PEM-Brennstoffzellensystem
Dieses Beispiel zeigt, wie ein PEM-Brennstoffzellenstapel (Proton Exchange Membrane, Protonenaustauschmembran) mit einem benutzerdefinierten Simscape™-Block modelliert wird. Die PEM-Brennstoffzelle erzeugt elektrische Energie, indem sie Wasserstoff und Sauerstoff verbraucht und Wasserdampf erzeugt. Der benutzerdefinierte Block stellt die Membran-Elektroden-Einheit (Membrane Electrode Assembly, MEA) dar und ist mit zwei separaten Feuchtluftnetzen verbunden: eines für den Anodengasfluss und eines für den Kathodengasfluss.
Die beiden Feuchtluftnetze stellen unterschiedliche Gasgemische dar. Das Anodennetz besteht aus Stickstoff (N2), Wasserdampf (H2O) und Wasserstoff (H2), die den Brennstoff darstellen. Der Wasserstoff wird bei 70 MPa im Brennstofftank gespeichert. Ein Druckminderventil gibt Wasserstoff mit etwa 0,16 MPa an den Brennstoffzellenstapel ab. Nicht verbrauchter Wasserstoff wird in den Stapel zurückgeführt. Das Kathodennetz besteht aus Stickstoff (N2), Wasserdampf (H2O) und Sauerstoff (O2), die die Umgebungsluft darstellen. Ein Kompressor leitet Luft mit kontrollierter Geschwindigkeit zum Brennstoffzellenstapel, um sicherzustellen, dass die Brennstoffzelle ausreichend mit Sauerstoff versorgt wird. Ein Gegendruckbegrenzungsventil hält einen Druck von etwa 0,16 MPa im Stapel aufrecht und leitet die Abgase in die Umgebung ab.
Temperatur und relative Luftfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel müssen auf einem optimalen Niveau gehalten werden, um einen effizienten Betrieb unter verschiedenen Lastbedingungen sicherzustellen. Höhere Temperaturen steigern die thermische Effizienz, verringern jedoch die relative Luftfeuchtigkeit, was zu einem höheren Membranwiderstand führt. Daher bleibt die Temperatur des Brennstoffzellenstapels in diesem Modell konstant bei 80 °C. Das Kühlsystem lässt Kühlmittel zwischen den Zellen zirkulieren, um Wärme zu absorbieren und sie über den Kühler an die Umgebung abzugeben. Die Luftbefeuchter sättigen das Gas mit Wasserdampf, damit die Membran hydratisiert bleibt und der elektrische Widerstand minimiert wird.
Der benutzerdefinierte Block „MEA“ wird im Simscape-Code FuelCell.ssc implementiert. Der Ausgangsanschluss F der Anoden- und Kathoden-Gasleitungsblöcke liefert die Gasmolenanteile, die zur Modellierung der Brennstoffzellenreaktion erforderlich sind. Die Abscheidung von H2 und O2 aus den Anoden- und Kathodengasströmen wird durch „Controlled Trace Gas Source (MA)“-Blöcke implementiert. Die Produktion von H2O und der Transport von Wasserdampf über die MEA werden durch „Controlled Moisture Source (MA)“-Blöcke implementiert. Die von der Reaktion erzeugte Wärme wird über den thermischen Anschluss H an den angeschlossenen Block „Thermal Mass“ geleitet. Weitere Einzelheiten zur Implementierung finden Sie in den Kommentaren im Code.
Siehe auch das Beispiel PEM-Elektrolysesystem.
Literaturnachweise:
Dutta, Sandip, Sirivatch Shimpalee und J. W. Van Zee. „Numerical prediction of mass-exchange between cathode and anode channels in a PEM fuel cell.“ International Journal of Heat and Mass Transfer 44.11 (2001): 2029–2042.
EG&G Technical Services, Inc. Fuel Cell Handbook (siebte Ausgabe). US Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 2004.
Pukrushpan, Jay T., Anna G. Stefanopoulou und Huei Peng. Control of fuel cell power systems: principles, modeling, analysis and feedback design. Springer-Verlag London, 2004.
Spiegel, Colleen. PEM fuel cell modeling and simulation using MATLAB. Elsevier, 2008.
Modell
Subsystem „Anode Humidifier“
Subsystem „Anode Exhaust“
Subsystem „Anode Gas Channels“
Subsystem „Cathode Humidifier“
Subsystem „Cathode Exhaust“
Subsystem „Pressure Relief Valve“
Subsystem „Cathode Gas Channels“
Subsystem „Cooling System“
Subsystem „Coolant Tank“
Subsystem „Electrical Load“
Subsystem „Hydrogen Source“
Subsystem „Pressure-Reducing Valve“
Subsystem „Oxygen Source“
Subsystem „Recirculation“
Simulationsergebnisse von Scopes
Simulationsergebnisse der Simscape-Protokollierung
Dieses Diagramm stellt die Strom-Spannungs-Kurve (i-v) einer Brennstoffzelle im Stapel dar. Während der Strom ansteigt, kommt es aufgrund von Elektrodenaktivierungsverlusten zu einem anfänglichen Spannungsabfall, gefolgt von einem allmählichen Spannungsabfall aufgrund von Ohmschen Widerständen. Bei nahezu maximalem Strom kommt es aufgrund von Verlusten beim Gastransport zu einem starken Spannungsabfall.
Dieses Diagramm stellt auch die von der Zelle erzeugte Energie dar. Wenn das Szenario mit dem Stromanstieg ausgewählt wird, steigt die Leistung bis zu einer maximalen Ausgangsleistung an und nimmt dann aufgrund der hohen Verluste in der Nähe des maximalen Stroms ab.
Dieses Diagramm stellt die vom Brennstoffzellenstapel erzeugte elektrische Energie sowie die vom Kathodenluftkompressor und der Kühlmittelpumpe verbrauchte Energie dar, die für einen stabilen und effizienten Systembetrieb erforderlich ist. Daher ist die vom System erzeugte Nettoenergie um einige Prozent geringer als die vom Stapel erzeugte Energie. Beachten Sie, dass dieses Modell von einem isentropischen Kompressor ausgeht. Die Berücksichtigung der Kompressoreffizienz würde den Nettoenergiegewinn noch einmal um einige Prozent verringern.
Dieses Diagramm stellt auch die überschüssige Wärme dar, die vom Brennstoffzellenstapel erzeugt wird und vom Kühlsystem abgeführt werden muss. Der Brennstoffzellenstapel erzeugt eine maximale Leistung von 110 kW.
Dieses Diagramm zeigt den thermischen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle und ihren Anteil an der Reaktantennutzung. Der thermische Wirkungsgrad gibt an, welcher Anteil der Energie des Wasserstoffbrennstoffs von der Brennstoffzelle in nutzbare elektrische Arbeit umgewandelt wurde. Der theoretische maximale Wirkungsgrad einer PEM-Brennstoffzelle liegt bei 83 %. Die tatsächliche Effizienz liegt jedoch aufgrund interner Verluste bei etwa 60 %. Bei nahezu maximalem Strom sinkt der Wirkungsgrad auf etwa 45 %.
Die Reaktantennutzung ist der Anteil der Reaktanten, H2 und O2, der in den Brennstoffzellenstapel fließt und von der Brennstoffzelle verbraucht wurde. Eine höhere Nutzung führt zwar zu einer besseren Verwendung der durch die Brennstoffzelle strömenden Gase, verringert jedoch die Konzentration der Reaktanten und reduziert somit die erzeugte Spannung. Nicht verbrauchter Sauerstoff wird an die Umgebung abgegeben, während nicht verbrauchter Wasserstoff zur Anode zurückgeführt wird, um Verschwendung zu vermeiden. In der Praxis wird der Wasserstoff jedoch regelmäßig abgelassen, um Verunreinigungen zu entfernen.
Dieses Diagramm stellt die Temperaturen an verschiedenen Positionen im System dar. Die Temperatur des Brennstoffzellenstapels wird durch das Kühlsystem auf maximal 80 °C gehalten. Der zur Anode fließende Brennstoff wird durch den Rezirkulationsfluss erwärmt. Die zur Kathode strömende Luft wird durch den Kompressor erwärmt.
Das Aufrechterhalten einer optimalen Temperatur ist für den Betrieb der Brennstoffzelle von entscheidender Bedeutung, da höhere Temperaturen die relative Luftfeuchtigkeit verringern, wodurch sich der Membranwiderstand erhöht. Bei diesem Modell wird das Kühlsystem durch eine einfache Regelung der Durchflussmenge der Kühlmittelpumpe betrieben. Das Diagramm stellt die Temperatur des Kühlmittels dar, nachdem es Wärme aus dem Brennstoffzellenstapel aufgenommen und Wärme an den Kühler abgegeben hat.
Dieses Diagramm stellt die während des Betriebs verwendete Wasserstoffmasse und den entsprechenden Druckabfall im Wasserstofftank dar. Die Energie des verbrauchten Wasserstoffbrennstoffs wird in elektrische Energie umgewandelt.
