A pseudo-3D model to investigate heat and water transport in large area PEM fuel cells – Part 1: Model development and validation

Nandjou, Fredy; Poirot-Crouvezier, Jean-Philippe; Chandesris, Marion; Bultel, Yann

doi:10.1016/j.ijhydene.2016.05.117

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“…Some studies [14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26] have investigated PEFC operated under elevated temperature than usual. Although the dynamic power generation characteristics [14][15][16][17][18][19], the degradation test [20][21][22], the water distribution [23], the power generation performance under different temperatures, relative humidity, gas flow rate and pressure [24,25] have been investigated, there have been a few reports [26,27] on temperature distribution in the cell of PEFC. Especially, the temperature distribution on "reaction surface" has not been investigated yet, except in our former study [28] using the proposed heat transfer model.…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Numerical Analysis of Temperature Distributions in Single Cell of Polymer Electrolyte Fuel Cell when Operated in Elevated Temperature Range

Nishimura¹,

Zamami²,

Yoshimura³

et al. 2017

JEPE

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Abstract:The purpose of this study is to analyze the temperature distribution on the interface between the polymer electrolyte membrane and catalyst layer at the cathode in single cell of polymer electrolyte fuel cell when operated in elevated temperature range than usual. In this study, the interface between the polymer electrolyte membrane and catalyst layer at the cathode is named as reaction surface. This study has considered the 1D multi-plate heat transfer model estimating the temperature distribution on the reaction surface and verified with the 3D numerical simulation model solving many governing equations on the coupling phenomena of the polymer electrolyte fuel cell. The 3D numerical simulation model coverers a half size of actual cell including three straight parts and two turn-back corners, which can display the essential phenomena of single cell. The results from both models/simulations agreed well. The effects of initial operation temperature, flow rate, and relative humidity of supply gas on temperature distribution on the reaction surface have been investigated. Though the effect of flow rate of supply gas on temperature distribution on reaction surface has been small, low relative humidity of supply gas has caused higher temperature on the reaction surface compared to high relative humidity of the supply gas. The temperature rise of reaction surface from initial operation temperature has increased with the increasing in initial operation temperature of cell.

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Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

Numerical Analysis of Temperature Distributions in Single Cell of Polymer Electrolyte Fuel Cell when Operated in Elevated Temperature Range

Nishimura¹,

Zamami²,

Yoshimura³

et al. 2017

JEPE

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“…According to Zhang and Jiao [27], despite the multiplicity of 3D CFD models available in the literature, a satisfactory 3D multiphase CFD model which is able to simulate the detailed gas and liquid two-phase flow in channels and reflect its effect on PEM fuel cell performance precisely still was not real, because it is difficult to solve coupling physics and computation amount is real barrier. Nandjou et al [28] have proposed a pseudo 3D model to reduce the computational cost (i.e., the transport equations are formulated using a pseudo 3D approximation and coupled to an analytical electrochemical model at the catalyst layers/membrane interface). Nevertheless, the experimental measurement cannot easily emphasize or "validate" the computing results.…”

Section: Continuous Stirred Tank Reactor Approach To Fuel Cellmentioning

confidence: 99%

How to Build Simple Models of PEM Fuel Cells for Fast Computation

Deseure¹

2020

Thermodynamics and Energy Engineering

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Hydrogen is one of the leading candidates in the search for an alternative to fossil hydrocarbon fuels. The spread of these technologies requires a real-time control of generator performances. Artificial intelligence (AI) and mathematic tools can make smarter the smart grid. The electrochemical modeling can be coupled successfully with artificial intelligent approach, if these models can be quickly computed with a large numerical stability. This chapter shows a methodology to build this kind of modeling work. Thanks to a simplified but physically reasonable model of PEM fuel cell, we will show that the reactant access (oxygen) or water management (a product of the reaction) and the reaction rate can be easily described with low computing time consuming. In addition, the artificial neural network could be trained with a reduced amount of data generated by these cell models.

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“…Soc., apenas trabalhos abertos ao público foram considerados. A busca resultou em pouco mais de 400 trabalhos, sendo que 15 foram considerados relevantes e analisados em relaçãoà formulação matemática e validação dos modelos descritos (74,75,31,76,77,78,79,80,81,82,30,83,84,85,86). Destes trabalhos, apenas dois(85, 80) não avaliaram curvas de polarização, afirmando validação prévia.…”

Section: Discussõesunclassified

“…Entre os demais trabalhos, seis trabalhos (74,76,78,79,80,84) apresentam distribuições de corrente, sendo que quatro (74,76,79,78) são similares aos apresentados na Seção 6.2.1.1. Por outro lado, cinco trabalhos (74,77,79,78,85) avaliam medidas de temperatura, sendo que três deles (74,79,78) utilizam distribuições de temperatura similares ao apresentados na Seção 6.2.1.2. Um dos trabalhos(82) apresenta um modelo para espectroscopia de impedância eletroquímica (EIS), utilizando informações adicionais e pouco usuais para a validação do modelo descrito.É notável que apenas dois trabalhos (76,85) apresentam replicatas e resultados estatísticos, possibilitando uma comparação adequada entre os resultados experimentais e computacionais.…”

Section: Discussõesunclassified

“…Os outros dois trabalhos, de Robin et al(79) e de Nandjou et al (78), são aparentemente do mesmo grupo, e possuem similaridades, como por exemplo a técnica utilizada para a obtenção das distribuições de corrente e o fato que os resultados experimentais são referentesà módulos de células. Em (79)é descrito um modelo baseado na teoria de grafos de ligações (bond graph theory), contemplando transporte de espécies, momento, carga e calor, e considerando o transporte deágua líquida.É notável, no entanto, que os FCs são negligenciados, considerando apenas perdas de carga e pressões parciais de reagentes como parâmetros de entrada.…”

Section: Discussõesunclassified

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Simulação e modelagem de células a combustível de membrana de troca protônica

Beruski¹

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Foram estudados dois sistemas referentesà células a combustível de membrana de troca protônica através de modelos computacionais. Um protótipo de célula foi utilizado para o estudo da dinâmica de fluidos, tendo sido utilizados resultados cedidos para a validação da formulação do escoamento e posterior quantificação da contribuição do mesmo no transporte de espécies nos meios porosos. Este mesmo sistema foi explorado quantoà geometria dos canais de escoamento, sendo possível estabelecer uma hierarquia de perda por sobrepotencial de concentração em função da estequiometria do reagente. Obteve-se que, para as estequiometrias recomendadas em uma célula real, os melhores desempenhos seriam atingidos por geometrias de serpentina simples e serpentina dupla, ou tripla, para oânodo e cátodo, respectivamente. Uma célula completa também fora estudada, sendo comparada a resultados experimentais obtidos localmente. Foi observado que o modelo utilizado apresenta boa concordância com os aspectos globais do dispositivo real, enquanto que os aspectos locais são largamente mal representados pelo modelo computacional. Este modelo também fora utilizado para quantificar a contribuição do transporte convectivo na distribuição de reagentes, corroborando e estendendo os estudos realizados com o protótipo de célula. Em suma, são sugeridas as possibilidades e desafios de se utilizar modelos computacionais para células a combustível e sistemas similares, neste caso estabelecendo a conexão entre um protótipo e um dispositivo real.

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A pseudo-3D model to investigate heat and water transport in large area PEM fuel cells – Part 1: Model development and validation

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