Возникновение ошибки по напряжению

Пример возникновения ошибки по напряжению

Расположение

SimInTech\Demo\Водород\Батарея топливных элементов\Возникновение ошибки по напряжению\Возникновение ошибки по напряжению.prt

Описание

Пример демонстрирует возникновение ошибки в блоке "Батарея топливных элементов" (БТЭ) библиотеки "Водород", связанной с падением напряжения на одном мембранно-электродном блоке (МЭБ) до значения, ниже допустимого. Минимально допустимое значение напряжения на одном МЭБ равно 0.55 В. Максимально допустимое значение напряжение на одном МЭБ равно 1.01 В. При достижении расчетного времени 8.621 с, расчетное напряжение на одном МЭБ становится меньше 0.55 В, программа выдает ошибку и останавливает расчет.

На рабочей области проекта (Рис. 1) изображен блок "Батарея топливных элементов", заданы значения его входных портов. Значения выходных портов подаются на блоки "Фазовый портрет" для получения зависимостей от силы тока, генерируемой БТЭ.


Рис. 1. Рабочая область проекта.

Формулы интересующих зависимостей приведены в [1]. Газодинамические параметры воздуха и водорода выбраны произвольно, но они соответствуют реальным значениям, которые могут возникать при работе БТЭ.

Значения входных портов: точки росы водорода и воздуха равны соответственно 45 °С и 50 °С, давления водорода и воздуха равны соответственно 1.7 бар и 1.6 бар, стехиометрические отношения по водороду и воздуху равны соответственно 1.5 и 2, температура термостатирования БТЭ равна 65 °С.

Профиль силы тока представляет собой линейную зависимость от времени от 0 до 300 А (Рис. 2), время расчета равно 10 секундам (рассчитывается до 8.621 с, т.к. пример направлен на демонстрацию ограничений при моделировании БТЭ).

Нужно учитывать, что условием правильной эксплуатации топливного элемента с протонообменной мембраной является поддержание давления водорода, подаваемого на вход БТЭ, на уровне 0.1 бар выше, чем давление воздуха на входе БТЭ.


Рис. 2. Заданный профиль требуемой силы тока БТЭ.
Ниже (Рис. 3, Рис. 4, Рис. 5, Рис. 6, Рис. 7, Рис. 8) изображены графики зависимостей основных характеристик БТЭ от силы тока.


Рис. 3. Вольт-амперная характеристика БТЭ.


Рис. 4. Электрическая мощность БТЭ от силы тока.


Рис. 5. Мощность тепловыделения БТЭ от силы тока.


Рис. 6. Массовый расход воздуха на входе БТЭ от силы тока.


Рис. 7. Массовый расход водорода, потребляемый БТЭ, от силы тока.


Рис. 8. Коэффициент полезного действия БТЭ от силы тока.

Нужно отметить, что при заданных давлениях и точках росы воздуха и водорода БТЭ не способна генерировать силу тока, большую 258.5 А. Это связано с тем, что напряжение на клеммах БТЭ, приходящееся на один мембранно-электродный блок (МЭБ), не должно составлять менее 0.55 В и быть больше 1.01 В. В данном демо-примере число МЭБ равно 264 (это указано в свойствах блока "Батарея топливных элементов"), поэтому напряжение БТЭ не должно быть меньше 145.2 В.

Используемые блоки

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.