Fuel Cell

燃料电池的电气系统。

类型: AcausalElectricPowerSystems.Sources.FuelCell

图书馆中的路径:

/Physical Modeling/Electrical/Sources/Fuel Cell

说明

Fuel Cell 装置可模拟燃料电池，将氢的化学能转化为电能。

这种化学反应决定了电能的转换：

该化学反应产生于以下阳极和阴极半反应：

fuel cell 1

模块 Fuel Cell 由几个串联的燃料电池组成。其中一个元件的等效电路如下所示：

fuel cell 2

其中

- 电池电压；
- 对应于参数 Internal resistance ；
- 对应参数 Sum of activation and concentration resistance ；
- 并联 RC 电容，考虑了电池的时间动态。

公式

使用参数 Model fidelity ，达到两种建模精度之一 Fuel Cell ：

Simplified - nominal conditions- 块计算标称温度和压力条件下的 Nernst 应力。
Detailed with signal inputs- 该单元计算与压力、燃料和空气流量有关的 Nernst 应力。

简化电气模型

当 Model fidelity 设置为 `Simplified - nominal conditions`时， Fuel Cell 块将根据公式计算标称温度和压力条件下的奈氏电压：

其中

- 对应于参数 Open-circuit voltage 的值；
- 对应于参数 Number of cells per module 的值；
- 燃料电池产生的电流；
- 燃料电池终端的电压；
- 对应于参数 Module units (Series) 的值；
- 考虑到燃料电池动态特性的电压降；
- 对应于参数 Tafel slope 的值，单位为伏特；
- 对应于参数 Nominal exchange current 的值；
.

Detailed electrical model

如果参数 Model fidelity 设置为 `Detailed with signal inputs`时，燃料电池单元会根据燃料和空气的压力和流速计算出 Nernst 电压。

在该模式下，氢气（）和氧气（）的利用率由以下公式确定：

其中

- 是室温下的热应力；
- 燃料供应压力（巴
- 燃料流速
- 燃料中的氢浓度，单位为%；
- 供气压力（巴
- 空气流量；
- 空气中的氧气浓度（单位：%）。

分压值由以下公式确定：

其中是空气中的蒸汽浓度，单位为%。

然后，该装置会计算出 Nernst 应力，即

其中

;
- 表示活化的电动术语；
- 浓度的电动力术语；
;
- 额定运行模式下的电压常数；
- 燃料电池的工作温度；
- 对应于参数值 Nominal temperature ；
- 每秒移动电子数；
- 参数 Nominal exchange current 给定值下的每秒运动电子数；
- 法拉第常数；
- 通用气体常数；
- 氢气的标称压强（巴
- 氧气的标称压力（巴）；
- 塔菲尔斜率与温度的函数关系；
- 对应于参数 Collapse current 的值；
电压 1.229 代表内斯特方程的标准电池电位。

该装置使用以下公式计算燃料电池中耗散的功率或释放的热量：

其中

- 是电子总循环速率，单位为 mol/s；
- 是燃料电池工作温度下燃料电池反应熵的变化，单位为 kJ/（mol⋅s）；
- 燃料元件工作温度下燃料元件总反应的吉布斯自由能变化，单位为 kJ/mol。

假设和限制

Fuel Cell 模块并非用于模拟电解。

端口

非定向

# + — 有利的
电力

Details

代表燃料电池正极的非定向端口。

程序使用名称

p

# - — 负面
电力

Details

代表燃料电池负极的非定向端口。

程序使用名称

n

# H — 热端口
加热

Details

加热端口。

依赖关系

要使用该端口，请将 Model fidelity 参数设置为 Detailed with signal inputs.

程序使用名称

thermal_port

输入

# pfuel — 供油绝对压力，Pa
尺度

Details

输入端口，用于定义供油的绝对压力（单位 Pa）。

依赖关系

要使用该端口，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

数据类型	Float64`。
复数支持	无

# 双人 — 空气过压，帕
尺度

Details

输入端口，用于确定以 Pa 为单位的表观气压。

依赖关系

要使用此端口，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

数据类型	Float64`。
复数支持	无

# qfuel — 耗油量，m³/s
标量

Details

输入端口，定义单位为 m³/c 的燃料容积流量。

依赖关系

要使用此端口，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

数据类型	Float64`。
复数支持	无

# qair — 空气流量，m³/s
尺度

Details

输入端口，用于定义设备的空气流量（单位：m³/s）。

依赖关系

要使用此端口，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

数据类型	Float64`。
复数支持	无

参数

主要

# Model fidelity — 燃料电池模型的准确性
Simplified - nominal conditions | Detailed with signal inputs

Details

燃料电池模型的精确度。

值	`Simplified - nominal conditions` \| `Detailed with signal inputs`
默认值	`Detailed with signal inputs`
程序使用名称	`model`
可计算	无

# Open-circuit voltage — 开路电压
V | MV | kV | mV

Details

开路电压

如果流量很小或接近于零，燃料和空气压力为额定值，则燃料电池的输出电压等于开路电压乘以模块单元数。流出燃料电池的电流可以忽略不计。

计量单位	`V` \| `MV` \| `kV` \| `mV`
默认值	`65.0 V`
程序使用名称	`E_oc`
可计算	是

# Tafel slope — 塔夫坡
V | MV | kV | mV

Details

将反应速率提高十倍所需的过剩电势量。

计量单位	`V` \| `MV` \| `kV` \| `mV`
默认值	`0.23 V`
程序使用名称	`A`
可计算	是

# Internal resistance — 内阻
Ohm | GOhm | MOhm | kOhm | mOhm

Details

内部电阻

计量单位	`Ohm` \| `GOhm` \| `MOhm` \| `kOhm` \| `mOhm`
默认值	`0.05 Ohm`
程序使用名称	`R_internal`
可计算	是

# Nominal exchange current — 额定交换电流
A | MA | kA | mA | nA | pA | uA

Details

额定温度下的交换电流。

在额定交换电流下，燃料电池离开活化极化区，进入欧姆极化区。

计量单位	`A` \| `MA` \| `kA` \| `mA` \| `nA` \| `pA` \| `uA`
默认值	`80.0 A`
程序使用名称	`i0`
可计算	是

# Collapse current — 崩溃电流
A | MA | kA | mA | nA | pA | uA

Details

燃料电池两端电压变为零时的电流值。当燃料电池进入集中极化区域，电流持续上升时，电压开始加速下降。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

计量单位	`A` \| `MA` \| `kA` \| `mA` \| `nA` \| `pA` \| `uA`
默认值	`200.0 A`
程序使用名称	`i_limit`
可计算	是

# Number of cells per module — 每个模块的单元数

Details

每个模块的单元数。

在给定流量和压力值的情况下，该模块中的电池数量值对应于燃料电池的最大功率输出。

默认值	`65`
程序使用名称	`cell_count`
可计算	是

# Module units (Series) — 串联模块堆栈

Details

串联连接的模块堆栈。

串联模块可提高电压。例如，10 个模块串联在一起，开路电压为 65 V，产生的电压为 650 V。

默认值	`10`
程序使用名称	`unit_count`
可计算	是

供应

# Nominal H2 pressure — 标称氢压
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

标称温度下的过氢压力。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

计量单位	`Pa` \| `GPa` \| `MPa` \| `atm` \| `bar` \| `kPa` \| `ksi` \| `psi` \| `uPa` \| `kbar`
默认值	`1.5e5 Pa`
程序使用名称	`p_H2_nominal`
可计算	是

# Nominal O2 pressure — 标称氧气压力
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar

Details

额定温度下的氧气超压。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为以下值 Detailed with signal inputs.

计量单位	`Pa` \| `GPa` \| `MPa` \| `atm` \| `bar` \| `kPa` \| `ksi` \| `psi` \| `uPa` \| `kbar`
默认值	`1.0e5 Pa`
程序使用名称	`p_O2_nominal`
可计算	是

# Concentration H2 in fuel (%) — 燃料中的氢浓度

Details

燃料中氢的摩尔浓度。

测量单位为%。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

默认值	`99.0`
程序使用名称	`C_H2`
可计算	是

# Concentration O2 in air (%) — 燃料氧气浓度

Details

燃料中氧的摩尔浓度。

测量单位为百分比。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

默认值	`21.0`
程序使用名称	`C_O2`
可计算	是

# Concentration vapor in air (%) — 空气中蒸汽浓度

Details

空气中蒸汽的摩尔浓度。

测量单位为百分比。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

默认值	`1.0`
程序使用名称	`C_w`
可计算	是

动态

# Model activation delay — 激活延迟模型选项

Details

如果要模拟燃料电池的激活延迟，请勾选该选项。

默认值	`false (关掉)`
程序使用名称	`activation_delay`
可计算	无

# Sum of activation and concentration resistance — 激活阻力与浓度阻力之和
Ohm | GOhm | MOhm | kOhm | mOhm

Details

活化阻力和浓度阻力之和。

依赖关系

要使用该参数，请选择复选框 Model activation delay 。

计量单位	`Ohm` \| `GOhm` \| `MOhm` \| `kOhm` \| `mOhm`
默认值	`0.005 Ohm`
程序使用名称	`R_dynamic`
可计算	是

# Time constant — 时间常数
d | s | hr | ms | ns | us | min

Details

时间常数。

依赖关系

要使用该参数，请选择复选框 Model activation delay 。

计量单位	`d` \| `s` \| `hr` \| `ms` \| `ns` \| `us` \| `min`
默认值	`10.0 s`
程序使用名称	`tau`
可计算	是

热

Details

测量标称参数时的温度。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

计量单位	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
默认值	`293.15 K`
程序使用名称	`T_nominal`
可计算	是

# Thermal mass — 与热口相关的热质
J/K | kJ/K

Details

与散热口相关的热质量 H。

该值表示将散热口的温度提高一度所需的能量。

依赖关系

要使用该参数，请将 Model fidelity 设置为 Detailed with signal inputs.

计量单位	`J/K` \| `kJ/K`
默认值	`30000.0 J/K`
程序使用名称	`thermal_mass`
可计算	是