Топливный элемент

Электрическая система топливного элемента.

Тип: AcausalElectricPowerSystems.Sources.FuelCell

Путь в библиотеке:

/Physical Modeling/Electrical/Sources/Fuel Cell

Описание

Блок Топливный элемент 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:

fuel cell 1

Блок Топливный элемент состоит из нескольких последовательно соединенных топливных элементов. Эквивалентная схема одного из элементов блока показана ниже:

fuel cell 2

где

– напряжение ячейки;
– соответствует параметру Внутреннее сопротивление;
– соответствует параметру Сумма активационного и концентрационного сопротивления;
– параллельная RC-емкость, которая учитывает динамику времени в клетке.

Уравнения

Используйте параметр Уровень детализации, чтобы одну из двух уровней точности моделирования Топливный элемент:

Упрощённая – блок вычисляет напряжение Нернста при номинальных условиях температуры и давления.
Подробная – блок рассчитывает напряжение Нернста с учетом давления и расхода топлива и воздуха.

Упрощенная электрическая модель

Если для параметра Уровень детализации установлено значение Упрощённая, блок Топливный элемент вычисляет напряжение Нернста, , при номинальных условиях температуры и давления, согласно уравнениям:

где

– соответствует значению параметра Напряжение разомкнутой цепи;
– соответствует значению параметра Количество ячеек на модуль;
– ток, который генерирует топливный элемент;
– напряжение на клеммах топливного элемента;
– соответствует значению параметра Количество последовательных модулей;
– падение напряжения, учитывающее динамику топливного элемента;
– соответствует значению параметра Наклон Тафеля, в вольтах;
– соответствует значению параметра Номинальный ток обмена;
.

Детализированная электрическая модель

Если для параметра Уровень детализации установлено значение Подробная, 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 Номинальная температура;
– количество движущихся электронов в секунду;
– количество движущихся электронов в секунду для заданного значения параметра Номинальный ток обмена;
– постоянная Фарадея;
– универсальная газовая постоянная;
– номинальное давление водорода в бар;
– номинальное давление кислорода в бар;
– наклон Тафеля в зависимости от температуры;
– соответствует значению параметра Ток коллапса;
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 Топливный элемент не предназначен для моделирования электролиза.

Порты

Ненаправленные

# + — положительный
электричество

Details

Ненаправленный порт, представляющий положительную клемму топливного элемента.

Имя для программного использования

p

# – — отрицательный
электричество

Details

Ненаправленный порт, представляющий отрицательную клемму топливного элемента.

Имя для программного использования

n

# H — тепловой порт
тепло

Details

Тепловой порт.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Имя для программного использования

thermal_port

Вход

# pfuel — абсолютное давление подачи топлива, Па
скаляр

Details

Входной порт, определяющий абсолютное давление подаваемого в блок топлива в Па.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

# pair — избыточное давление воздуха, Па
скаляр

Details

Входной порт, определяющий манометрическое давление воздуха в Па.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

# qfuel — расход топлива, м³/c
скаляр

Details

Входной порт, определяющий объемный расход топлива в блоке в м³/c.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

# qair — расход воздуха, м³/c
скаляр

Details

Входной порт, определяющий расход воздуха в блоке в м³/c.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Параметры

Основные

# Уровень детализации — точность модели топливного элемента
Упрощённая | Подробная

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

# Напряжение разомкнутой цепи — напряжение разомкнутой цепи
V | uV | 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.

Единицы измерения	`V` \| `uV` \| `mV` \| `kV` \| `MV`
Значение по умолчанию	`65.0 V`
Имя для программного использования	`E_oc`
Вычисляемый	Да

# Наклон Тафеля — уклон Тафеля
V | uV | mV | kV | MV

Details

Величина избыточного потенциала, необходимая для увеличения скорости реакции в десять раз.

Единицы измерения	`V` \| `uV` \| `mV` \| `kV` \| `MV`
Значение по умолчанию	`0.23 V`
Имя для программного использования	`A`
Вычисляемый	Да

# Внутреннее сопротивление — внутреннее сопротивление
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Внутреннее сопротивление.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`0.05 Ohm`
Имя для программного использования	`R_internal`
Вычисляемый	Да

# Номинальный ток обмена — номинальный ток обмена
A | pA | nA | uA | mA | kA | MA

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` \| `pA` \| `nA` \| `uA` \| `mA` \| `kA` \| `MA`
Значение по умолчанию	`80.0 A`
Имя для программного использования	`i0`
Вычисляемый	Да

# Ток коллапса — ток коллапса
A | pA | nA | uA | mA | kA | MA

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 Уровень детализации значение Подробная.

Единицы измерения	`A` \| `pA` \| `nA` \| `uA` \| `mA` \| `kA` \| `MA`
Значение по умолчанию	`200.0 A`
Имя для программного использования	`i_limit`
Вычисляемый	Да

# Количество ячеек на модуль — 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

# Количество последовательных модулей — 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

Питание

# Номинальное давление водорода — номинальное давление водорода
Pa | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg

Details

Избыточное давление водорода при номинальной температуре.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Единицы измерения	`Pa` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg`
Значение по умолчанию	`1.5e5 Pa`
Имя для программного использования	`p_H2_nominal`
Вычисляемый	Да

# Номинальное давление кислорода — номинальное давление кислорода
Pa | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg

Details

Избыточное давление кислорода при номинальной температуре.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Единицы измерения	`Pa` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg`
Значение по умолчанию	`1.0e5 Pa`
Имя для программного использования	`p_O2_nominal`
Вычисляемый	Да

# Концентрация водорода в топливе (%) — концентрация водорода в топливе

Details

Молярная концентрация водорода в топливе.

Единица измерения – проценты.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Значение по умолчанию	`99.0`
Имя для программного использования	`C_H2`
Вычисляемый	Да

# Концентрация кислорода в топливе (%) — концентрация кислорода в топливе

Details

Молярная концентрация кислорода в топливе.

Единицы измерения – проценты.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Значение по умолчанию	`21.0`
Имя для программного использования	`C_O2`
Вычисляемый	Да

# Концентрация паров в воздухе (%) — концентрация паров в воздухе

Details

Молярная концентрация паров в воздухе.

Единица измерения – проценты.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Значение по умолчанию	`1.0`
Имя для программного использования	`C_w`
Вычисляемый	Да

Динамические характеристики

# Включить задержку активации — опция моделирования задержки активации

Details

Установите флажок на этом параметре, если нужно моделировать задержку активации топливного элемента.

Значение по умолчанию	`false (выключено)`
Имя для программного использования	`activation_delay`
Вычисляемый	Нет

# Сумма активационного и концентрационного сопротивления — сумма активационного и концентрационного сопротивления
Ohm | mOhm | kOhm | MOhm | GOhm

Details

Сумма активационного сопротивления и сопротивления концентрации.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Включить задержку активации.

Единицы измерения	`Ohm` \| `mOhm` \| `kOhm` \| `MOhm` \| `GOhm`
Значение по умолчанию	`0.005 Ohm`
Имя для программного использования	`R_dynamic`
Вычисляемый	Да

# Постоянная времени — постоянная времени
s | ns | us | ms | min | hr | d

Details

Постоянная времени.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Включить задержку активации.

Единицы измерения	`s` \| `ns` \| `us` \| `ms` \| `min` \| `hr` \| `d`
Значение по умолчанию	`10.0 s`
Имя для программного использования	`tau`
Вычисляемый	Да

Тепловые параметры

Details

Температура, при которой измеряются номинальные параметры.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`293.15 K`
Имя для программного использования	`T_nominal`
Вычисляемый	Да

# Теплоемкость — тепловая масса, связанная с тепловым портом
J/K | kJ/K

Details

Тепловая масса, связанная с тепловым портом H.

Это значение представляет собой энергию, необходимую для повышения температуры теплового порта на один градус.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Уровень детализации значение Подробная.

Единицы измерения	`J/K` \| `kJ/K`
Значение по умолчанию	`30000.0 J/K`
Имя для программного использования	`thermal_mass`
Вычисляемый	Да