AVL CRUISE™ M의 고온 PEM 연료 전지 모델

2024 R1 릴리즈에서, CRUISE M은 기존의 PEM 연료전지 스택 컴포넌트에 HT-PEM 전용 모델을 새롭게 도입하였습니다. 이를 통해, CRUISE M의 멀티 도메인 및 멀티 스케일 스택 모델링 접근법이 제공하는 핵심 기능과 이점을 모두 계승할 수 있게 되었습니다. 전기화학적 모델은 네른스트 방정식(Nernst equation)의 수립과 버틀러-볼머 방정식(Butler-Volmer equation)에 기반한 활성화 손실, 그리고 전도 및 수송 손실의 계산 등을 고려합니다. 이러한 개별 현상들은 본문의 후반부에서 다시 살펴보겠습니다. 또한, 반응물 크로스오버(Reactant Crossover)에 대한 전용 모델도 함께 구현되어 전체 모델을 완성합니다.

여기서만 말하지만, HT-PEM을 모델링하는 것이 특정 측면에서는 오히려 LT-PEM보다 단순한 경우도 있습니다. 그 이유는 일시적인 막 내 수분 흡수 현상이나 액상 수분의 생성 및 제거와 같이 매개변수화하기 어려운 복잡한 현상이 배제되기 때문입니다. 막 가습 효과가 사라짐에 따라, 전기화학 모델의 거동과 경계 조건 변화에 대한 민감도가 보다 명확하게 드러나게 됩니다. 모델 개발 및 타당성 검사 과정에서, AVL은 HT-PEM 시스템의 예측 정확도를 향상시키기 위해 여러 전기화학적 모델 상수를 식별하고, 이를 통해 LT-PEM 연료 전지와 전해조 모델의 성능도 동시에 개선했습니다. 이는 다음 섹션에서 확인할 수 있습니다.

HT-PEM 모델은 문헌에서 제공된 데이터로 검증되었으며, 이 데이터는 다양한 온도, 공급 가스 농도 및 공급 질량 유량에서 얻어진 정상 상태 분극 곡선이 포함되어 있습니다. 이 포괄적인 데이터 세트를 통해 전기화학 엔지니어는 주요 관련 손실 요인, 즉 오믹 손실, 활성화 손실, 및 수송 손실을 조사할 수 있습니다.

먼저, 주요 작동 매개변수 중 하나인 스택 온도를 살펴보겠습니다. 기준데이터에는 130°C에서 180°C까지의 온도 범위에서 측정된 4개의 분극 곡선이 포함되어 있습니다. 그림 1a는 실험 결과(점)와 시뮬레이션 결과(선)를 비교한 것으로, 두 결과가 잘 일치함을 보여줍니다. 온도가 높을수록 스택 효율이 향상됩니다. 이러한 추세의 근본 원인이 무엇인지 궁금하지 않나요? 가상 트윈은 그림 1b에 나와 있는 개별 손실 요인에 대한 보다 자세한 분석을 제공하므로 이를 살펴볼 수 있습니다. 활성화 과전압(하단 선)는 모든 온도에서 유사하며, 주요 차이는 오믹 손실에서 관찰됩니다. 오믹 손실은 일반적으로 전류 밀도에 따라 비려하여 선형적으로 증가합니다. 저항 손실의 기울기, 즉 오믹 저항은 스택 온도가 높을수록 작아집니다. 모델에서 이러한 추세는 온도에 의존하는 이온 전도도로 설명되며, 이는 SDT의 물성 데이터베이스에서 정의됩니다.

스택을 음극 공급 가스로 공기 대신 순수 산소로 작동하면 어떻게 되나요? 전기화학 모델이 Nernst 전압과 Butler-Volmer 식에서 반응물 농도를 고려하도록 구성되어 있기 때문에, 이러한 시나리오도 시뮬레이션이 가능합니다. 해당 결과는 그림 2a에 제시되어 있으며, 실제 측정값과 비교되어있습니다. 그림 2b에서는 손실 분석을 통해 각 손실 항목의 기여도를 보여줍니다. 오믹 저항은 두 곡선 모두에서 동일하므로 표시되지 않습니다. 반응물 농도가 높을수록 Nernst 전압 손실과 활성화 손실이 모두 감소합니다. 이는 측정 결과에 나타난 셀 전압 거동을 결정하며, 이는 모델에 잘 반영되어 있습니다.

오믹 손실 - 확인! 활성화 손실 - 확인! 수송 손실은 어떤가요? 이를 위해, AVL은 0.4 A/cm²의 전류 밀도에서 화학양론적 비율을 통해 정의된 각 분극 곡선에 대해 일정한 질량 유량을 특징으로 하는 공기 공급 변동을 조사합니다. 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 높은(빨간색) 유량과 중간(파란색) 유량의 경우, 시스템에 충분한 반응물이 공급되어 고전류 밀도에서도 전압 강하가 거의 나타나지 않습니다. 최저 유량(녹색)에서 반응물 부족으로 인한 전류 밀도 제한이 측정 결과에서 관찰되며, 이는 모델에 잘 반영되어 있습니다.

앞선 섹션에서 보여준 수준의 결과 품질을 얻기 위해서는 상당한 시간과 노력이 필요합니다. 하지만 CRUISE M의 파라미터 설정 마법사(Parameterization Wizard)와 같은 자동화 워크플로우를 활용하면 이를 간소화할 수 있습니다. 실제로 이번 HT-PEM 모델 개발 및 검증 과정에서도 해당 마법사를 적극 활용했습니다. 특히 2024 R1 버전에서 워크플로우가 대폭 개선되어 더욱 유용하게 사용되었습니다. 아래 영상에서는 이미 해당 워크플로우에 익숙한 시뮬레이션 엔지니어들을 대상으로 주요 개선 사항을 소개합니다.

고온 PEM 연료 전지는 기존의 저온 연료 전지에 대한 유망한 대안입니다. 이들은 최대 200°C의 온도에서 작동하며, 공급된 수소의 불순물에 덜 민감한 것으로 알려져 있습니다. CRUISE M은 새로운 HT-PEMFC 모델을 통해 이 기술을 다룹니다. 자동 파라미터 설정 마법사를 통해 다양한 작동 조건(온도, 공급 가스 농도, 질량 유량 비율 등)에 대해 모델을 검증하였습니다. 그 결과, 실험값과 우수한 일치도를 보였습니다.