This paper is aimed at presenting a computational model of a proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack. The proposed simulation model is simple and at the same time includes all the important characteristics of a fuel cell stack. Close agreement between the simulation, manufacturer and experimental results confirm the validity and usefulness of the proposed FC model. Also, we propose the variable PI control method which has the best of follow efficiency than the PI control method. we confirm a reduced ripple and improved follow efficiencies when the system is applied the DC-DC converter, by simulation using PSIM.
In this paper, a three-dimensional computational fluid dynamic model of a proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) with serpentine flow channel is presented. A steady state, single phase and isothermal numerical model has been established to investigate the influence of the GDL (Gas Diffusion Layer) parameters. The GDL is made of a porous material such as carbon cloth, carbon paper or metal wire mesh. For the simplicity, the GDL is modeled as a block of material having numerous pathways through which gaseous reactants and liquid water can pass. The porosity, permeability and thickness of the GDL, which are employed in the model parameters significantly affect the PEMFC performance at the high current region.
The imbalance of energy demand and supply caused by rapid industrialization around the world and the associated environmental issues require and alternative energy source with possible renewable fuels. Political instability and depletion of cruel oils are other factors that cause fluctuation of oil price. Securing a new alternative energy source for the next century became an urgent issue that our nation is confronting with. As a matter of fact, the fuel cell technology can be widely used as next generation energy regardless of regions and climate. Specially, the ability of expansion and quick installation enable one to apply it for distributed power, where the technology is already gaining remarkable attentions for the application. Particularly, leading industrialized nations are focusing on the PEM fuel dell with anticipation that this technology will find their place of applications in the vehicles and homes. In this study, demonstrate the multi physics modeling of a proton exchange membrane(PEM) fuel cell with interdigitated flow field design. The model uses current balances, mass balance(Maxwell-Stefan diffusion for reactant, water and nitrogen gas) and momentum balance(gas flow) to simulate the PEM fuel cell behavior.
This paper presents a methodology for effective control of fuel cell devices connected to the electric utility distribution network. A controller is designed for a fuel cell power plant to assist the conventional generators to damp out oscillations, which is possible by utilizing the fast response characteristic of fuel cells. Computer model of the controller is proposed and its effectiveness is proved by a sample test. Fuel cell devices can be used to improve power system stability when these are connected to a distribution system.
Hydrogen fuel cell is clean and efficient technology along with high energy densities. While there are many different types of fuel cells, the proton exchange membrane fuel cell stands out as one of the most promising for transportation and small stationary applications. This paper focuses on design of bipolar plate for proton exchange membrane fuel cell. The bipolar plate model is realistically and accurately simulated velocity distribution, current density distribution and its effect on the PEMFC system using CFD tool FLUENT.
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is a portable and clean power generation device. The structural arrangement of the flow field has a significant influence on the delivery efficiency of PEMFC. In this article, a new bionic flow channel is designed based on the inspiration of a spider shape. The branch channel width and branch corner are studied as the focus, and its simulation is carried out by the method of computational fluid dynamics (CFD). The results show that when channel width/rib width and corner of the branch are 1.5 and 130° , respectively, it is the best numerical combination and the cell comprehensive performance is excellent. The final model using this numerical combination is compared with the traditional flow channel model to verify the advancement of this scheme.
Fuel cells convert a fuel together with oxygen in a highly efficient electrochemical reaction to electricity and water. Since the electrochemical reaction in the fuel cell stack dose not generate any noise, Fuel cell systems are expected to operated much quieter than combustion engines. However, the tonal noise and the broad band noise caused by a centrifugal compressor and an electric motor cause which is required to feed the ambient air to the cathode of the fuel cell stack with high pressure. In this study, the multi-camber perforated muffler is used to reduce noise. We propose optimized muffler model using an axiomatic design method that optimizes the parameters of perforated muffler while keeping the volume of muffler minimized.
This paper presents a design process of light-weighted fuel cell vehicle (FCV) frame to meet design target of natural frequency in early design stage. At first, using validated FE model for the current design, thickness optimization was carried out. Next. optimization process, comprised of beam model size optimization, shell model design and shell model thickness optimization, was investigated for two frame types. In addition, in order to ensure hydrogen tanks safety against rear impact load, structural collapse characteristics was estimated for the rear frame model finally produced from the previous optimization process and, with the target of equal collapse characteristics to the current design model, structural modification with small weight increase was studied through static structural collapse analyses. The same attempt was applied to the front side frame. The results explain that the proposed process enables to design light-weighted frames with high structural performance in early stage.
High temperature proton exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) has been regarded as a promising clean energy sources. In this study, a quasi-three-dimensional dynamic model of HT-PEMFC has been developed and the local dynamic characteristics are investigated. The model has the geometrical simplification of 2+1D reduction (quasi-3D). The one-dimensional model consists of nine control volumes in cross-sectional direction to solve the energy conservation and the species conservation equations. Then, the one-dimensional model is discretized into 25 local sections along the gas flow direction to account for gas and thermal transport in channels. With this discretization, the local characteristics of HT-PEMFC such as species conservation, temperature, and current density can be captured. In order to study the basic characteristics of HT-PEMFC, it is important to investigate the local dynamic characteristics. Thus, the model is simulated at various operating conditions and the local dynamic characteristics related to them are observed. The model is useful to investigate the distribution of HT-PEMFC characteristics and the physical phenomena in HT-PEMFC.
The performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is seriously changed by the humidification condition which is intrinsic characteristics of the PEMFC. Typically, the humidification of fuel cell is carried out with internal or external humidifier. A membrane humidifier is applied to the external humidification of residential power generation fuel cell due to its convenience and high performance. In this study, a simple static model is constructed to understand the physical phenomena of the membrane humidifier in terms of geometric parameters and operating parameters. The model utilizes the concept of shell and tube heat exchanger but the model is also able to estimate the mass transport through the membrane. Model is constructed with FORTRAN under Matlab/$Simulink^{(R)}$$\Box$environment to keep consistency with other components model which we already developed. Results shows that the humidity of wet gas and membrane thickness are critical parameters to improve the performance of the humidifier.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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