Fuel Cell
Электрическая система топливного элемента.
Описание
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 resistances;
-
– 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 physical 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);
-
– падение напряжения, учитывающее динамику топливного элемента;
-
– 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 physical 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
bar; -
– расход топлива;
-
– концентрация водорода в топливе, в процентах;
-
– давление подачи воздуха, в
bar; -
– 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
bar; -
– номинальное давление кислорода, в
bar; -
– наклон Тафеля в зависимости от температуры;
-
– соответствует значению параметра Collapse current;
-
Напряжение
1.229представляет 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
mol/s; -
– изменение энтропии реакции топливного элемента, в
kJ/(mol*K), при рабочей температуре топливного элемента; -
– изменение свободной энергии Гиббса полной реакции топливного элемента, в
kJ/mol, при рабочей температуре топливного элемента.
Переменные
Чтобы установить приоритет и начальные целевые значения для переменных блока перед симуляцией, используйте раздел Initial Targets в диалоговом окне блока.
Используйте номинальные значения для того, чтобы задать ожидаемые значения переменной модели. Использование масштабирования системы на основе номинальных значений повышает устойчивость симуляции. Номинальные значения могут быть получены из различных источников. Одним из таких источников является раздел Nominal Values в диалоговом окне блока.
Порты
Вход
pfuel — абсолютное давление подачи топлива, бар
скаляр
Входной порт, определяющий абсолютное давление подаваемого в блок топлива, в bar.
Зависимости
Чтобы включить этот порт, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
pair — избыточное давление воздуха, бар
скаляр
Входной порт, определяющий манометрическое давление воздуха, в bar.
Зависимости
Чтобы включить этот порт, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
qfuel — расход топлива, л/мин
скаляр
Входной порт, определяющий объемный расход топлива в блоке.
Зависимости
Чтобы включить этот порт, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
qair — расход воздуха, л/мин
скаляр
Входной порт, определяющий расход воздуха в блоке.
Зависимости
Чтобы включить этот порт, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Ненаправленные
+ — положительный
электричество
Ненаправленный порт, представляющий положительную клемму топливного элемента.
− — отрицательный
электричество
Ненаправленный порт, представляющий отрицательную клемму топливного элемента.
H — тепловой порт
тепло
Тепловой порт.
Зависимости
Чтобы включить этот порт, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Параметры
Main
Model fidelity — точность топливного элемента
Detailed with signal inputs (по умолчанию)| Simplified - nominal conditions
Уровень точности модели топливного элемента.
Open-circuit voltage — напряжение разомкнутой цепи
65 V (по умолчанию) | положительный скаляр
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.
Tafel slope — уклон Тафеля
0.23 V (по умолчанию) | положительный скаляр
Величина избыточного потенциала, необходимая для увеличения скорости реакции в десять раз.
Internal resistance — внутреннее сопротивление
0.05 Ohm (по умолчанию) | положительный скаляр
Внутреннее сопротивление.
Nominal exchange current — номинальный ток обмена
80 A (по умолчанию) | положительный скаляр
Ток обмена при номинальной температуре.
При номинальном токе обмена топливный элемент покидает область активационной поляризации и переходит в область омической поляризации.
Collapse current — ток коллапса
200 A (по умолчанию) | положительный скаляр
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 включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Number of cells per module — количество ячеек на модуль
65 (по умолчанию) | положительный скаляр
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 .
Module units (Series) — стек последовательно расположенных модулей
10 (по умолчанию) | положительный скаляр
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.
Supply
Чтобы включить эту группу параметров, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Nominal H2 pressure — номинальное давление водорода
1.5e5 Pa (по умолчанию) | положительный скаляр
Избыточное давление водорода при номинальной температуре.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Nominal O2 pressure — номинальное давление кислорода
1.0e5 Pa (по умолчанию) | положительный скаляр
Избыточное давление кислорода при номинальной температуре.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Concentration H2 in fuel (%) — концентрация водорода в топливе
99 (по умолчанию) | целое число между 0 и 100
Молярная концентрация водорода в топливе.
Единицы измерения – проценты.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Concentration O2 in fuel (%) — концентрация кислорода в топливе
21 (по умолчанию) | целое число между 0 и 100
Молярная концентрация кислорода в топливе.
Единицы измерения – проценты.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Concentration vapor in air (%) — концентрация паров в воздухе
1 (по умолчанию) | целое число между 0 и 100
Молярная концентрация паров в воздухе.
Единицы измерения – проценты.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Dynamics
Model activation delay — опция моделирования задержки активации
выключено (по умолчанию) | включено
Установите флажок на этом параметре, если нужно моделировать задержку активации топливного элемента.
Sum of activation and concentration resistance — сумма активационного и концентрационного сопротивления
0.005 Ohm (по умолчанию) | положительный скаляр
Сумма активационного сопротивления и сопротивления концентрации.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, включите параметр Model activation delay.
Time constant — постоянная времени
10 s (по умолчанию) | положительный скаляр
Постоянная времени.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, включите параметр Model activation delay.
Thermal
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Nominal temperature — номинальная температура
293.15 K (по умолчанию) | скалярная
Температура, при которой измеряются номинальные параметры.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Thermal mass — тепловая масса, связанная с тепловым портом, H
30000 J/K (по умолчанию) | положительный скаляр
Тепловая масса, связанная с тепловым портом, H.
Это значение представляет собой энергию, необходимую для повышения температуры теплового порта на один градус.
Зависимости
Чтобы включить этот параметр, установите для параметра Model fidelity значение Detailed with signal inputs.
Initial Targets
Current
Priority — приоритет
None (по умолчанию) | Higt | Low
Приоритет силы тока.
Value — значение силы тока
0 A (по умолчанию) | скаляр
Значение силы тока.
Единицы измерения – А.
Ссылки
-
Do, T.C., et al. "Energy Management Strategy of a PEM Fuel Cell Excavator with a Supercapacitor/Battery Hybrid Power Source". Energies 12, no. 22, (November 2019). DOI.org (Crossref), doi:10.3390/en13010136.
-
Motapon, Souleman N., O. Tremblay and L. Dessaint, "A generic fuel cell model for the simulation of fuel cell vehicles." 2009 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Dearborn, MI, 2009, pp. 1722-1729, doi: 10.1109/VPPC.2009.5289692
-
Hirschenhofer, J. H.,, D.B. Stauffer, R.R. Engleman, and M.G. Klett. "Fuel Cell Handbook" (4th Ed). U.S. Department of Energy Office of Fossil Energy, 1988.
-
Larminie, James, and Andrew Dicks. "Fuel Cell Systems Explained". West Sussex, England: John Wiley & Sons, Ltd,., 2003. https://doi.org/10.1002/9781118878330.