연료 전지 모델이란?

연료 전지란 반응물을 사용해 전기를 생산하는 전기화학 시스템을 말합니다. PEM(고분자 전해질막) 연료 전지는 널리 사용되고 있는 기술로, 수소와 산소의 화학 반응을 사용해 전기와 물을 부산물로 생성합니다. PEM 연료 전지에는 양성자를 통과시키고 전자 흐름을 차단하는 반투과성막이 포함됩니다. 이 특징으로 인해, 이 종류의 연료 전지를 양성자 교환막 연료 전지라고도 합니다. 아래에서 보이는 바와 같이 수소는 연료 전지의 산화전극으로 유입되어 양성자와 전자로 분리됩니다. 전자가 외부 회로를 통해 흐르는 동안 양성자는 막을 통과하여 전류를 생성합니다. 연료 전지의 환원전극 끝에서 유입되는 산소는 양성자 및 전자와 결합하여 물과 열을 발생시킵니다.

PEM 연료 전지의 가치는 다른 종류의 연료 전지에 비해 작동 온도 및 압력이 낮다는 데 있습니다. 이러한 이유로 이 기술은 전기차에서 배터리 시스템의 대안이나 보조 수단으로 널리 사용되고 있습니다. PEM 연료 전지는 고정형 전력 생산에 사용되며 전해조 및 재생 전력원과 결합된 경우 녹색 에너지 저장-공급 시스템의 일부로 간주됩니다.

시뮬레이션을 통해 연료 전지를 사용하는 응용 사례를 개발하려면 엔지니어에게 다양한 충실도의 모델이 필요합니다. 다음과 같은 시나리오가 있을 수 있습니다.

• 전기화학 반응을 설명하는 연료 전지 모델을 사용해 연료 전지 스택의 온도 및 전기 성능 평가.
• 덜 상세한 시스템 수준 연료 전지 모델을 사용해 연료 전지 전기차의 주행거리, 성능 및 열 효과 최적화.
• Hardware-in-the-Loop 테스트에 적합한 연료 전지 모델을 사용해 연료 전지 제어 시스템 개발 및 최적화.
• 컴포넌트 및 주변 장치 크기 설정을 위한 기능적 세부 정보가 포함된 연료 전지 모델을 사용해 발전 시스템 설계 및 시뮬레이션 수행.
• 연료 전지 및 전해조 모델을 사용해 수소 생산 및 전력 출력의 경제적 타당성 조사 수행.

Simscape™ 및 Simscape Electrical™은 연료 전지를 시뮬레이션하는 모델 라이브러리를 제공합니다. 엔지니어는 이러한 모델을 사용하여 연료 전지 제어 시스템을 개발하고 전기 시스템의 일부로 전기 공급원으로써의 연료 전지를 분석할 수 있습니다. Simulink^®와 함께 사용할 경우, 이러한 모델은 폐루프 설계 및 제어 논리가 포함된 전기차의 연료 전지 제어 시스템 개발을 지원합니다. 엔지니어는 연료 전지 모델에서 검증 및 프로덕션을 위한 코드를 생성하고 AUTOSAR 및 인증 워크플로에 대한 지원을 통해 전류, 전압 및 전력 모니터링, 열 관리 등의 기능을 실현할 수 있습니다.

연료 전지 스택 모델 구축에 관심이 있는 엔지니어를 위해 Simscape Electrical 연료 전지 모델은 두 가지 수준의 충실도를 제공합니다. 단순화된 연료 전지 모델은 정격 온도 및 압력 조건에서의 네른스트 전압을 제공합니다. 더 상세한 연료 전지 모델은 연료와 공기의 압력 및 유량 입력 신호에 따른 네른스트 전압을 제공합니다. 엔지니어는 두 모델 모두에서 전압-전류 특성과 열 발생을 평가할 수 있습니다.

엔지니어는 Simscape를 사용해 전체 PEM 연료 전지 모델을 사용자 지정할 수 있습니다. 여기에는 연료 전지 스택과 공기 압축기, 가습기, 수소 재순환 경로, 냉각 시스템, 물 관리 등의 주변 장치 컴포넌트가 포함됩니다. 전기화학을 사용하는 이 제1원리 기반 연료 전지 모델을 통해 컴포넌트 수준 및 시스템 수준 모두에서 PEM 연료 전지를 개발할 수 있습니다. 엔지니어는 이 수준의 연료 전지 모델 세부 정보를 사용하여 전류, 전압 및 전력 모니터링, 열 관리 등의 기능을 모델링할 수 있습니다.

전기 시스템의 일부인 연료 전지 모델은 연료 전지 스택 효율성, 수소 및 산소 사용, 연료 및 공기 소모를 최적화하기 위한 상충관계 연구를 수행할 수 있는 프레임워크를 제공합니다.

Powertrain Blockset™에 나와 있는 것처럼 전기화학 반응, 수소 및 공기 처리 및 열 관리 시스템이 포함된 PEM 연료 전지 모델은 배터리 시스템 및 전기 모터와 결합하여 연료 전지 가상 차량의 파워트레인을 모델링할 수 있습니다.