Modeling of PEM fuel cell system of a fuel cell electric bus

Abstract

연료전지와 배터리를 하이브리드 방식으로 탑재한 수소연료전기버스는 친환경성, 저소음과 같은 특성을 보이며, 수소충전 및 유지관리 인프라 간소화에도 강점이 있어 최근 각광받고 있다. 또한 수소의 높은 에너지 밀도 값은 차량의 에너지 저장 용량 및 차량 주행 거리 향상에 도움을 주어 트럭, 버스 및 기타 운송수단 등에 적용성이 높다. 수소전기버스의 고분자전해질 연료전지는 연료인 수소가 가진 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변화시켜 사용하는 에너지 변환장치로써 전기화학 반응의 결과 부산물로 물과 열이 생성된다. 연료전지 시스템은 연료전지 스택과 주변운전장치로 구성된다. 주변운전장치는 반응기체인 산소와 수소를 공급하기 위한 공기 공급 시스템, 수소 공급 시스템과 연료전지 열방출을 통해 60~80℃의 운전온도를 유지하기 위한 열관리 시스템으로 구성된다. 이러한 연료전지 시스템을 구성하는 각각의 시스템은 서로 열·전기적현상에 의해 상호작용하며, 고분자전해질 연료전지 시스템의 체계적인 해석 및 시스템을 구성하는 다양한 시스템의 효율적인 제어를 하기 위해서는 시스템을 구성하는 각 요소들에 대한 물리적인 분석과 이를 모두 반영한 모델링이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 각 구성 요소들에 대한 물리적인 현상 및 지배방정식을 이해하고 AMESIM^®을 이용하여 연료전지 시스템 모델로 통합하고자 한다. 구축한 모델은 차량 실험 데이터와의 비교를 통해 검증되었다.

The fuel cell electric bus (FCEB) is a hybrid vehicle equipped with both a fuel cell and a battery, showcasing eco-friendliness and low noise characteristics. Recently, it has gained attention for its ability to simplify hydrogen charging and maintenance infrastructure. Additionally, the high energy density of hydrogen enhances the vehicle's energy storage capacity and mileage, making it suitable for various transportation modes, including trucks and buses. The polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell in the fuel cell electric bus (FCEB) serves as an energy conversion device, transforming the chemical energy of hydrogen into electrical energy, with water and heat produced as by-products through electrochemical reactions. The PEM fuel cell system comprises the PEM fuel cell stack and the balance of plant (BOP) system. The BOP system includes components like an air supply system for oxygen and hydrogen, a reactor, a hydrogen supply system, and a thermal management system (TMS) to regulate the fuel cell's operating temperature between 60℃ to 80℃. For this study, the FCEB PEM fuel cell system was modeled using AMESIM®, and the simulation model was validated with FCEB vehicle test data. The PEM fuel cell system, which encompasses the PEM fuel cell stack, air compressor, and membrane humidifier, was accurately modeled. The PEM fuel cell single cell and stack simulation model exhibited errors within 1% and 2%, respectively, when compared to the polarization curve. The simulation model of the air compressor closely matched the test values with an error within 2%, considering temperature and pressure results. Furthermore, the TMS simulation model showed good agreement with errors within 3.4% when compared to the test values, particularly concerning coolant mass flow rate and temperature results. The overall fuel cell system was verified by calculating the power and power consumption of each component, and the energy flow simulation results closely resembled the dynamometer vehicle test data.