Sistema di celle a combustibile PEM
Questo esempio mostra come modellare uno stack di celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEM) con un blocco Simscape™ personalizzato. La cella a combustibile PEM genera energia elettrica consumando idrogeno e ossigeno e producendo vapore acqueo. Il blocco personalizzato rappresenta l'assieme membrana-elettrodo (MEA) ed è collegato a due reti di aria umida separate: una per il flusso di gas dell'anodo e una per il flusso di gas del catodo.
Le due reti di aria umida rappresentano miscele di gas diverse. La rete dell'anodo è costituita da azoto (N2), vapore acqueo (H2O) e idrogeno (H2), che rappresentano il combustibile. L'idrogeno viene immagazzinato nel serbatoio a 70 MPa. Una valvola di riduzione della pressione rilascia l'idrogeno allo stack di celle a combustibile a circa 0,16 MPa. L'idrogeno non consumato viene rimesso in circolo nello stack. La rete del catodo è costituita da azoto (N2), vapore acqueo (H2O) e ossigeno (O2), che rappresentano l'aria ambiente. Un compressore porta l'aria allo stack di celle a combustibile a una velocità controllata per garantire che la cella a combustibile non sia carente di ossigeno. Una valvola di sovrapressione mantiene una pressione di circa 0,16 MPa nello stack ed espelle gli scarichi nell'ambiente.
La temperatura e l'umidità relativa nello stack di celle a combustibile devono essere mantenute a un livello ottimale per garantire un funzionamento efficiente in varie condizioni di carico. Temperature più elevate aumentano l'efficienza termica ma riducono l'umidità relativa, causando una maggiore resistenza della membrana. Pertanto, in questo modello, la temperatura dello stack di celle a combustibile è mantenuta a 80°C. Il sistema di raffreddamento fa circolare il liquido refrigerante tra le celle per assorbire il calore e respingerlo nell'ambiente attraverso il radiatore. Gli umidificatori saturano il gas con vapore acqueo per mantenere la membrana idratata e minimizzare la resistenza elettrica.
Il blocco MEA personalizzato è implementato nel codice Simscape FuelCell.ssc. La porta di output F dei blocchi di tubi dei canali del gas dell'anodo e del catodo fornisce le frazioni molari di gas necessarie per modellare la reazione della cella a combustibile. La rimozione di H2 e O2 dai flussi di gas dell'anodo e del catodo è implementata dai blocchi Controlled Trace Gas Source (MA). La produzione di H2O e il trasporto del vapore acqueo attraverso il MEA sono implementati dai blocchi Controlled Moisture Source (MA). Il calore generato dalla reazione viene inviato al blocco Thermal Mass collegato attraverso la porta termica H. Per ulteriori dettagli sull'implementazione, fare riferimento ai commenti nel codice.
Consultare inoltre l'esempio Sistema di elettrolisi PEM.
Riferimenti:
Dutta, Sandip, Sirivatch Shimpalee, and 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 (Seventh Edition). US Department of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technology Laboratory, 2004.
Pukrushpan, Jay T., Anna G. Stefanopoulou, and 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.
Modello
Sottosistema del deumidificatore dell'anodo
Sottosistema di espulsione dell'anodo
Sottosistema dei canali del gas dell'anodo
Sottosistema del deumidificatore del catodo
Sottosistema di espulsione del catodo
Sottosistema della valvola di sovrapressione
Sottosistema dei canali del gas del catodo
Sottosistema del sistema di raffreddamento
Sottosistema del serbatoio del refrigerante
Sottosistema del carico elettrico
Sottosistema della sorgente di idrogeno
Sottosistema della valvola di riduzione della pressione
Sottosistema della sorgente di ossigeno
Sottosistema di ricircolo
Risultati di simulazione dagli Scope
Risultati di simulazione da Simscape Logging
Questo grafico mostra la curva corrente-tensione (i-v) di una cella a combustibile nello stack. Con l'aumento della corrente, si verifica un calo iniziale della tensione a causa delle perdite di attivazione degli elettrodi, seguito da un decremento graduale della tensione dovuta alle resistenze ohmiche. In prossimità della corrente massima, si verifica un forte calo di tensione a causa delle perdite legate al trasporto di gas.
Questo grafico mostra inoltre la potenza prodotta dalla cella. Quando si seleziona lo scenario di ramp-up, la potenza aumenta fino a raggiungere la potenza massima, quindi diminuisce a causa delle elevate perdite in prossimità della corrente massima.
Questo grafico mostra l'energia elettrica prodotta dallo stack di celle a combustibile e l'energia consumata dal compressore d'aria del catodo e dalla pompa del refrigerante per mantenere un funzionamento stabile ed efficiente del sistema. Di conseguenza, la potenza netta prodotta dal sistema è inferiore di qualche punto percentuale rispetto alla potenza prodotta dallo stack. Si noti che questo modello presuppone un compressore isentropico. Se si tiene conto dell'efficienza del compressore, il guadagno di potenza netta diminuirebbe di un ulteriore paio di punti percentuali.
Questo grafico mostra inoltre il calore in eccesso generato dallo stack di celle a combustibile che deve essere rimosso dal sistema di raffreddamento. La potenza massima prodotta dallo stack di celle a combustibile è di 110 kW.
Questo grafico mostra l'efficienza termica della cella a combustibile e la sua frazione di utilizzo del reagente. L'efficienza termica indica la frazione di energia del combustibile idrogeno che la cella a combustibile ha convertito in lavoro elettrico utile. L'efficienza massima teorica di una cella a combustibile PEM è dell'83%. Tuttavia, l'efficienza effettiva è di circa il 60% a causa delle perdite interne. In prossimità della corrente massima, l'efficienza scende a circa il 45%.
L'utilizzo del reagente è la frazione dei reagenti, H2 e O2, che fluiscono nello stack di celle a combustibile e che sono stati consumati dalla cella a combustibile. Se da un lato l'utilizzo più elevato consente di sfruttare meglio i gas che scorrono nella cella a combustibile, dall'altro diminuisce la concentrazione dei reagenti, riducendo così la tensione prodotta. L'O2 non consumato viene espulso nell'ambiente, mentre l'H2 non consumato viene rimesso in ricircolo all'anodo per evitare sprechi. Tuttavia, nella pratica, l'H2 viene periodicamente spurgato per rimuovere i contaminanti.
Questo grafico mostra le temperature in varie posizioni del sistema. La temperatura dello stack di celle a combustibile è mantenuta a un massimo di 80°C dal sistema di raffreddamento. Il carburante che scorre verso l'anodo viene riscaldato dal flusso di ricircolo. L'aria che scorre verso il catodo viene riscaldata dal compressore.
Il mantenimento di una temperatura ottimale è fondamentale per il funzionamento della cella a combustibile, poiché temperature più elevate riducono l'umidità relativa, aumentando la resistenza della membrana. In questo modello, il sistema di raffreddamento è gestito da un semplice controllo della portata della pompa del refrigerante. Il grafico mostra la temperatura del refrigerante dopo che ha assorbito il calore dallo stack delle celle a combustibile e dopo che ha respinto il calore nel radiatore.
Questo grafico mostra la massa di idrogeno utilizzata durante il funzionamento e la corrispondente diminuzione della pressione nel serbatoio di idrogeno. L'energia del combustibile a idrogeno consumato viene convertita in energia elettrica.
