Exponenta Banner
exponenta event banner

Топливный элемент

Электрическая система топливного элемента

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Электрооборудование/Источники

Описание

Блок топливных элементов моделирует топливный элемент, который преобразует химическую энергию водорода в электрическую энергию.

Эта химическая реакция определяет электрическую конверсию:

H2+12O2→H2O+heat

с этими каталитическими подреакциями:

H2→2H ++ 2e−12O2+2e−  O2−

Батарея топливных элементов содержит несколько последовательно соединенных топливных элементов. На этом рисунке показана эквивалентная схема одного топливного элемента.

где:

  • Vcell - напряжение ячейки.

  • Ри - внутреннее сопротивление.

  • Rd - сумма сопротивлений активации и концентрации.

  • Cdl - параллельная емкость RC, которая учитывает динамику времени в ячейке.

Уравнения

Можно использовать параметр Точность модели (Model fidelity), чтобы задать для блока топливного элемента два различных уровня точности:

  • Simplified - nominal conditions - Блок вычисляет напряжение Нернста при номинальном условии температуры и давления.

  • Detailed with physical inputs - Блок вычисляет напряжение Нернста с учетом давлений и расхода топлива и воздуха.

Упрощенная электрическая модель

Если для параметра «Точность модели» задано значение Simplified - nominal conditionsблок топливного элемента вычисляет напряжение Нернста, E, при номинальном условии температуры и давления, как определено следующими уравнениями:

E = Eoc − NAln (iFCi0) vFC = NunitE − RiFC − vd1Rd (startdvddt + vd) = iFC

где:

  • Eoc - напряжение разомкнутой цепи.

  • N - количество ячеек на модуль.

  • Nunit - это модули (серии).

  • А - склон Тафеля, в вольтах.

  • i0 - номинальный обменный ток.

  • δ = CdlRd.

Подробная электрическая модель

Если для параметра «Точность модели» задано значение Detailed with physical inputsблок топливного элемента вычисляет напряжение Нернста, E, путем учета давлений и расхода топлива и воздуха.

Эти уравнения определяют скорости использования водорода, UH2 и кислорода, UO2

UH2=60000NiFCVepfuelqfuelxH2UO2=60000NiFCVe2pairqairxO2

где:

  • Ve - тепловое напряжение при комнатной температуре.

  • pfuel - давление подачи топлива, в bar.

  • qfuel - расход топлива.

  • xH2 - концентрация водорода в топливе.

  • пара - давление подачи воздуха, в bar.

  • qair - расход воздуха.

  • xO2 - концентрация кислорода в воздухе.

Эти уравнения определяют парциальные давления:

pH2=pfuelxH2−UH2pO2=pairxO2−UO2pH2O=pairxH2O−2UO2

где xH2O - концентрация пара в воздухе.

Затем блок вычисляет напряжение Нернста как

где:

  • Kz = Eoc _ admKcN − 1,229 (Tnom − 298) − 44 .43z0F + RTnomz0Fln (pnH2pnO212).

  • ETafel = NAT1n (iFCi0) - электрокинетический термин для активации.

  • Econc = VeT298ln (илимилим − iFC) - электрокинетический термин для концентрации.

  • Eoc_adm=max (Eoc, N (1,229 + RTnom2Fln (pnH2pnO212))).

  • Kc - постоянная напряжения при номинальном состоянии работы.

  • Tnom - значение параметра Номинальная температура.

  • z - число движущихся электронов в секунду.

  • z0 - число движущихся электронов в секунду при значении параметра Номинальный ток обмена.

  • F - постоянная Фарадея.

  • R - универсальная газовая постоянная.

  • pnH2 - номинальное давление водорода, в bar.

  • pnO2 - номинальное давление кислорода, в bar.

  • AT = ATln (10) ∗298 - наклон Тафеля в зависимости от температуры.

  • ilim - значение текущего параметра свертывания.

  • Напряжение 1.229 представляет стандартный потенциал ячейки для уравнения Нернста.

Блок вычисляет рассеиваемую мощность или тепло, выделяемое в топливном элементе, используя это уравнение.

Pdisipated = Ze _ agg (TΔS) + RiiFC + vd21Rd

где:

  • Ze_agg= (NunitE − RiFC − vd) iFC2ΔG - общая скорость обращения электронов, вmol/s.

  • ΔS - реакция энтропийного топливного элемента, в kJ/(mol*K).

  • ΔG - реакция свободного топливного элемента Гиббса, в kJ/mol.

Переменные

Раздел «Переменные» интерфейса блока используется для установки приоритетов и начальных целевых значений для переменных блока перед моделированием. Дополнительные сведения см. в разделе Установка приоритета и начальной цели для переменных блока.

Ограничения

Блок топливных элементов не допускает электролиза.

Порты

Вход

развернуть все

Физический сигнальный порт, связанный с давлением подачи топлива, в bar, указывается как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Физический сигнальный порт, связанный с давлением подачи воздуха, в bar, указывается как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Порт физического сигнала, связанный с расходом топлива, определяемый как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Порт физического сигнала, связанный с расходом воздуха, определяемый как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Сохранение

развернуть все

Электрический консервационный порт, связанный с положительным выводом топливного элемента.

Электрический консервационный порт, связанный с отрицательным выводом топливного элемента.

Термосберегающий порт.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Параметры

развернуть все

Главный

Уровень точности модели топливного элемента.

Напряжение разомкнутой цепи.

Количество избыточного потенциала, необходимого для увеличения скорости реакции в десять раз.

Внутреннее сопротивление.

Ток обмена при номинальной температуре.

Величина временного уменьшения тока стока сразу после приложения высокого напряжения.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Количество ячеек на модуль.

Модули, последовательно.

Поставка

Чтобы включить эти параметры, на вкладке Главная (Main) задайте для параметра Точность модели (Model fidelity) значение Detailed with physical inputs.

Давление водорода при номинальной температуре.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Давление кислорода при номинальной температуре.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Процентная концентрация водорода в топливе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Процентная концентрация кислорода в топливе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Процентная концентрация пара в воздухе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Динамика

Следует ли моделировать задержку активации топливного элемента.

Сумма сопротивления активации и сопротивления концентрации.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите для параметра «» Задержка активации модели «» значение Yes.

Постоянная времени.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите для параметра «» Задержка активации модели «» значение Yes.

Тепловой

Чтобы включить эти параметры, на вкладке Главная (Main) задайте для параметра Точность модели (Model fidelity) значение Detailed with physical inputs.

Температура, при которой измеряются номинальные параметры.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Тепловая масса, связанная с тепловым портом, H. Это значение представляет энергию, необходимую для повышения температуры теплового порта на один градус.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, задайте для параметра «Точность модели» значение Detailed with physical inputs.

Ссылки

[1] Сделайте, T.C., и др. «Стратегия управления энергией экскаватора топливных элементов PEM с суперконденсатором/батарейным гибридным источником питания». Энергии 12, № 22, (ноябрь 2019). DOI.org (Crossref), дой: 10.3390/en13010136.

[2] Motapon, Souleman N., O. Tremblay и L. Dessaint, «Общая модель топливных элементов для моделирования транспортных средств на топливных элементах». 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Dearborn, MI, 2009, pp. 1722-1729, doi: 10.1109/VPPC.2009.5289692

[3] Хиршенхофер, J. H.,, D.B. Stauffer, R.R. Энглман и М.Г. Клетт. Справочник по топливным элементам (4-е изд.). Управление ископаемой энергии Министерства энергетики США, 1988.

[4] Лармини, Джеймс и Эндрю Дики. Системы топливных элементов. Западный Сассекс, Англия: John Wiley & Sons, Ltd,., 2003. https://doi.org/10.1002/9781118878330.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

.

См. также

Представлен в R2021a

Документация Simscape Electrical

Поддержка