Fuel Cell

Электрическая система топливных камер

развернуть все на странице

Библиотека:
Simscape/Электрический/Источники

Описание

Блок Fuel Cell моделирует топливную камеру, который преобразует химическую энергию водорода в электрическую энергию.

Эта химическая реакция определяет электрическое преобразование:

$H_{2} + \frac{1}{2} O_{2} \to H_{2} O + h e a t$

с этими каталитическими субреакциями:

$\begin{array}{l} H_{2} \to 2 H^{+} + 2 e^{-} \\ \frac{1}{2} O_{2} + 2 e^{-} \to O^{2 -} \end{array}$

Стек топливных камер содержит несколько последовательно соединенных топливные камеры. Этот рисунок показывает эквивалентную схему одной топливной камеры

где:

_Vcell - напряжение камеры.
_Ri является Internal resistance.
_Rd является Sum of activation and concentration resistances.
_Cdl - параллельная RC-емкость, которая учитывает динамику времени в камере.

Уравнения

Можно использовать параметр Model fidelity, чтобы установить блок Fuel Cell на два разных 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 давления и скоростей потока жидкости топлива и воздуха.

Упрощенная электрическая модель

Когда Model fidelity установлено на Simplified - nominal conditionsблок Fuel Cell вычисляет напряжение Нернста, E, при номинальном условии температуры и давления, как задано этими уравнениями:

$\begin{array}{l} E = E_{o c} - N A l n (\frac{i_{F C}}{i_{0}}) \\ v_{F C} = N_{u n i t} E - R_{i} i_{F C} - v_{d} \\ \frac{1}{R_{d}} (τ \frac{d v_{d}}{d t} + v_{d}) = i_{F C} \end{array}$

где:

_Eoc является Open-circuit voltage.
N является Number of cells per module.
_Nunit является Module units (Series).
A - Tafel slope, в вольтах.
_i0 является Nominal exchange current.
$τ = \frac{C_{d l}}{R_{d}}$ .

Подробная электрическая модель

Когда Model fidelity установлено на Detailed with physical inputsблок Fuel Cell вычисляет напряжение Нернста, E, путем принятия давления и скоростей потока жидкости топлива и воздуха.

Эти уравнения определяют скорости использования водорода, _{_UH2} и кислорода, _{_UO2}

$\begin{array}{l} U_{H_{2}} = \frac{60000 N i_{F C} V_{e}}{p_{f u e l} q_{f u e l} x_{H_{2}}} \\ U_{O_{2}} = \frac{60000 N i_{F C} V_{e}}{2 p_{a i r} q_{a i r} x_{O_{2}}} \end{array}$

где:

_Ve - тепловое напряжение при комнатной температуре.
_pfuel - давление питания топлива, в bar.
_qfuel - топливная скорость потока жидкости.
_{_xH2} - концентрация водорода в топливе.
_pair - давление подачи воздуха, в bar.
_qair - скорость потока жидкости воздуха.
_{_xO2} - концентрация кислорода в воздухе.

Эти уравнения определяют частичные давления:

$\begin{array}{l} p_{H_{2}} = p_{f u e l} x_{H_{2}} - U_{H_{2}} \\ p_{O_{2}} = p_{a i r} x_{O_{2}} - U_{O_{2}} \\ p_{H_{2} O} = p_{a i r} x_{H_{2} O} - 2 U_{O_{2}} \end{array}$

где _{_xH2O} - концентрация пара в воздухе.

Затем блок вычисляет напряжение Нернста как

где:

$K_{z} = \frac{\frac{E_{o c_a d m}}{K_{c} N} - 1.229}{(T_{n o m} - 298) \frac{- 44.43}{z_{0} F} + \frac{R T_{n o m}}{z_{0} F} \ln (p_{n} H_{2} p_{n O_{2}}^{\frac{1}{2}})}$ .
$E_{T a f e l} = N A_{T} l n (\frac{i_{F C}}{i_{0}})$ - электрокинетический термин для активации.
$E_{c o n c} = V_{e} \frac{T}{298} \ln (\frac{i_{l i m}}{i_{l i m} - i_{F C}})$ - электрокинетический термин концентрации.
$E_{o c_a d m} = m a x (E_{o c}, N (1.229 + \frac{R T_{n o m}}{2 F} \ln (p_{n} H_{2} p_{n O_{2}}^{\frac{1}{2}})))$ .
_Kc - постоянное напряжение при номинальном условии операции.
_Tnom - значение параметра Nominal temperature.
z - количество движущихся электронов в секунду.
_z0 - количество движущихся электронов в секунду при значении параметра Nominal exchange current.
F - константа Фарадея.
R - универсальная газовая константа.
_{_pnH2} - номинальное давление водорода, в bar.
_{_pnO2} - номинальное давление кислорода, в bar.
$A_{T} = \frac{A T}{\ln (10) * 298}$ - наклон Тафеля как функция от температуры.
_ilim - значение параметра Collapse current.
Напряжение на 1.229 представляет стандартный потенциал камеры для уравнения Нернста.

Блок вычисляет степень, рассеянную или тепло, выделяемое в топливной камере, используя это уравнение

$P_{d i s s i p a t e d} = Z_{e_a g g} (T Δ S) + R_{i} i_{F C} + v_{d}^{2} \frac{1}{R_{d}}$

где:

$Z_{e_a g g} = \frac{(N_{u n i t} E - R_{i} i_{F C} - v_{d}) i_{F C}}{2 Δ G}$ - общая скорость циркуляции электронов, в mol/s.
ΔS - энтропийная реакция топливной камеры, в kJ/(mol*K).
ΔG свободная реакция топливной камеры Гиббса, в kJ/mol.

Переменные

Используйте Variables раздел блочного интерфейса, чтобы задать приоритет и начальные целевые значения для основных переменных до симуляции. Для получения дополнительной информации смотрите Задать приоритет и Начальный целевой объект для основных переменных.

Ограничения

Блок Fuel Cell не допускает электролиза.

Порты

Вход

расширить все

`pfuel` - Давление подачи топлива, бар
физический сигнал

Порт физического сигнала, сопоставленный с давлением питания топлива, в bar, заданный как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`pair` - Давление подачи воздуха, бар
физический сигнал

Порт физического сигнала, сопоставленный с давлением подачи воздуха, в bar, заданный как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`qfuel` - Расход топлива, л/мин
физический сигнал

Порт физического сигнала, сопоставленный со скоростью потока жидкости топлива, задается как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`qair` - скорость потока жидкости воздуха, л/мин
физический сигнал

Порт физического сигнала, сопоставленный со скоростью потока жидкости воздуха, задается как физический сигнал.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

Сохранение

расширить все

`+` - Положительный терминал
электрический

Электрический порт сопоставлен с положительным контактом топливной камеры.

`-` - Отрицательный терминал
электрический

Электрический порт сопоставлен с отрицательным выводом топливной камеры.

`H` - Тепловой порт
тепловой

Тепловой порт.

Зависимости

Чтобы включить этот порт, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

Параметры

расширить все

Главный

`Model fidelity` - Точность топливной камеры
`Detailed with physical inputs` (по умолчанию) | `Simplified - nominal conditions`

Уровень точности модели топливной камеры.

`Open-circuit voltage` - Напряжение разомкнутой цепи
`65` `V` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Разомкнутое напряжение.

`Tafel slope` - Уклон Тафеля
`0.23` `V` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Количество сверхпотенциала, требуемого для увеличения скорости реакции в 10 раз.

`Internal resistance` - Внутреннее сопротивление
`0.05` `Ohm` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Внутреннее сопротивление.

`Nominal exchange current` - Номинальный обменный ток
`80` `A` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Обменный ток при номинальной температуре.

`Collapse current` - Свернуть ток
`200` `A` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Количество временного снижения тока слива сразу после приложения высокого напряжения.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`Number of cells per module` - Количество камер на модуль
`65` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Количество камер на модуль.

`Module units (Series)` - Модульные модули
`10` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Блоки модулей, последовательно.

Поставка

Чтобы включить эти параметры, на вкладке Main задайте Model fidelity Detailed with physical inputs.

`Nominal H2 pressure` - Номинальное давление водорода
`1.5e5` `Pa` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Давление водорода при номинальной температуре.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`Nominal O2 pressure` - Номинальное давление кислорода
`1.0e5` `Pa` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Давление кислорода при номинальной температуре.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`Concentration H2 in fuel (%)` - Концентрация водорода в топливе
`99` (по умолчанию) | целое число между `0` и `100`

Процентная концентрация водорода в топливе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`Concentration O2 in air (%)` - Концентрация кислорода в топливе
`21` (по умолчанию) | целое число между `0` и `100`

Процентная концентрация кислорода в топливе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`Concentration vapor in air (%)` - Концентрация пара в воздухе
`1` (по умолчанию) | целое число между `0` и `100`

Процентная концентрация пара в воздухе.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

Динамика

`Model activation delay` - Опция моделирования задержки активации
`No` (по умолчанию) | `Yes`

Моделировать ли задержку активации топливной камеры.

`Sum of activation and concentration resistance` - Сумма активации и сопротивления концентрации
`0.005` `Ohm` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Сумма сопротивления активации и сопротивления концентрации.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model activation delay равным Yes.

`Time constant` - Постоянная времени
`10` `s` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Постоянная времени.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model activation delay равным Yes.

Тепловой

Чтобы включить эти параметры, на вкладке Main задайте Model fidelity Detailed with physical inputs.

`Nominal temperature` - Номинальная температура
`293.15` `K` (по умолчанию) | скаляром

Температура, при которой измеряются номинальные параметры.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

`Thermal mass` - Тепловая масса, сопоставленная с тепловым портом H
`30000` `J/K` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Тепловая масса, сопоставленная с тепловым портом, H. Это значение представляет энергию, необходимую для повышения температуры теплового порта на одну степень.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, установите Model fidelity равным Detailed with physical inputs.

Ссылки

[1] Do, T.C., et al. Стратегия управления энергопотреблением экскаватора топливных камер PEM с суперконденсатором/гибридным источником степени аккумулятора. Энергия 12, № 22, (ноябрь 2019). DOI.org (Crossref), doi: 10.3390/ru13010136.

[2] Motapon, Souleman N., O. Tremblay and L. Dessaint, «A generic fuel element model for the simulation of fuel element vehicle». 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Dearborn, morn, ming, Mi, 2009, pp. 1722-1729-1729-1729, doi: 10.1109/VPPC.2009.5289692

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

[4] Лармини, Джеймс и Эндрю Дикс. Объяснены системы топливных камер. Западный Суссекс, Англия: John Wiley & Sons, Ltd,., 2003. https://doi.org/10.1002/9781118878330.

Документация

Fuel Cell

Описание

Уравнения

Переменные

Ограничения

Порты

Вход

pfuel - Давление подачи топлива, бар физический сигнал

Зависимости

pair - Давление подачи воздуха, бар физический сигнал

Зависимости

qfuel - Расход топлива, л/мин физический сигнал

Зависимости

qair - скорость потока жидкости воздуха, л/мин физический сигнал

Зависимости

Сохранение

+ - Положительный терминал электрический

- - Отрицательный терминал электрический

H - Тепловой порт тепловой

Зависимости

Параметры

Главный

Model fidelity - Точность топливной камеры Detailed with physical inputs (по умолчанию) | Simplified - nominal conditions

Open-circuit voltage - Напряжение разомкнутой цепи 65 V (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Tafel slope - Уклон Тафеля 0.23 V (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Internal resistance - Внутреннее сопротивление 0.05 Ohm (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Nominal exchange current - Номинальный обменный ток 80 A (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Collapse current - Свернуть ток 200 A (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Number of cells per module - Количество камер на модуль 65 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Module units (Series) - Модульные модули 10 (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Поставка

Nominal H2 pressure - Номинальное давление водорода 1.5e5 Pa (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Nominal O2 pressure - Номинальное давление кислорода 1.0e5 Pa (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Concentration H2 in fuel (%) - Концентрация водорода в топливе 99 (по умолчанию) | целое число между 0 и 100

Зависимости

Concentration O2 in air (%) - Концентрация кислорода в топливе 21 (по умолчанию) | целое число между 0 и 100

Зависимости

Concentration vapor in air (%) - Концентрация пара в воздухе 1 (по умолчанию) | целое число между 0 и 100

Зависимости

Динамика

Model activation delay - Опция моделирования задержки активации No (по умолчанию) | Yes

Sum of activation and concentration resistance - Сумма активации и сопротивления концентрации 0.005 Ohm (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Time constant - Постоянная времени 10 s (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Тепловой

Nominal temperature - Номинальная температура 293.15 K (по умолчанию) | скаляром

Зависимости

Thermal mass - Тепловая масса, сопоставленная с тепловым портом H 30000 J/K (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Зависимости

Ссылки

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + + Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

См. также

Simscape Electrical документация

Поддержка

`pfuel` - Давление подачи топлива, бар
физический сигнал

`pair` - Давление подачи воздуха, бар
физический сигнал

`qfuel` - Расход топлива, л/мин
физический сигнал

`qair` - скорость потока жидкости воздуха, л/мин
физический сигнал

`+` - Положительный терминал
электрический

`-` - Отрицательный терминал
электрический

`H` - Тепловой порт
тепловой

`Model fidelity` - Точность топливной камеры
`Detailed with physical inputs` (по умолчанию) | `Simplified - nominal conditions`

`Open-circuit voltage` - Напряжение разомкнутой цепи
`65` `V` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Tafel slope` - Уклон Тафеля
`0.23` `V` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Internal resistance` - Внутреннее сопротивление
`0.05` `Ohm` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal exchange current` - Номинальный обменный ток
`80` `A` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Collapse current` - Свернуть ток
`200` `A` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Number of cells per module` - Количество камер на модуль
`65` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Module units (Series)` - Модульные модули
`10` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal H2 pressure` - Номинальное давление водорода
`1.5e5` `Pa` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal O2 pressure` - Номинальное давление кислорода
`1.0e5` `Pa` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Concentration H2 in fuel (%)` - Концентрация водорода в топливе
`99` (по умолчанию) | целое число между `0` и `100`

`Concentration O2 in air (%)` - Концентрация кислорода в топливе
`21` (по умолчанию) | целое число между `0` и `100`

`Concentration vapor in air (%)` - Концентрация пара в воздухе
`1` (по умолчанию) | целое число между `0` и `100`

`Model activation delay` - Опция моделирования задержки активации
`No` (по умолчанию) | `Yes`

`Sum of activation and concentration resistance` - Сумма активации и сопротивления концентрации
`0.005` `Ohm` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Time constant` - Постоянная времени
`10` `s` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

`Nominal temperature` - Номинальная температура
`293.15` `K` (по умолчанию) | скаляром

`Thermal mass` - Тепловая масса, сопоставленная с тепловым портом H
`30000` `J/K` (по умолчанию) | положительная скалярная величина

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®