燃料电池模型

燃料电池是一种利用反应物发电的电化学系统。聚合物电解质膜(PEM)燃料电池是一种流行的技术，它利用氢和氧的化学反应产生电和水作为副产品。2022世界杯八强谁会赢？PEM燃料电池包含半透膜，允许质子运输和阻止电子流。由于这种特性，这种燃料电池又被称为质子交换膜燃料电池。如下图所示，氢从阳极进入燃料电池，分裂成质子和电子。质子通过薄膜，而电子通过外部电路，产生电流。氧气进入燃料电池的阴极端与质子和电子结合产生水和热。

PEM燃料电池因其较低的工作温度和压力而受到重视。由于这些原因，该技术被广泛用于电动汽车，作为电池系统的替代或补充。PEM燃料电池用于固定电力生产，当与电解槽和可再生电源结合时，被认为是绿色能源存储传输系统的一部分。

为了利用模拟技术开发燃料电池的应用，工程师需要不同保真度的模型。这些场景包括:

• 使用描述电化学反应的燃料电池模型来评估燃料电池堆的温度和电性能。
• 使用不详细的系统级燃料电池模型优化燃料电池电动汽车的航程、性能和热效应。
• 开发和优化燃料电池控制系统，使用燃料电池模型适用于硬件在环测试。
• 设计和模拟发电系统使用燃料电池模型的功能细节组件和平衡的工厂规模。
• 使用燃料电池和电解槽模型实现产氢和输出功率的经济可行性。

Simscape™而且Simscape电气™提供模拟燃料电池的模型库。工程师可以使用这些模型来开发燃料电池控制系统，并将燃料电池作为电力系统的一部分进行分析。使用动态仿真模块^®，这些模型支持电动汽车燃料电池控制系统的开发，包括闭环设计和控制逻辑。工程师可以从这些燃料电池模型生成代码，用于验证和生产，支持AUTOSAR和认证工作流，以实现诸如电流、电压、电源监测和热管理等功能。

对于有兴趣建立燃料电池堆模型的工程师，Simscape电气燃料电池模型提供两个级别的保真度。一个简化的燃料电池模型提供了在标称温度和压力条件下的能斯特电压。更详细的燃料电池模型根据燃料和空气的压力和流量的输入信号输出能斯特电压。这两种模型都可以让工程师评估电压电流特性和热产生。

使用Simscape，工程师可以定制一个完整的PEM燃料电池模型。这包括燃料电池堆和平衡装置组件，如空气压缩机、加湿器、氢气再循环路径、冷却系统和水管理。这种基于第一原理的燃料电池模型使用了电化学，使PEM燃料电池在组件和系统层面都得到了发展。这种级别的燃料电池模型细节可以让工程师对诸如电流、电压、功率监测和热管理等功能进行建模。

作为电气系统的一部分，燃料电池模型为进行贸易研究提供了一个框架，以节约燃料电池堆栈效率、氢和氧的利用以及燃料和空气的消耗。

如Powertrain Blockset™所示，PEM燃料电池模型具有电化学反应、氢气和空气处理以及热管理系统，可与电池系统和电机相结合，对燃料电池虚拟汽车的动力系统进行建模。