대구도시가스 - LabVIEW를 이용한 Fuelcell test system 개발

Author(s):
장해룡 연구원 - 대구도시가스

Industry:
Energy/Power

Products:
LabVIEW

The Challenge:
이번 연구에서는 연료전지의 다양한 변수를 효율적 운전을 통하여 가격대 성능비를 개선함으로써 상용화에 접근하는 시도를 하였다.

The Solution:
사용자가 지정된 변수에 의해서 실험이 진행되고 측정된 데이터는 post processing까지 거친 후 excel에 저장되므로 최소한의 작업만으로 많은 데이터를 얻을 수 있어서 경쟁력 있는 연구가 될 수 있도록 구성하였다.

요약
LabVIEW를 사용하여 fuelcell test system을 새로이 구성함으로써 기존보다 폭넓은 실험을 할 수 있고 시스템 부하가 적으면서도 정확한 데이터를 측정할 수 있는 시스템을 구성하였다. 사용자가 지정된 변수에 의해서 실험이 진행되고 측정된 데이터는 post processing까지 거친 후 excel에 저장되므로 최소한의 작업만으로 많은 데이터를 얻을 수 있어서 경쟁력 있는 연구가 될 수 있도록 구성하였다.

개발 배경
연료전지는 수소와 산소의 화학반응으로 물이 되는 과정 중에 전자의 이동을 이용하는 장치로 유력한 석유 대체 에너지원으로 생각되어 선진국에서 활발한 연구가 진행되고 있다. 응용 분야는 노트북, 핸드폰 같은 portable 기기들과 자동차에 적용하기 위하여 활발한 연구가 진행되고 있다. 연료전지의 경우 이미 우주선이나 잠수함의 전원에 사용되고 있지만 가격적인 요소가 큰 영향을 미치는 일상 생활에 관련된 기기들에는 적용되지 못하고 있으며 이러한 가격적인 요소를 해결하려는 방향으로 대부분의 연구가 진행되고 있다. 이번 연구에서는 연료전지의 다양한 변수를 효율적 운전을 통하여 가격대 성능비를 개선함으로써 상용화에 접근하는 시도를 하였다.
연료전지의 효율적인 운전을 위해서는 온도, 유량, 압력 등 다양한 변수들의 제어가 필요하다. 이러한 작업들이 manual로 실행될 경우 정확성과 신뢰성에 문제가 있을 수 있으며 효율적인 연구를 하기 어렵다. 기존 연료전지 테스트에는 Agilent사의 VEE를 사용하였지만 지원되는 함수가 제한적이고 low level의 제어에는 제약이 있었다. 이러한 문제를 LabVIEW를 이용한 자동화된 Fuelcell test system을 구성함으로써 해결하여 시스템의 변화에 유연하게 대처하고 데이터 처리를 효과적으로 할 수 있도록 구성하고 하였다.

본론
Fuelcell test system의 전반적인 계략도를 Figure 1에 나타내었다. 중앙에 있는 연료전지의 전류량을 제어하기 위하여 Agilent사의 6050A Electrical load를 GPIB를 사용하여 제어하였으며, 측정된 전압은 Multimeter를 사용하여 측정하였다. 공급되는 가스의 양은 정해진 양론비에 따라 RS-232C로 제어하였다. 이러한 내용들은 Ethernet을 통하여 on-line및 off-line에서 활용이 가능하도록 하였다.

Figure 1

기존 시스템의 경우 voltage resolution이 16㎷이므로 미미한 전압의 변화를 감지할 수 없었다. 단위 전지의 작동 영역이 0∼1V이고 보통 0.6V 부근에서 운전되는 것을 감안하면 3% 정도의 성능 변화는 판별하기 어려웠다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 Figure 1와 같이 loader에서 voltage를 읽지 않고 multimeter를 사용하여 1㎶의 정확도로 측정이 가능한 시스템을 구성함으로써 voltage resolution을 10000배 이상 향상시켰다. 기존의 프로그램에서는 일정 시간이 경과한 뒤 하나의 데이터 포인트만 수집함으로써 고전류 영역에서와 같이 전압 fluctuation이 심하게 발생할 경우 데이터의 신뢰성에 문제점이 있었다. 이번 시스템에서는 각 전류에서 1분간 steady state를 가진 후 0.6초 간격으로 100개의 데이터를 측정하고 이에 대한 평균값 및 표준편차를 계산하여 저장하였으므로 데이터의 신빙성을 보완하였다. 또한 대기 시간과 데이터 개수는 사용자의 편의에 따라 변경이 가능하게 구성하였다.
기체 유량에 대한 연료전지 성능의 정밀한 실험을 위하여 flow tracking logic이 삽입되었다. 실험자가 양론비를 지정할 경우 전류량에 따라 유량이 자동적으로 조절되며, 전류밀도가 100mA/cm2 이하의 영역에서는 유량이 동일하게 유지되도록 구성하였다. 시스템 부하는 90%에서 4% 이하로 줄임으로써 CPU 점유율을 1/20 이하로 개선할 수 있었다. 시스템의 부하가 높을 경우 time delay의 일종인 jitter 현상이 발생하여 정확한 시간에 데이터를 획득하기 힘들며 심할 경우 데이터를 놓치게 되는 현상이 발생할 수 있다. 기존 시스템의 경우 30%까지 발생하던 jitter 현상을 LabVIEW를 사용하여 1% 미만으로 줄임으로써 데이터의 신뢰도를 획기적으로 개선할 수 있었다.

Figure 2

Figure 2는 전류량 대비 전압 실험을 수행하기 위하여 LabVIEW를 사용하여 만든 것으로 사용자가 조작할 수 있는 panel의 화면이다. Anode와 cathode측의 유량은 MFC를 사용하여 제어할 수 있게 설계되었으며, Figure 2의 panel에서 실험 변수를 정해주면 schedule에 따라서 연속적인 실험이 가능하고, 사용자가 지정한 횟수 및 시간에 따라 반복적인 테스트도 가능하다. 실험을 조작할 변수들을 입력할 경우 DDE(Dynamic Data Exchange)를 통하여 측정된 데이터와 같이 excel data sheet로 데이터가 전송되도록 구성하였다.

Figure 3

Figure 4

전체 프로그램의 개략도를 Figure 3에 나타내었다. Panel에 입력된 변수들과 실험 결과는 자동적으로 excel file에 저장되도록 구성하였으며 그 결과를 Figure 4에 나타내었다. 기존의 경우 voltage, current density, power density 정도의 데이터가 기록되었지만 표준편차가 추가로 기록 되도록 제작하여 데이터의 신뢰도에 대한 판별이 가능하게 제작하였다. 자동화된 실험으로 인하여 단시간 내에 많은 데이터를 획득할 수 있었으므로 방대한 양의 데이터를 효과적으로 관리할 방법이 필요하게 되었다. 수동 시스템의 경우 데이터의 양이 많지 않아 수작업으로도 사용이 가능하지만 자동화로 인하여 데이터의 양이 방대해짐에 따라 필요한 데이터들을 선별하여 쉽게 추출해낼 수 있는 시스템을 구성하였다.
실험자가 on-line상에 접속할 수 있을 경우 원격지에서도 시스템을 제어할 수 있도록 구성하였다. 이것은 Web publishing tool을 사용하여 구현한 것으로 원격지에서 인터넷을 통하여 서버에 접속하더라도 실험 장비 앞에 있는 경우와 동일한 화면이 구현되고 이를 통하여 실험 변수의 control과 monitoring이 가능하므로 시간과 장소에 구애받지 않고 실험을 수행할 수 있는 획기적인 시스템을 구현하였다.
시스템의 상황을 off-line에서도 확인할 수 있도록 messenger기능을 첨가하였고 이를 Figure 5에 나타내었다. 실험이 종료되었을 경우나 연료전지의 전압이 설정치보다 낮아지는 등 실험자에게 알려야 할 상황이 발생하였을 경우 Figure 5와 같이 지정한 휴대폰에 자동적으로 문자 연락을 보내어 실험에 능동적으로 대처할 수 있는 safety alarm 시스템을 구축하였다.

Figure 5

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
Front panel에서 실험 변수를 정해주면 schedule에 따라서 연속적인 실험이 가능하고 사용자가 지정한 횟수 및 시간에 따라 반복적인 테스트도 가능하였으며, 방대한 양의 데이터를 excel로 처리하여 효과적으로 쉽게 추출해낼 수 있었다. 특히 연속적인 실험이 가능하였기에 실험 시간을 1/3로 단축시킬 수 있어서 실험이 지연됨에 따른 오차의 요인을 제거할 수 있었고 다양한 실험을 단시간에 할 수 있었다.
실험자가 on-line상에 접속할 수 있을 경우 원격지에서도 시스템을 제어하고 monitoring할 수 있도록 구성하였으며, 문제 발생시 지정된 휴대폰에 자동적으로 문자 연락을 보내는 safety alarm 시스템을 구축하여 실험에 대한 안전성을 확보였다
LabVIEW에서 기본적으로 지원되는 function block을 사용하여 손쉽게 원하는 로직을 구성할 수 있었기에 연구에 지장을 받지 않으면서 시스템을 개발할 수 있었다. 이러한 시스템을 사용한 연구 결과를 2003년 한국 전기 화학회에 발표하였으며 독창적이고 효과적인 내용으로 인정을 받아 우수논문상을 수상하였다.

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