 있다. 다양한 연료전지 중 저온형 연료전지인 고분자전해질막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)는 작동온도가 80~100℃로 시동 및 운전에 용이하며, 고온형 연료전지에 필요한 내열 재질이 불필요하고 유지/보수 측면에서 유리하다. 또한 부하 변동에 신속한 대응이 가능하다는 장점이 있어 휴대용 기기뿐 아니라 선박과 같은 대용량의 동력장치로써 적합한 특성을 가지고 있다. 하지만 현재까지 상용화된 기술로는 자동차 또는 소형유람선에 적용하는 것 이상으로 대형화하기는 어려우며 실제 운전 데이터가 부족한 실정이다. 따라서 PEMFC의 대형화와 그 적용을 위해서는 충분한 운전 결과, 실험 데이터가 필요한데 시간적, 비용적 문제 때문에 실제 PEMFC 시스템을 구축하여 운전 결과를 얻기 어렵다. 그렇기 때문에 PEMFC 시스템 모델링 및 시뮬레이션을 통한 운전 데이터 축적 및 연구가 필요하다. 일반적인 모델링 및 시뮬레이션은 소프트웨어를 통해서 모델의 운전 데이터를 얻는 방법이며, 시뮬레이션 기법 중 하나인 HILS (Hardware In Loop Simulation) 시스템을 사용하면 실시간으로 운전되는 소프트웨어와 실제 플랜트에서 사용될 하드웨어인 제어기 및 주변기기의 연동을 통해 플랜트를 구축하기 전 발생할 수 있는 문제점을 미리 파악하여 그 손실을 최소화할 수 있다. 또한 소프트웨어와 하드웨어의 연동된 시뮬레이션 데이터 축적이 가능하다. 연료전지 산업과 같은 고비용의 산업에서는 HILS 시스템을 이용하여 연구에 필요한 시간과 비용 절감을 통한 효율적인 개발이 가능하다.
본 논문에서는 대형선박에 PEMFC 시스템 적용을 위한 연료전지 특성 연구를 위해 실제 운전 데이터를 기반으로 한 120kW급 PEMFC 시스템 모델을 개발하고 HILS 시스템을 구축하였다. 모델은 Matlab/Simulink 및 Thermolib을 사용하여 개발하였다. 실제 운전에서 사용된 것과 같은 산소와 수소를 이용하는 모델을 개발하여 운전 데이터와의 비교를 통해 그 신뢰성을 검증하였다. 신뢰성을 바탕으로 모델을 다양한 조건에서 시뮬레이션하여 운전 특성을 확인하였다. 먼저 산소뿐만 아니라 공기를 사용했을 때의 성능 특성을 비교하였으며 스택의 운전온도, 연료/가스 공급압력, 전해질막의 반응면적, 전해질막의 두께의 변화에 따른 각각의 요인이 운전 특성에 주는 영향을 확인하였다. 또한 스택의 열용량과 스택의 냉각매체와의 열전달계수의 변화가 운전 특성에 주는 영향을 확인하였다.
그리고 개발한 Simulink 모델을 활용하여 HILS 시스템을 구축하여 실시간 시뮬레이션을 실행하였다. 실험 데이터와 HILS 시스템 시뮬레이션의 결과 비교를 통해서 HILS 시스템의 실용성을 검증하였다.
실험 데이터와 개발한 모델의 운전 결과 스택 출력 전압의 차이가 최대 1.9%였으며 유사하게 운전되는 것을 확인하였다. 모델 시뮬레이션 결과, Cathode 공급 기체를 산소를 사용하는 경우 스택 전압이 높았으며 작동온도가 높을수록, 연료/가스 공급압력이 높을수록, 전해질막의 반응면적이 넓을수록, 전해질막의 두께가 얇을수록 전압 및 출력이 더 높아지는 것을 확인하였으며 스택의 열용량 및 냉각매체와의 열전달계수의 경우 스택의 출력에 영향을 크게 미치지는 않는다는 것을 확인하였다. 또한 HILS 시스템을 이용한 시뮬레이션의 결과가 실험 데이터와 흡사하다는 것을 확인하여, 실제 120kW PEMFC를 대체하는 실시간 Simulator로써 구축한 시스템의 실용성을 입증하였다.