Fuel Cell

燃料电池的电气系统。

模块类型: AcausalElectricPowerSystems.Sources.FuelCell

库中的路径:

/Physical Modeling/Electrical/Sources/Fuel Cell

资料描述

座 Fuel Cell 模拟将氢的化学能转化为电能的燃料电池。

这种化学反应决定了电转化。:

化学反应是由于以下阳极和阴极半反应而发生的:

fuel cell 1

座 Fuel Cell 由串联连接的几个燃料电池组成。块元件之一的等效电路如下所示:

fuel cell 2

哪里

-电池电压;
-对应于参数 Internal resistance ;
-对应于参数 Sum of activation and concentration resistance ;
-并联RC电容，其中考虑到在细胞的时间动态。

方程

使用参数 Model fidelity 允许两个级别的模拟精度中的一个 Fuel Cell :

Simplified - nominal conditions -单位计算在标称温度和压力条件下的Nernst电压。
Detailed with signal inputs -单位计算Nernst电压，考虑到燃料和空气的压力和消耗量。

简化电气模型

如果为参数 Model fidelity 值已设置 Simplified - nominal conditions,街区 Fuel Cell 计算Nernst电压, ，在标称温度和压力条件下，根据方程:

哪里

-对应于参数的值 Open-circuit voltage ;
-对应于参数的值 Number of cells per module ;
-燃料电池产生的电流;
-燃料电池端子的电压;
-对应于参数的值 Module units (Series) ;
-考虑燃料电池动力学的电压降;
-对应于参数的值 Tafel slope ，以伏特为单位;
-对应于参数的值 Nominal exchange current ;
.

详细的电气模型

如果为参数 Model fidelity 值已设置 Detailed with signal inputs，燃料电池单元计算Nernst电压, 考虑到压力和燃料和空气消耗。

在这种模式下，氢气利用率为, ，和氧气, ，由方程定义:

哪里

-室温下的热应力;
-以巴为单位的燃料供应压力;
-燃料消耗;
-燃料中氢的浓度，以百分比计;
-以巴为单位的空气供应压力;
-空气消耗量;
-空气中的氧气浓度，以百分比计。

分压值由方程确定:

哪里 -空气中蒸气的浓度，以百分比为单位。

块然后计算Nernst电压为:

哪里

;
-用于激活的电动构件;
-用于集中的电动构件;
;
-额定工作模式下的恒定电压;
-燃料电池的工作温度;
-对应于参数的值 Nominal temperature ;
-每秒移动电子的数量;
-给定参数值的每秒移动电子数 Nominal exchange current ;
-法拉第常数;
-通用气体常数;
-以巴为单位的氢气公称压力;
-以巴为单位的标称氧气压力;
-塔夫绸倾斜取决于温度;
-对应于参数的值 Collapse current ; *电压 1.229 表示Nernst方程的标准电池电位。

该单元使用以下公式计算燃料电池中的功率耗散或产生的热量:

哪里

-总电子循环速率（mol/s）;
-燃料电池工作温度下燃料电池反应熵的变化，单位为kJ/(mol〇s);
-燃料电池工作温度下燃料电池总反应的吉布斯自由能以kJ/mol计的变化。

假设和限制

座 Fuel Cell 它不适用于模拟电解。

变量

使用参数组 Initial Targets 在建模之前为块参数变量设置优先级和初始目标值。有关详细信息，请参阅使用目标值配置物理块.

港口

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

主要的

# 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 | uV | 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` \| `uV` \| `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 | uV | 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` \| `uV` \| `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 | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

内部电阻

计量单位	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
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 | pA | nA | uA | mA | kA | MA

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

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

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` \| `pA` \| `nA` \| `uA` \| `mA` \| `kA` \| `MA`
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

供给

# Nominal H2 pressure — 标称氢压
Pa | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg

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` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg`
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 | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg

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` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg`
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

动力学

# 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 | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

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

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

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	`s` \| `ns` \| `us` \| `ms` \| `min` \| `hr` \| `d`
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