В этом примере показано, как моделировать батарею топливных элементов с протонной обменной мембраной (PEM) с помощью пользовательского блока Simscape. Топливный элемент PEM вырабатывает электроэнергию, потребляя водород и кислород и производя водяной пар. Заказной блок представляет мембранный электродный узел (МЭА) и соединен двумя отдельными сетями влажного воздуха: одной для анодного газового потока и одной для катодного газового потока.
Две сети влажного воздуха представляют различные газовые смеси. Анодная сеть состоит из азота (N2), водяного пара (H2O) и водорода (H2), представляющего собой топливо. Водород хранится в топливном баке при 70 МПа. Редукционный клапан выпускает водород в батарею топливных элементов при давлении около 0,16 МПа. Неиспользованный водород рециркулирует обратно в батарею. Катодная сеть состоит из азота (N2), водяного пара (H2O) и кислорода (O2), представляющего собой воздух из окружающей среды. Компрессор подает воздух в батарею топливных элементов с регулируемой скоростью, чтобы гарантировать, что топливный элемент не испытывает недостатка кислорода. Обратный предохранительный клапан поддерживает давление около 0,16 МПа в штабеле и выпускает отработавшие газы в окружающую среду.
Температура и относительная влажность в батарее топливных элементов должны поддерживаться на оптимальном уровне для обеспечения эффективной работы при различных условиях загрузки. Более высокие температуры повышают тепловую эффективность, но снижают относительную влажность, что вызывает более высокое сопротивление мембраны. Поэтому в этой модели температура батареи топливных элементов поддерживается на уровне 80 ° С. Система охлаждения циркулирует между ячейками для поглощения тепла и отбрасывает его в окружающую среду через радиатор. Увлажнители насыщают газ водяным паром для поддержания гидратации мембраны и минимизации электрического сопротивления.
Пользовательский блок MEA реализован в коде Simscape FuelCell.ssc. Выходной порт F трубных блоков анодного и катодного газовых каналов обеспечивает мольные фракции газа, необходимые для моделирования реакции топливного элемента. Удаление H2 и O2 из анодного и катодного газовых потоков осуществляется блоками управляемого источника следового газа (МА). Производство H2O и транспортировка водяного пара через МЭС осуществляются блоками регулируемого источника влаги (МА). Тепло, выделяемое в результате реакции, передается через тепловое отверстие Н соединенному блоку тепловой массы. Дополнительные сведения о реализации см. в комментариях к коду.
На этом графике показана кривая ток-напряжение (i-v) топливного элемента в батарее. По мере нарастания тока происходит начальное падение напряжения из-за потерь активации электрода с последующим постепенным снижением напряжения из-за омических сопротивлений. Вблизи максимального тока происходит резкое падение напряжения из-за потерь, связанных с транспортировкой газа.
Этот график также показывает мощность, вырабатываемую ячейкой. Когда выбран сценарий клина, мощность увеличивается до максимальной выходной мощности, затем уменьшается из-за высоких потерь вблизи максимального тока.
Этот график показывает электрическую мощность, производимую батареей топливных элементов, а также мощность, потребляемую катодным воздушным компрессором и насосом хладагента для поддержания стабильной и эффективной работы системы. В результате чистая мощность, вырабатываемая системой, на несколько процентов меньше, чем мощность, вырабатываемая стеком. Обратите внимание, что эта модель предполагает изэнтропный компрессор. Учет КПД компрессора снизит прирост чистой мощности еще на пару процентов.
Этот график также показывает избыточное тепло, генерируемое батареей топливных элементов, которое должно быть удалено системой охлаждения. Максимальная мощность, производимая батареей топливных элементов, составляет 110 кВт.
Этот график показывает тепловую эффективность топливного элемента и его фракцию использования реагентов. Тепловой КПД указывает долю энергии водородного топлива, которую топливный элемент преобразовал в полезную электрическую работу. Теоретический максимальный КПД для топливного элемента PEM составляет 83%. Однако фактическая эффективность составляет около 60% из-за внутренних потерь. Вблизи максимального тока КПД падает примерно до 45%.
Использование реагента представляет собой долю реагентов, H2 и O2, протекающих в батарею топливных элементов, которая была израсходована топливным элементом. Хотя более высокое использование позволяет лучше использовать газы, протекающие через топливный элемент, оно снижает концентрацию реагентов и, таким образом, уменьшает создаваемое напряжение. Непоглощенный O2 выпускают в окружающую среду, но непоглощенный H2 рециркулируют обратно на анод, чтобы избежать отходов. Однако на практике H2 периодически продувают для удаления загрязнений.
На этом графике показаны температуры в различных местах системы. Температура батареи топливных элементов поддерживается системой охлаждения максимум на уровне 80 ° С. Топливо, поступающее к аноду, нагревается рециркулируемым потоком. Воздух, поступающий к катоду, нагревается компрессором.
Поддержание оптимальной температуры имеет решающее значение для работы топливного элемента, поскольку более высокие температуры снижают относительную влажность, которая увеличивает сопротивление мембраны. В этой модели система охлаждения управляется простым управлением расходом насоса хладагента. График показывает температуру хладагента после того, как он поглотил тепло из батареи топливных элементов и после того, как он отбраковал тепло в радиаторе.
Этот график показывает массу водорода, используемого во время работы, и соответствующее снижение давления в баке водорода. Энергия потребляемого водородного топлива преобразуется в электрическую энергию.
