PEM 연료전지 시스템

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이 예제는 사용자 지정 Simscape™ 블록으로 PEM(고분자 전해질막) 연료전지 스택을 모델링하는 방법을 보여줍니다. PEM 연료전지는 수소와 산소를 소비하고 수증기를 형성하면서 전력을 생성합니다. 이 사용자 지정 블록은 MEA(막전극접합체)를 나타내며, 산화전극 기체 유동과 환원전극 기체 유동을 나타내는 두 개의 습윤 공기 네트워크와 연결되어 있습니다.

이 두 습윤 공기 네트워크는 서로 다른 기체 혼합을 나타냅니다. 산화전극 네트워크는 질소(N2)와 수증기(H2O) 그리고 연료를 나타내는 수소(H2)로 구성됩니다. 수소는 70MPa의 연료 탱크에 저장됩니다. 감압 밸브는 약 0.16MPa의 압력으로 수소를 연료전지 스택으로 방출합니다. 사용되지 않은 수소는 스택으로 재순환됩니다. 환원전극 네트워크는 질소(N2)와 수증기(H2O) 그리고 외부의 공기를 나타내는 산소(O2)로 구성됩니다. 압축기는 연료전지에 산소가 부족하지 않도록 제어된 속도로 공기를 연료전지 스택으로 보냅니다. 배압 해제 밸브는 스택에서 약 0.16MPa의 압력을 유지하며 배출물을 외부로 내보냅니다.

다양한 부하 조건에서 효율적인 작동을 보장하기 위해 연료전지 스택의 온도와 상대 습도는 최적의 수준으로 유지되어야 합니다. 온도가 높을수록 열효율은 증가하지만 상대 습도가 감소하여 전해질막에서 저항이 커집니다. 따라서 이 모델에서는 연료전지 스택 온도가 80°C로 유지됩니다. 냉각 시스템은 셀 사이에 냉각수를 순환시켜 열을 흡수하고 라디에이터를 통해 외부로 배출합니다. 가습기는 기체를 수증기로 포화시킴으로써 전해질막에서 습도를 유지하여 전기 저항을 최소화합니다.

이 사용자 지정 MEA 블록은 Simscape 코드 FuelCell.ssc에 구현되어 있습니다. Anode Gas Channel Pipe 블록과 Cathode Gas channel Pipe 블록의 출력 포트 F는 연료전지 반응을 모델링하는 데 필요한 기체 몰 분율을 제공합니다. 산화전극 및 환원전극 기체 유동에서 H2와 O2의 제거는 Controlled Trace Gas Source(MA) 블록으로 구현됩니다. H2O의 생성과 MEA를 통과하는 수증기의 수송은 Controlled Moisture Source(MA) 블록으로 구현됩니다. 반응에 의해 생성된 열은 열 포트 H를 통해 연결된 Thermal Mass 블록으로 전달됩니다. 구현에 대한 추가 세부 정보는 코드의 주석을 참조하십시오.

PEM 전기분해 시스템 예제도 참조하십시오.

참고 문헌:

Dutta, Sandip, Sirivatch Shimpalee, J. W. Van Zee. "Numerical prediction of mass-exchange between cathode and anode channels in a PEM fuel cell." International Journal of Heat and Mass Transfer 44.11 (2001): 2029-2042.

EG&G Technical Services, Inc. Fuel Cell Handbook (Seventh Edition). US Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 2004.

Pukrushpan, Jay T., Anna G. Stefanopoulou, Huei Peng. Control of fuel cell power systems: principles, modeling, analysis and feedback design. Springer-Verlag London, 2004.

Spiegel, Colleen. PEM fuel cell modeling and simulation using MATLAB. Elsevier, 2008.

모델

Anode Humidifier 서브시스템

Anode Exhaust 서브시스템

Anode Gas Channels 서브시스템

Cathode Humidifier 서브시스템

Cathode Exhaust 서브시스템

Pressure Relief Valve 서브시스템

Cathode Gas Channels 서브시스템

Cooling System 서브시스템

Coolant Tank 서브시스템

Electrical Load 서브시스템

Hydrogen Source 서브시스템

Pressure-Reducing Valve 서브시스템

Oxygen Source 서브시스템

Recirculation 서브시스템

스코프의 시뮬레이션 결과

Simscape 기록의 시뮬레이션 결과

다음 플롯은 스택에 있는 연료전지의 전류-전압(i-v) 곡선을 보여줍니다. 전류가 증가하면 전극 활성화 손실로 인해 초기 전압 강하가 일어나고 이어서 옴 저항으로 인해 전압이 점진적으로 감소합니다. 최대 전류에 거의 도달하면 기체 전달 손실로 인해 전압이 급격하게 떨어집니다.

다음 플롯은 셀에서 생성된 전력도 보여줍니다. 램프 시나리오를 선택하면 전력이 최대 전력 출력까지 증가했다가 최대 전류에 거의 도달하면 높은 손실로 인해 감소합니다.

다음 플롯은 연료전지 스택에서 생성된 전력, 그리고 안정적이고 효율적인 시스템 작동을 유지하기 위해 환원전극 공기 압축기와 냉각수 펌프에서 소비된 전력을 보여줍니다. 결과적으로 시스템에서 생성되는 순 전력은 스택에서 생성되는 전력보다 몇 퍼센트 적습니다. 참고로 이 모델은 등엔트로피 압축기를 가정합니다. 압축기 효율성을 반영하면 순 전력 이득은 몇 퍼센트 더 줄어들 것입니다.

다음 플롯은 연료전지 스택에서 생성된 과도한 열도 보여줍니다. 이러한 열은 냉각 시스템을 통해 제거되어야 합니다. 연료전지 스택에서 생성되는 최대 전력은 110kW입니다.

다음 플롯은 연료전지의 열효율과 반응물 사용 비율을 보여줍니다. 열효율은 연료전지가 유용한 전기적 일로 변환한 수소 연료 에너지의 비율을 나타냅니다. 이론적으로 PEM 연료전지의 최대 효율은 83%입니다. 그러나 내부 손실로 인해 실제 효율은 약 60%입니다. 최대 전류에 거의 도달하면 효율은 약 45%까지 떨어집니다.

반응물 사용률은 연료전지 스택으로 유입되어 연료전지가 소비한 반응물 H2와 O2의 비율입니다. 사용률이 높을수록 연료전지로 유입되는 기체를 더 잘 사용할 수 있지만, 반응물의 농도가 감소하여 생성되는 전압이 감소합니다. 사용되지 않은 O2는 외부로 배출되지만 사용되지 않은 H2는 낭비를 방지하기 위해 산화전극으로 다시 재순환됩니다. 그러나 실제로는 오염물을 제거하기 위해 H2를 주기적으로 제거합니다.

다음 플롯은 시스템 내 다양한 위치에서의 온도를 보여줍니다. 연료전지 스택의 온도는 냉각 시스템에 의해 최대 80°C로 유지됩니다. 산화전극으로 유입되는 연료는 재순환 흐름에 의해 가열됩니다. 환원전극으로 유입되는 공기는 압축기에 의해 가열됩니다.

온도가 높을수록 상대 습도가 낮아져 전해질막의 저항이 증가하기 때문에 최적의 온도를 유지하는 것은 연료전지의 작동에 매우 중요합니다. 이 모델에서 냉각 시스템은 냉각수 펌프 유량의 간단한 제어에 따라 작동합니다. 플롯은 냉각수가 연료전지 스택에서 열을 흡수한 후와 라디에이터에서 열을 방출한 후의 온도를 보여줍니다.

다음 플롯은 작동하는 동안 사용된 수소의 질량과 그에 따른 수소 탱크 압력의 감소를 보여줍니다. 사용된 수소 연료의 에너지는 전기 에너지로 변환됩니다.