Батарея топливных элементов

Описание

Блок предназначен для моделирования работы батареи твердополимерных топливных элементов (БТЭ), генерирующей электрическую мощность за счет окисления газообразного водорода.

БТЭ состоит из последовательного набора ячеек — мембранно-электродных блоков (МЭБ), каждый из которых создает напряжение (Рис. 1). Суммарное напряжение на клеммах БТЭ равно сумме напряжений на всех МЭБ.

Прототип БТЭ имеет номинальную мощность около 30 кВт (при количестве МЭБ, равном 264), что позволяет рассматривать ее как источник электрической энергии для различных энергоустановок, в частности энергоустановки летательных аппаратов.

Мембранно-электродный блок (МЭБ) состоит из двух электродов (катода и анода) одинаковой площади и протонпроводящей мембраны между ними (Рис. 1). На аноде окисляется газообразный водород, отдавая два электрона в электрическую цепь, при этом два протона проникают в мембрану. На катоде протоны, прошедшие сквозь мембрану, вступают в электрохимическую реакцию с кислородом из поступающего в катод воздуха и электронами, образуя воду. При подведении контактов к электродам начинает протекать электронный ток по внешней цепи через нагрузку. Водород и воздух подводятся к электродам по каналам биполярных пластин (обозначены черным цветом на Рис. 1).

Условием правильной эксплуатации БТЭ является превышение давления водорода над давлением воздуха на входе БТЭ на 0.1 бар (10000 Па).

Математическая модель

1. Зависимость напряжения БТЭ U, В от силы тока имеет вид:
   где:

   • U_OCV — напряжение разомкнутой цепи МЭБ, В
   • P_H2, P_air, P₀ — давления водорода, воздуха и нормальное атмосферное давление соответственно, бар
   • η_c, η_a — перенапряжения на катоде и аноде соответственно, В
   • I — заданное значение силы тока, которое должна генерировать БТЭ, А
   • R_Σ — усредненное на одну ячейку сопротивление БТЭ, Ом
   • T_control — температура термостатирования БТЭ, К
   • R = 8.314 Дж/(моль * К) — универсальная газовая постоянная
   • F = 96485.3 Кл/моль — число Фарадея
   • N_ceil — количество МЭБ в БТЭ

   Напряжение U не зависит от λ_O2 и λ_H2 (стехиометрических отношений по кислороду и водороду).

   где:

   • j — плотность тока, генерируемая на аноде МЭБ, А/см²
   • A — электрохимически активная площадь электрода МЭБ, см²
2. Электрическая мощность P, Вт, генерируемая БТЭ:

3. Коэффициент полезного действия (КПД) БТЭ η_FC определен как отношение электрической мощности, выделяемой на полезной нагрузке, к скорости выделения химической энергии при сгорании водорода в кислороде:
   где:

   • ΔH — энтальпия образования жидкой воды при стехиометрическом сгорании 1 моля водорода в кислороде, Дж/моль
   • n_e — среднее число электронов, образующихся при электрохимическом окислении одной молекулы водорода на аноде БТЭ
   • dν/dt — скорость рождения молей электронов на аноде БТЭ, моль/с
   • ΔG — энергия Гиббса образования жидкой воды при стехиометрическом сгорании 1 моля водорода в кислороде, Дж/моль
   • U_c⁰(T) — равновесное напряжение, возникающее на электродах ячейки БТЭ при учете только реакции электрохимического сгорания водорода в кислороде с образованием жидкой воды, В
   • U_MEB = U / N_ceil — напряжение на одном МЭБ, В

   
   

   

   
   

   На рисунке (Рис. 2):

   • P_air =1.5 бар
   • P_H2 =1.6 бар
   • T = 77 ºC
   • N_ceil = 264
   • U_OCV =1.01 В
   • A = 300 см²
   • DP_air = 53 ºC — точка росы воздуха
   • DP_H2 = 47 ºC — точка росы водорода
4. Количество выделившейся на БТЭ теплоты Q, Вт, связана с электрической мощностью БТЭ и его КПД:

5. Для правильной работы БТЭ на ее катод следует подавать следующий массовый расход воздуха G_air, кг/с:
   где:

   • G_air^cons — потребляемый БТЭ массовый расход воздуха, кг/с

   • λ_O2 — стехиометрическое отношение по кислороду (отношение подаваемого расхода кислорода к потребляемому БТЭ расходу кислорода)

   • μ_O2 ≈ 32 г/моль — молярная масса молекулы кислорода

   • G_O2^cons — потребляемый БТЭ массовый расход кислорода (массовый расход кислорода, который участвует в электрохимической реакции на катоде), кг/с

6. Для правильной работы БТЭ должна потреблять следующий массовый расход водорода G_H2, кг/с:

   где μ_H2 ≈ 2 г/моль — молярная масса молекулы водорода.

Входные порты

Выходные порты

Свойства

Параметры

Блок не имеет параметров.

Примеры

Литература

1. Гелиев А.В., Варюхин А.Н., Захарченко В.С., Киселев И.О., Журавлев Д.И. Формирование облика электрической силовой установки на базе топливных элементов и аккумуляторных батарей для сверхлегкого самолета. — 2019 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems (ICOECS), Уфа, Россия, 2019, с.1-17, doi: 10.1109/ICOECS46375.2019.8949950.