PEM 연료 전지 시스템의 보조 장치(Balance of Plant, BoP) 모델 설정은 까다로운 작업입니다. 이를 위해서는 스택 자체의 실제 성능 범위에 적합한지 여부에 대한 시스템 배열, 채택된 구성 요소 및 크기에 대한 기본 지식이 필요합니다. 또한 과도 부하 조건에서 전체 시스템을 작동하는 데 필요한 몇 가지 기본 제어 기능이 요구됩니다.
AVL CRUISE™ M은 PEMFC 시스템 발전기를 통해 모델 설정 및 매개변수화 과정을 신속하게 처리할 수 있는 편리한 방법을 제공합니다. 전체 모델 설정의 출발점은 단 두 가지 매개변수인 활성 셀 면적과 스택 내 셀 수로, 이를 통해 모델 생성을 바로 시작할 수 있습니다. 원하는 경우 필요에 따라 모델 생성 과정을 구체화할 수 있는 몇 가지 입력 옵션도 제공됩니다.
모델이 생성되면 추가 사용자 지정을 위해 모든 구성 요소에 대한 전체 액세스 권한을 갖게 됩니다. 여기에는 플랜트 제어를 관리하는 코드에 대한 액세스와 모든 과도 부하 프로파일을 유연하게 정의할 수 있는 기능이 포함됩니다.
연료 전지 스택의 질량과 열 관성을 줄이는 한 가지 방법은 가공된 바이폴라 플레이트에서 스탬프 시트 플레이트로 변경하는 것입니다. 스탬프 시트 플라이트는 벽이 더 얇고, 활성 채널 횡단면과 냉각 횡단면의 비율이 동시에 증가하는 것이 특징입니다.
CRUISE M의 이번 버전에서는 이러한 종류의 바이폴라 플레이트 형상을 유연하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 채널 폭, 플레이트 높이, 양극과 음극 쪽의 시트 두께만 지정하면 바로 진행할 수 있습니다. 스택 및 바이폴라 플레이트, 채널 및 냉각 체적에 관한 KPI는 입력의 기하학적 합리성에 대한 즉각적인 피드백을 제공합니다. 가공된 바이폴라 플레이트와 시트 플레이트의 차이점은 스택의 3D 온도 분포 효과를 충분히 설명하는 전용 설치 예제를 통해 자세히 설명되어 있습니다. 이 예제는 바로 실행할 수 있으며, 다양한 작동 온도가 스택 수소 전환 효율에 미치는 영향을 분석하는 등 맞춤형 시뮬레이션의 시작점으로 사용할 수 있습니다.
연료 전지 스택은 각각 바이폴라 플레이트, 가스 확산층 및 멤브레인으로 구성된 개별 셀들이 모여 형성됩니다. 각 층은 고유의 열 전도를 특징을 지니고 있으며, 스택의 열 거동을 일괄적으로 모델링할 때에도 평면 내 및 수직 방향 모두에 대한 이방성 열전도를 고려하는 것이 중요합니다.
CRUISE M에서 3D 열 스택 모델을 실행할 때 등방성 열전도와 이방성 열전도 중에서 선택할 수 있습니다. 또한 실제 재료 데이터에서 도출된 열전도 값을 스케일링할 수 있으며, 이 스케일링 값은 CRUISE M 데이터 버스 네트워크에도 연결할 수 있습니다. 따라서 실행 중인 시뮬레이션 중에도 모델 매개변수를 식별할 수 있는 완전한 유연성을 제공합니다. 열전도 관련 기능을 시연하기 위한 전용 설치 예제도 제공도며, 이 예제에서는 등방성 및 이방성 열전도를 갖춘 스택의 냉각 단계 동안 공간 온도 분포를 비교하여 보여줍니다.
고체 산화물 연료 전지(SOFC) 및 수전해 시스템(SOEC)의 시뮬레이션은 수전해 및 증기 보일러 구성 요소에 일반적으로 액체 상태의 물이 공급되는 반면, 부분적으로 또는 완전히 기체 상태의 성분은 이러한 구성 요소를 빠져나가기 때문에 기체 수송뿐만 아니라 액상 상태도 고려해야 합니다.
이 버전의 CRUISE M을 사용하면 열역학 가스 네트워크에서 액체 성분의 가용성을 고려할 수 있습니다. 기체 및 액체 유체 구성 요소는 플레넘 및 준차원 파이프(QDP)와 같은 상태 구성 요소에서 모델링된 상 변화 프로세스와 함께 전체 네트워크를 통해 전송됩니다. 현재 버전의 CRUISE M에서 액체 운반 모델은 특정 엔탈피가 온도에 따라 선형인 온도 범위, 즉 임계점보다 상당히 낮은 작동점에 대해 자체 VLE(증기-액체 평형) 흐름 네트워크로 검증됩니다.
AVL FIRE™ M의 PEM 연료 전지 모듈은 음이온 교환막(AEM) 수전해 셀 시뮬레이션도 포함하도록 확장되었습니다. AEM 수전해는 전극 사이에 위치한 진동판을 이온 교환막으로 교체하는 알칼리성 수전해입니다. AEM 수전해는 순수 물로 작동할 수 있지만, 성능을 높이기 위해 일반적으로 셀에 약한 전해질 용액을 공급합니다. 전해질로 KOH(수산화칼륨) 또는 NaOH(수산화나트륨)를 사용하는 경우가 많습니다. 막을 통과하는 전하 전송은 양이온(또는 양성자)이 아닌 음이온(OH-)의 전송을 통해 발생합니다. 음이온 교환막에 일반적으로 사용되는 재료는 헥사메틸 트리메틸암모늄으로 기능화된 딜스-알더 폴리페닐렌(HTMA-DAPP)입니다.
AEM 및 PEM 수전해 모델링의 가장 큰 차이점은 액체 전해질의 존재로 인해 발생하는 것입니다. 따라서 FIRE M은 액체 전해질의 액체 이온 질량 균형 및 액체 전하 보존 방정식에 대한 추가 전송 방정식을 해결했습니다. 액체 전해질과 이오노머 사이의 계면에서는 질량 전달 방식을 채택하여 음이온이 멤브레인에 들어오고 나갈 수 있도록 합니다. 이온 농도 분포를 보다 정확하게 계산하기 위해 멤브레인의 이온화상에서의 이온 수송 방정식을 추가로 해결합니다. 이온 농도는 또한 더 높은 음이온 농도에서 더 빠른 산소 방출 반응을 설명하기 위해 버틀러-볼머 방정식(Butler-Volmer equation)에 추가됩니다.
이번 릴리즈에서는 고온 PEM 연료 전지 시뮬레이션을 포함하도록 FIRE M의 연료 전지 모듈이 확장되었습니다. 저온 PEM 연료 전지의 주요 차이점은 일반적으로 130~180°C 범위의 작동 온도와 그 결과 액상수가 없다는 것입니다. 높은 작동 온도로 인해 다른 멤브레인 재료가 사용됩니다. 가장 일반적인 재료는 인산으로 도핑된 다공성 폴리벤즈이미다졸(PBI) 기반 막입니다. 이온 전도도는 인산에 의해 제공되며 일반적으로 온도에만 의존합니다. 인산에서는 서로 다른 종들이 막을 통과할 수 있으며, O2와 H2의 경우 반대편에서 기생 반응을 일으킬 수 있으며, 이는 본 모델에서 설명합니다. 촉매층의 모든 분해 메커니즘은 저온 PEM 연료 전지와 동일한 방식으로 모델링됩니다.
