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Three-dimensional mathematical modelling of a proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC); Dreidimensionale mathematische Modellierung einer Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC)

Abstract

The use of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC) in motor vehicles is being explored worldwide and demonstrated in prototypes. The structural improvement of the cells requires an in-depth understanding of the physiochemical processes taking place in the interior. Mathematical simulations can considerably contribute to providing this understanding. In the present study, a mathematical model is presented which enables the calculation of mass and charge flows in the different material layers of a rectangular, planar PEM fuel cell and provides the corresponding three-dimensional concentration and potential distributions. The simulation software permits the steady-state and isothermal calculation of hydrogen/air single cells to which fuel and oxidant can be fed in a co-flow, counter-flow or cross-flow configuration. The mathematical solution method is based on the finite integration technique. The large, sparse systems of equations resulting from the discretization of the conservation equations are very efficiently solved using a multigrid method. A comparison of calculated current-density/voltage characteristics for a base-case cell with measured current-density/voltage characteristics confirms the good quality of the simulation results. Parameter variations show the dependence of the electrode kinetics on the cell temperature and on the gas pressures of the fuel and air side. Furthermore, the influence of the pressure difference  More>>
Authors:
Publication Date:
Dec 01, 1997
Product Type:
Technical Report
Report Number:
Juel-3480
Reference Number:
SCA: 300500; PA: DE-98:0GA155; EDB-98:073351; SN: 98001978064
Resource Relation:
Other Information: TH: Diss.; PBD: Dec 1997
Subject:
30 DIRECT ENERGY CONVERSION; FUEL CELLS; OPERATION; MATHEMATICAL MODELS; SIMULATION; FINITE ELEMENT METHOD; MEMBRANES
OSTI ID:
622309
Research Organizations:
Forschungszentrum Juelich GmbH (Germany). Inst. fuer Energieverfahrenstechnik; Technische Hochschule Aachen (Germany)
Country of Origin:
Germany
Language:
German
Other Identifying Numbers:
Journal ID: ISSN 0944-2952; TRN: DE98GA155
Availability:
Available from TIB Hannover: RA 831(3480)
Submitting Site:
DE
Size:
176 p.
Announcement Date:
Jul 23, 1998

Citation Formats

Mosig, J. Three-dimensional mathematical modelling of a proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC); Dreidimensionale mathematische Modellierung einer Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC). Germany: N. p., 1997. Web.
Mosig, J. Three-dimensional mathematical modelling of a proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC); Dreidimensionale mathematische Modellierung einer Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC). Germany.
Mosig, J. 1997. "Three-dimensional mathematical modelling of a proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC); Dreidimensionale mathematische Modellierung einer Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC)." Germany.
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title = {Three-dimensional mathematical modelling of a proton-exchange membrane fuel cell (PEMFC); Dreidimensionale mathematische Modellierung einer Brennstoffzelle mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC)}
author = {Mosig, J}
abstractNote = {The use of proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC) in motor vehicles is being explored worldwide and demonstrated in prototypes. The structural improvement of the cells requires an in-depth understanding of the physiochemical processes taking place in the interior. Mathematical simulations can considerably contribute to providing this understanding. In the present study, a mathematical model is presented which enables the calculation of mass and charge flows in the different material layers of a rectangular, planar PEM fuel cell and provides the corresponding three-dimensional concentration and potential distributions. The simulation software permits the steady-state and isothermal calculation of hydrogen/air single cells to which fuel and oxidant can be fed in a co-flow, counter-flow or cross-flow configuration. The mathematical solution method is based on the finite integration technique. The large, sparse systems of equations resulting from the discretization of the conservation equations are very efficiently solved using a multigrid method. A comparison of calculated current-density/voltage characteristics for a base-case cell with measured current-density/voltage characteristics confirms the good quality of the simulation results. Parameter variations show the dependence of the electrode kinetics on the cell temperature and on the gas pressures of the fuel and air side. Furthermore, the influence of the pressure difference between fuel and oxidant on the water regime of the electrolyte membrane is examined. Finally, simulation calculations for different fuel cell materials and ratios of gas-channel to ridge width show the influence of structural fuel cell parameters on the performance of a PEM fuel cell. (orig.) [Deutsch] Der Einsatz von Brennstoffzellen mit Protonen-Austausch-Membran (PEMFC) in Kraftfahrzeugen wird weltweit erforscht und in Prototypen demonstriert. Ihre konstruktive Verbesserung erfordert ein tiefes Verstaendnis der im Inneren ablaufenden physikochemischen Vorgaenge. Mathematische Simulationen koennen zu diesem Verstaendnis in erheblichem Masse beitragen. In der vorliegenden Arbeit wird ein mathematisches Modell vorgestellt, welches die Berechnung der Massen- und Ladungsstroeme in den unterschiedlichen Materialschichten einer rechteckigen, planaren PEM-Brennstoffzelle ermoeglicht und die entsprechenden dreidimensionalen Konzentrations- und Potentialverteilungen liefert. Die Simulationssoftware ermoeglicht die stationaere und isotherme Berechnung von Wasserstoff/Luft-Einzelzellen, denen Brenngas und Oxidans unter realitaetsnahen Bedingungen in Gleich-, Gegen- oder Kreuzstromfuehrung zugefuehrt werden koennen. Die mathematische Loesungsmethode basiert auf der Methode der finiten Volumenelemente. Die aus der Diskretisierung der Erhaltungsgleichungen resultierenden grossen, duennbesetzten Gleichungssysteme werden mittels eines Mehrgitterverfahrens sehr effizient geloest. Der Vergleich berechneter Stormdichte/Spannungskennlinien fuer eine Basisfallzelle mit gemessenen Stromdichte/Spannungskennlinien belegt die gute Qualitaet der Simulationsergebnisse. Parametervariationen zeigen die Abhaengigkeit der Elektrodenkinetik von der Zelltemperatur und von den Gasdruecken auf der Brenngas- und Luftseite auf. Weiterhin wird der Einfluss der Druckdifferenz zwischen Brenngas und Oxidans auf den Wasserhaushalt der Elektrolytmembran untersucht. Abschliessend zeigen Simulationsrechnungen fuer verschiedene Brennstoffzellenmaterialien und Verhaeltnisse von Gaskanal- zu Stegbreite den Einfluss konstruktiver Brennstoffzellenparameter auf die Leistungsfaehigkeit einer PEM-Brennstoffzelle. (orig.)}
place = {Germany}
year = {1997}
month = {Dec}
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