Блок Fuel Cell моделирует топливный элемент, который преобразует химическую энергию водорода в электрическую.
Эта химическая реакция определяет электрическое преобразование:
Химическая реакция возникает в результате следующих анодных и катодных полуреакций:
Блок Fuel Cell состоит из нескольких последовательно соединенных топливных элементов. Эквивалентная схема одного из элементов блока показана ниже:
где
– напряжение ячейки;
– соответствует параметру Internal resistance;
– соответствует параметру Sum of activation and concentration resistance;
– параллельная RC-емкость, которая учитывает динамику времени в клетке.
Уравнения
Используйте параметр Model fidelity, чтобы одну из двух уровней точности моделирования Fuel Cell:
Simplified - nominal conditions – блок вычисляет напряжение Нернста при номинальных условиях температуры и давления.
Detailed with signal inputs – блок рассчитывает напряжение Нернста с учетом давления и расхода топлива и воздуха.
Упрощенная электрическая модель
Если для параметра Model fidelity установлено значение Simplified - nominal conditions, блок Fuel Cell вычисляет напряжение Нернста, , при номинальных условиях температуры и давления, согласно уравнениям:
где
– соответствует значению параметра Open-circuit voltage;
– соответствует значению параметра Number of cells per module;
– ток, который генерирует топливный элемент;
– напряжение на клеммах топливного элемента;
– соответствует значению параметра Module units (Series);
– соответствует значению параметра Tafel slope, в вольтах;
– соответствует значению параметра Nominal exchange current;
.
Детализированная электрическая модель
Если для параметра Model fidelity установлено значение Detailed with signal inputs, блок топливного элемента рассчитывает напряжение Нернста, , учитывая давление и расход топлива и воздуха.
В этом режиме скорость утилизации водорода, , и кислорода, , определяются уравнениями:
где
– тепловое напряжение при комнатной температуре;
– давление подачи топлива в бар;
– расход топлива;
– концентрация водорода в топливе, в процентах;
– давление подачи воздуха в бар;
– расход воздуха;
– концентрация кислорода в воздухе, в процентах.
Значения парциального давления определяются уравнениями:
где – концентрация паров в воздухе, в процентах.
Затем блок вычисляет напряжение Нернста как:
где
;
– электрокинетический член для активации;
– электрокинетический член для концентрации;
;
– постоянная напряжения при номинальном режиме работы;
– рабочая температура топливного элемента;
– соответствует значению параметра Nominal temperature;
– количество движущихся электронов в секунду;
– количество движущихся электронов в секунду для заданного значения параметра Nominal exchange current;
– постоянная Фарадея;
– универсальная газовая постоянная;
– номинальное давление водорода в бар;
– номинальное давление кислорода в бар;
– наклон Тафеля в зависимости от температуры;
– соответствует значению параметра Collapse current;
Напряжение 1.229 представляет собой стандартный потенциал ячейки для уравнения Нернста.
Блок вычисляет рассеиваемую мощность или выделяемое тепло в топливном элементе, используя следующее уравнение:
где
– общая скорость циркуляции электронов в моль/c;
– изменение энтропии реакции топливного элемента в кДж/(моль⋅с) при рабочей температуре топливного элемента;
– изменение свободной энергии Гиббса полной реакции топливного элемента в кДж/моль при рабочей температуре топливного элемента.
Допущения и ограничения
Блок Fuel Cell не предназначен для моделирования электролиза.
Входной порт, определяющий расход воздуха в блоке в м3/c.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Типы данных
Float64
Поддержка комплексных чисел
Нет
Параметры
Main
#Model fidelity —
точность модели топливного элемента
Simplified - nominal conditions | Detailed with signal inputs
Details
Уровень точности модели топливного элемента.
Значения
Simplified - nominal conditions | Detailed with signal inputs
Значение по умолчанию
Detailed with signal inputs
Имя для программного использования
model
Вычисляемый
Нет
#Open-circuit voltage —
напряжение разомкнутой цепи
V | MV | kV | mV
Details
Напряжение разомкнутой цепи.
Если поток мал или близок к нулю, а значения давлений топлива и воздуха равны номинальным, напряжение на выходе топливного элемента равно напряжению разомкнутой цепи, умноженному на количество единиц модуля. Ток, вытекающий из топливного элемента, пренебрежимо мал.
#Nominal exchange current —
номинальный ток обмена
A | MA | kA | mA | nA | pA | uA
Details
Ток обмена при номинальной температуре.
При номинальном токе обмена топливный элемент покидает область активационной поляризации и переходит в область омической поляризации.
Единицы измерения
A | MA | kA | mA | nA | pA | uA
Значение по умолчанию
80.0 A
Имя для программного использования
i0
Вычисляемый
Да
#Collapse current —
ток коллапса
A | MA | kA | mA | nA | pA | uA
Details
Значение тока, при котором напряжение на топливном элементе становится равным нулю. Когда топливный элемент входит в область концентрационной поляризации и ток продолжает расти, напряжение начинает снижаться быстрее.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Единицы измерения
A | MA | kA | mA | nA | pA | uA
Значение по умолчанию
200.0 A
Имя для программного использования
i_limit
Вычисляемый
Да
#Number of cells per module —
количество ячеек на модуль
Details
Количество ячеек на модуль.
Значение количества ячеек в этом блоке соответствует тому, чтобы топливный элемент выдавал максимальную выходную мощность для заданных значений расхода и давления .
Значение по умолчанию
65
Имя для программного использования
cell_count
Вычисляемый
Да
#Module units (Series) —
стек последовательно расположенных модулей
Details
Стек последовательно соединенных модулей.
Последовательное соединение модулей для увеличения напряжения. Например, 10 последовательно соединенных модулей с напряжением разомкнутой цепи 65 В выдают напряжение 650 В.
Значение по умолчанию
10
Имя для программного использования
unit_count
Вычисляемый
Да
Supply
#Nominal H2 pressure —
номинальное давление водорода
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar
Details
Избыточное давление водорода при номинальной температуре.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Единицы измерения
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar
Значение по умолчанию
1.5e5 Pa
Имя для программного использования
p_H2_nominal
Вычисляемый
Да
#Nominal O2 pressure —
номинальное давление кислорода
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar
Details
Избыточное давление кислорода при номинальной температуре.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Единицы измерения
Pa | GPa | MPa | atm | bar | kPa | ksi | psi | uPa | kbar
Значение по умолчанию
1.0e5 Pa
Имя для программного использования
p_O2_nominal
Вычисляемый
Да
#Concentration H2 in fuel (%) —
концентрация водорода в топливе
Details
Молярная концентрация водорода в топливе.
Единица измерения – проценты.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Значение по умолчанию
99.0
Имя для программного использования
C_H2
Вычисляемый
Да
#Concentration O2 in air (%) —
концентрация кислорода в топливе
Details
Молярная концентрация кислорода в топливе.
Единицы измерения – проценты.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Значение по умолчанию
21.0
Имя для программного использования
C_O2
Вычисляемый
Да
#Concentration vapor in air (%) —
концентрация паров в воздухе
Details
Молярная концентрация паров в воздухе.
Единица измерения – проценты.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.