Fuel cells are one of the renewable energy sources that have sparked a lot of scientific attention for solving problems related to the energy crisis and environmental pollution. One of the most crucial subjects concerning the utilization of fuel cells is modeling. Therefore, an analytical steady-state and dynamic fuel cell model was described in this study. The parameter for the identification process was investigated, and the MATLAB/Simulink implementation was demonstrated. A 15-W proton exchange membrane fuel cell was used to apply the suggested modeling methodology. Comparing experimental and simulation findings indicated that the model error was constrained to 3%. This study showed that temperature and humidity affect fuel cell performance.
In recent days, fuel cell has received attention from the world as an alternative power source to hydrocarbon used in automobile engines. With the industrial advances of fuel cell, There have been a lot of researches actively conducted to find a way of generating hydrogen. Among many hydrogen production methods, Solid Oxide Electrolysis Cell(SOEC) is not only a basic way but also environment-friendly method to produce hydrogen gas. Solid Oxide Electrolysis Cell has lower electrical energy demands and high thermal efficiency since it is possible to operate under high temperature and high pressure conditions. For these reasons, experimental researches as well as studies on numerical modeling for Solid Oxide Electrolysis Cell have been under way. However, studies on numerical modeling are relatively less enough than experimental accomplishments and have limited performance prediction, which mostly is considered as a result from inadequate effects of electrochemical properties by temperature and pressure. In this study, various experimental studies of commercial Membrane Electrode Assembly (MEA) composed of Ni-YSZ (40wt%, Ni-60 wt% YSZ)/8-YSZ (TOSOH, TZ8Y)/LSM (La0.9Sr0.1MnO3) was utilized for improving effectiveness of SOEC model. After numerically analyzing effects of electrochemical properties according to operating temperature, causing the largest deviation between experiments and simulation are that Charge Transfer Coefficient (CTC), exchange current density, diffusion coefficient, electrical conductivity in SOEC. Analyzing temperature effect on parameter used in overpotential model is conducted for modeling of SOEC. cross-validation method is adopted for application of various MEA and evaluating feasibility of model. As a result, the study confirm that the numerical model of SOEC based on structured process of effectiveness evaluation makes performance prediction better.
Park, Bong-Hee;Choi, Ju-Yeop;Choy, Ick;Lee, Sang-Cheol;Lee, Dong-Ha
Journal of the Korean Solar Energy Society
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v.34
no.1
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pp.91-97
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2014
This paper proposes a modeling of fuel cell which replaces dc source during simulation. Fuel cells are electrochemical devices that convert chemical energy in fuels into electrical energy. This system has high efficiency and heat, no environmental chemical pollutions and noise. Proton exchange membrane fuel cells (PEMFC) are commonly used as a residential generator. These fuel cells have different electrical characteristics such as a low voltage and high current compared with solar cells. And there are different behaviors in the V-I curve in the temperature and pressure. Therefore, the modeling of fuel cell should consider wide voltage range and slow current response and the resulting electrical model is applied to boost converter with fuel cell as an input source.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B
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v.34
no.2
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pp.157-163
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2010
Solid oxide fuel cells (SOFCs) are commonly composed of ceramic compartments, and it is known that the physical properties of the ceramic materials can be changed according to the operating temperature. Thus, the physical properties of the ceramic materials have to be properly predicted to develop a highly reliable simulation model. In this study, several physical properties that can affect the performance of SOFCs were selected, and simulation models for those physical properties were developed using our own code. The Gibbs free energy for the open circuit voltage, exchange current densities for the activation polarization, and electrical conductivity for the electrolyte were calculated. In addition, the diffusion coefficient-including the binary and Knudsen diffusion mechanisms-was calculated for mass transport analysis at the porous electrode. The physical property and electrochemical reaction models were then simulated simultaneously. The numerical results were compared with the experimental results and previous works studied by Chan et al. for code validation.
Journal of Nuclear Fuel Cycle and Waste Technology(JNFCWT)
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v.12
no.3
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pp.245-251
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2014
Pyroprocess for treating spent nuclear fuels has been developed based on electrochemical principles. Process simulation is one of the important methods for process development and experimental data analysis and it is also a necessary approach for pyroprocessing. To date, process simulation of pyroprocessing has been focused on electrorefining and there have been not so many investigations on electrolytic reduction. Electrolytic reduction, unlike electrorefining, includes specific features of gas evolution and porous electrode and, thus, different equations should be considered for developing a model for the process. This study summarized required concepts and equations for electrolytic reduction model development from thermodynamic, mass transport, and reaction kinetics theories which are necessitated for analyzing an electrochemical cell. An electrolytic reduction cell was divided and equations for each section were listed and, then, boundary conditions for connecting the sections were indicated. It is expected that those equations would be used as a basis to develop a simulation model for the future and applied to determine parameters associated with experimental data.
Fuel cells are devices that convert chemical energy directly into electrical energy. Owing to the high efficiency of the fuel cells, a large number of research work have been done during these years. Among many kinds of the fuel cells, a polymer electrolyte membrane fuel cell is such kind of thing which works under low temperature. Because of the specialty, it stimulated intense global R&D competition. Most of the major world automakers are racing to develop polymer electrolyte membrane fuel cell passenger vehicles. Unfortunately, there are still many problems to be solved in order to make them into the commercial use, such as the thermal and water management in working process of PEMFCs. To solve the difficulites facing the researcher, the analysis of the inner mechanism of PEMFC should be implemented as much as possible and mathematical modeling is an important tool for the research of the fuel cell especially with the combination of experiment. By regarding some of the assumptions and simplifications, using the finite element technique, a two-dimensional electrochemical mode is presented in this paper for the further comparison with experimental data. Based on the principals of the problem, the equations of electronic charge conservation equation, gas-phase continuity equation, and mass balance equation are used in calculating. Finally, modeling results indicate some of the phenomenon in a unit cell, and the relationships between potential and current density.
As the development of available binder in the harsh conditions is needed, we propose the proper binder for high-voltage lithium-ion secondary batteries based on the quantum chemistry modeling. The optimized structures, HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) energies and ionization potentials of 4 binders, which were considered from monomer to tetramer, were investigated by the semi-empirical and DFT (Density Functional Theory) calculations. The results show that the ionization potential values by calculation tend to be close to the oxidation potentials from the measurement of linear sweep voltametry (LSV). The order of oxidative resistance from high value to low value is following: poly(hexafluropropylene), poly(vinylidene fluoride), poly(methyl acrylate) and poly(acryl amide). Also these results correspond with the experimental values. Thus, we find the reason why HOMO (Highest Occupied Molecular Orbital) energy of PHFP has the highest value than other binders by analysis of HOMO orbital structures.
Kim, Sung Tae;Lee, Jeong Bin;Kim, Ui Seong;Shin, Chee Burm
Journal of Energy Engineering
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v.22
no.2
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pp.175-183
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2013
For the optimal design of the vehicle electric system, it is important to have a reliable modeling tool to predict the dynamic behavior of the automotive battery. In this work, a one-dimensional modeling was carried-out to predict the dynamic behaviors of a 12-V automotive lead-acid battery. The model accounted for electrochemical kinetics and ionic mass transfer in a battery cell. In order to validate the modeling, modeling results were compared with the experiment data of the dynamic behaviors of the lead-acid batteries of two different capacities that were mounted on the automobiles manufactured by Hyundai Motor Company. The discharge behaviors were measured with various discharge rates of C/3, C/5, C/10, C/20 and combination. And dynamic behaviors of charge and discharge were measured. The voltage curves from the experiment and simulation were in good agreement. Based on the modeling, the distributions of the electrical potentials of the solid and solution phases, and the current density within the electrodes could be predicted as a function of charge and discharge time.
In proton exchange membrane fuel cell, the heat is generated at the catalyst layer as result of exothermic electrochemical reaction. This heat increases temperature of gas diffusion layer and membrane whose conductivity is very sensitive to humidity, function of temperature. So it is very important to analysis heat transfer through fuel cell to maintain temperature at specified range. In this paper numerical simulation was done including reversible, irreversible, ionic resistance, water formation loss to source term of energy equation. Results show that irreversible and water formation loss contributes mainly to energy source term and as current density increases, all of energy source terms become increased and Nusselt number is increased as results of more heat generation. Particularly irreversible loss is found to be predominant among the all energy source and water formation at cathode channel influences the temperature distribution of fuel cell greatly.
The effects of the operating conditions in AFC single cells have not been studied in detail. In this study, by using a one-dimensional isothermal model a computational simulation was conducted to investigate the effects of the initial electrolyte concentration and the operating gas pressure. According to the result, the optimum electrolyte concentration at the base-case was found to be within $3.0\~3.5$ M. The variation of the cell performance according to the electrolyte concentration was found to be caused mainly by the charge transfer resistances of both electrodes, Henry's constant and the liquid phase diffusivity of the dissolved gases. It was also found that an increase in operating pressure increased the reaction rates and the solubilities of the gases, which led to a considerable enhancement of the cell performance.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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