燃料電池モデル

Simulink および Simscape を使用した PEM 燃料電池のモデル化

燃料電池は、反応物を使用して電気を作り出す電気化学システムです。高分子電解質膜 (PEM) 燃料電池は、水素と酸素の化学反応を利用し、副産物として電気と水を生成する一般的な技術です。PEM 燃料電池には、プロトン輸送を可能にし、電子フローを遮断する半透膜が組み込まれています。その特性から、このような燃料電池は、プロトン交換膜燃料電池としても知られています。下図に示すように、燃料電池のアノードから水素を取り込み、プロトンと電子に分解します。プロトンは膜を通過し、電子は外部回路を流れるため、電流が発生します。燃料電池のカソード側に入った酸素は、プロトンや電子と結合し、水と熱を発生させます。

酸素と水素の流れと化学反応により、電流と水が生成される様子を表した、PEM 燃料電池の図。

固体高分子形燃料電池。

PEM 燃料電池は、他の燃料電池と比べて低い温度や圧力で作動する点が評価されています。そのため、電気自動車におけるバッテリーシステムの代替や補完機能として使用する技術として注目を集めています。PEM 燃料電池は定置型発電に使用されており、電解槽や再生可能エネルギー源と組み合わせてグリーンエネルギーの貯蔵・供給システムの一部と考えられています。

燃料電池を採用したアプリケーションの開発にシミュレーションを利用するには、さまざまな忠実度のモデルが必要です。たとえば、次のようなシナリオがあります。

  • 電気化学反応を記述した燃料電池モデルを用いた、燃料電池スタックの温度性能と電気性能の評価。
  • 大まかなシステムレベルの燃料電池モデルを用いた、燃料電池自動車の航続距離、性能、熱の影響の最適化。
  • ハードウェアインザループ テストに適した燃料電池モデルを用いた燃料電池制御システムの開発と最適化。
  • コンポーネントとバランスオブプラントのサイジングのための機能の詳細を含む燃料電池モデルを使用した発電システムの設計とシミュレーション。
  • 燃料電池と電解槽のモデルを使用した、水素発生量と発電量の経済性の検証。

Simscape™ および Simscape Electrical™ には、燃料電池のシミュレーションを行うためのモデルライブラリが用意されています。エンジニアは、これらのモデルを使用して、電気システムの一部となる燃料電池の制御システムを開発したり、電力源としての燃料電池を解析できます。これらのモデルを Simulink® で使用して、閉ループ設計や制御ロジックを含む電気自動車用の燃料電池制御システムを開発します。エンジニアは、AUTOSAR や認証ワークフローのサポートにより、これらの燃料電池モデルから検証および運用環境用のコードを生成し、電流、電圧、電力監視および熱管理などの機能を実現できます。

燃料電池スタックのモデルを構築するエンジニア向けに、Simscape Electrical 燃料電池モデルには 2 つのレベルの忠実度が用意されています。簡略化された燃料電池モデルでは、温度と圧力のノミナル条件におけるネルンスト電圧が得られます。詳細な燃料電池モデルでは、燃料と空気の圧力と流量の入力信号に基づき、ネルンスト電圧が出力されます。いずれのモデルでも、電圧電流特性や熱発生を評価できます。

システムの入出力を示す PEM 燃料電池のモデルブロック。

Simscape Electrical 燃料電池モデル。

Simscape を使用すると、エンジニアは PEM 燃料電池のモデル全体をカスタマイズできます。たとえば、燃料電池スタックのほか、エアコンプレッサー、加湿器、水素再循環経路、冷却システム、水管理などのバランスオブプラント コンポーネントもカスタマイズ可能です。電気化学を用いた第一原理計算に基づく燃料電池モデルを使用することで、コンポーネントレベルおよびシステムレベルで PEM 燃料電池を開発できます。このレベルの詳細な燃料電池モデルにより、エンジニアは電流、電圧、電力監視や、熱管理などの機能をモデル化できます。

セルと水素源、酸素源、ポンプ、冷却システムなどの周辺コンポーネントで構成された PEM 燃料電池システムモデル。

Simscape PEM 燃料電池システムモデル。

電気システムの一部としての燃料電池モデルは、燃料電池のスタック効率、水素と酸素の利用、燃料と空気の消費を節減するためのトレードスタディを行うフレームワークを備えています。

DC-DC 昇圧コンバーターを備えた電気システムの一部としての PEM 燃料電池モデル。

Simscape Electrical 6 kW 燃料電池モデル。

Powertrain Blockset™ に示されるように、電気化学反応、水素と空気の処理、および熱管理システムを備えた PEM 燃料電池モデルをバッテリーシステムおよび電気モーターと組み合わせて、燃料電池バーチャル車両のパワートレインをモデル化できます。

バッテリーシステム、電気モーター、冷却システムなどのバッテリー電気自動車 (B E V) の一部としての PEM 燃料電池モデル。

電気自動車向けの燃料電池モデルおよびバッテリー システム モデル。

参考: Simscape Electrical, Powertrain Blockset, MATLAB and Simulink for electric vehicle development, Simulink for Electrification, MATLAB and Simulink Based Books for fuel cell development, what is a hydrogen electrolyzer?