Fuel Cell

Электрическая система топливного элемента

расширьте все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape / Электрический / Источники

Описание

Блок Fuel Cell моделирует топливный элемент, который преобразует химическую энергию водорода в электроэнергию.

Эта химическая реакция задает электрическое преобразование:

H2+12O2→H2O+heat

с этими каталитическими подреакциями:

H2→2H++2e−12O2+2e−→O2−

Стек топливного элемента включает несколько подключенных последовательно топливных элементов. Этот рисунок показывает эквивалентную схему одного топливного элемента

где:

  • Vcell является напряжением ячейки.

  • Ri является Internal resistance.

  • Rd является Sum of activation and concentration resistances.

  • Cdl является параллельной емкостью RC, которая составляет динамику времени в ячейке.

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 путем рассмотрения давлений и скоростей потока топлива и воздуха.

Упрощенная электрическая модель

Когда Model fidelity установлен в Simplified - nominal conditions, блок Fuel Cell вычисляет Напряжение Нернста, E, при номинальном условии температуры и давления, как задано этими уравнениями:

E=Eoc−NAln(iFCi0)vFC=NunitE−RiiFC−vd1Rd(τdvddt+vd)=iFC

где:

  • Eoc является Open-circuit voltage.

  • N является Number of cells per module.

  • Nunit является Module units (Series).

  • A является Tafel slope в вольтах.

  • i0 является Nominal exchange current.

  • τ=CdlRd.

Подробная электрическая модель

Когда Model fidelity установлен в Detailed with physical inputs, блок Fuel Cell вычисляет Напряжение Нернста, E, путем рассмотрения давлений и скоростей потока топлива и воздуха.

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

UH2=60000NiFCVepfuelqfuelxH2UO2=60000NiFCVe2pairqairxO2

где:

  • Ve является тепловым напряжением при комнатной температуре.

  • pfuel является давлением предоставления топлива в bar.

  • qfuel является топливной скоростью потока.

  • xH2 является концентрацией водорода в топливе.

  • pair является давлением предоставления воздуха в bar.

  • qair является уровнем воздушного потока.

  • xO2 является концентрацией кислорода в воздухе.

Эти уравнения задают парциальные давления:

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

где xH2O является концентрацией пара в воздухе.

Затем блок вычисляет Напряжение Нернста как

где:

  • Kz=Eoc_admKcN−1.229(Tnom−298)−44.43z0F+RTnomz0Fln(pnH2pnO212).

  • ETafel=NATln(iFCi0) электрокинетический термин для активации.

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

  • Eoc_adm=max(Eoc,N(1.229+RTnom2Fln(pnH2pnO212))).

  • Kc является напряжением, постоянным при номинальном условии операции.

  • Tnom является значением параметра Nominal temperature.

  • z является количеством движущихся электронов в секунду.

  • z0 является количеством движущихся электронов в секунду в значении параметра Nominal exchange current.

  • F является Постоянная Фарадея.

  • R является универсальной газовой константой.

  • pnH2 является номинальным водородным давлением в bar.

  • pnO2 является номинальным кислородным давлением в bar.

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

  • ilim является значением параметра Collapse current.

  • Напряжение 1.229 представляет потенциал стандартной ячейки для Уравнения Нернста.

Блок вычисляет степень, рассеянную, или тепло, выделенное в топливном элементе, при помощи этого уравнения

Pdissipated=Ze_agg(TΔS)+RiiFC+vd21Rd

где:

  • Ze_agg=(NunitE−RiiFC−vd)iFC2ΔG общий электронный уровень циркуляции, в mol/s.

  • ΔS является энтропийной реакцией топливного элемента в kJ/(mol*K).

  • ΔG является свободной реакцией топливного элемента Гиббса в kJ/mol.

Переменные

Используйте раздел Variables интерфейса блока, чтобы установить приоритет и начальные целевые значения для переменных в блоках до симуляции. Для получения дополнительной информации смотрите Приоритет Набора и Начальную Цель для Переменных в блоках.

Ограничения

Блок Fuel Cell не позволяет электролиз.

Порты

Входной параметр

развернуть все

Порт физического сигнала, сопоставленный с давлением предоставления топлива, в barВ виде физического сигнала.

Зависимости

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

Порт физического сигнала, сопоставленный с давлением предоставления воздуха, в barВ виде физического сигнала.

Зависимости

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

Порт физического сигнала сопоставлен с топливной скоростью потока в виде физического сигнала.

Зависимости

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

Порт физического сигнала сопоставлен с уровнем воздушного потока в виде физического сигнала.

Зависимости

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

Сохранение

развернуть все

Электрический порт сохранения сопоставил с топливным элементом положительный терминал.

Электрический порт сохранения сопоставил с топливным элементом отрицательный терминал.

Тепловой порт сохранения.

Зависимости

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

Параметры

развернуть все

Основной

Уровень точности модели топливного элемента.

Напряжение разомкнутой цепи.

Сумма сверхпотенциала, требуемого увеличить скорость реакции на фактор десять.

Внутреннее сопротивление.

Exchange, текущий при номинальной температуре.

Объем временного сокращения дренажа, текущего сразу после приложения высокого напряжения.

Зависимости

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

Количество ячеек на модуль.

Модули модуля, последовательно.

Предоставление

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

Водородное давление при номинальной температуре.

Зависимости

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

Кислородное давление при номинальной температуре.

Зависимости

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

Концентрация процента водорода в топливе.

Зависимости

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

Концентрация процента кислорода в топливе.

Зависимости

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

Концентрация процента пара в воздухе.

Зависимости

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

Динамика

Смоделировать ли задержку активации топливного элемента.

Сумма сопротивления активации и сопротивления концентрации.

Зависимости

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

Постоянная времени.

Зависимости

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

Тепловой

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

Температура, при которой измеряются номинальные параметры.

Зависимости

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

Количество тепла сопоставлено с тепловым портом, H. Это значение представляет энергию, требуемую повысить температуру теплового порта одной степенью.

Зависимости

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

Примеры модели

Fuel Cell System

Система топливного элемента

Система Топливного элемента, которая действует при stochiometric условиях и номинальных параметрах. Поставленная степень варьируется в зависимости от водородного давления.

Ссылки

[1] Сделайте, T.C., и др. “Стратегия управления энергопотреблением Экскаватора Топливного элемента PEM с Источником Гибридной силовой установки Суперконденсатора/Батареи”. Энергии 12, № 22, (ноябрь 2019). DOI.org (Crossref), doi:10.3390/en13010136.

[2] Motapon, Сулемен Н., О. Тремблей и Л. Дессэйнт, “Типовая модель топливного элемента для симуляции автомобилей на топливных элементах”. 2 009 Конференций по Степени и Движению Транспортного средства IEEE, Дирборн, MI, 2009, стр 1722-1729, doi: 10.1109/VPPC.2009.5289692

[3] Hirschenhofer, J. H. Д.Б. Стоффер, Р.Р. Энглемен и М.Г. Клетт. Руководство топливного элемента (4-й Эд). Американское управление минеральных энергетических ресурсов министерства энергетики, 1988.

[4] Larminie, Джеймс и Эндрю Дикс. Объясненные Системы Топливного элемента. Западный Сассекс, Англия: John Wiley & Sons, Ltd., 2003. https://doi.org/10.1002/9781118878330.

Расширенные возможности

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

Смотрите также

Введенный в R2021a

Документация Simscape Electrical

Поддержка

Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте