Influence of electrolyte parameters on voltage and current density in the PEM fuel cell

• Autorzy: Kurgan E.

Warianty tytułu

PL

Wpływ parametrów elektrolitu na napięcie i gęstość prądu ogniwa paliwowego PEM

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper water management in proton exchange membrane (PEM) fuel cell is considered. First mass conservation law for water is applied. Next proton transport is described by the Nernst-Planck equation and liquid water convection velocity is eliminated by the Schlögl equation. Electro-osmotic drag coefficient is related to hydrogen index and experimentally determined swelling coefficient. Three partial differential equations for molar water concentration Cw, electric potential ? and water pressure Pw are formulated. Current density vector i is derived from proton flux expression. These equations together with adequate boundary conditions were solved using finite element method. The distribution of electric potential and current density in function of geometrical parameters is investigated. At the end some illustrative example is given.

PL

W tej publikacji omówiono sposób gospodarki wodą w ogniwie paliwowym (PEM) z membrana protonowo wymienną. Najpierw zastosowano prawo zachowania masy. Następnie transport protonów opisano za pomocą równania Nernsta-Plancka, z którego prędkość konwekcji wyeliminowano za pomocą równania Schlögla. Zostały sformułowane trzy równania różniczkowe cząstkowe względem molowej gęstości wody Cw, potencjału elektrycznego ? oraz ciśnienia wody. Wektor gęstości prądu i został wyprowadzony z wyrażenia na strumień protonów. Równania te wraz z odpowiednimi warunkami brzegowymi zostały rozwiązane za pomocą metody elementów skończonych. Został zbadany wpływ parametrów opisujących membranę na rozkład potencjału oraz wektora gęstości prądu.

Słowa kluczowe

EN

PEM fuel cells; finite element method; proton exchange membran

PL

ogniwa paliwowe PEM; metoda elementów skończonych; membrana protonowo-wymienna

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 86, nr 12
• Strony: 196--199
• Opis fizyczny: . Bibliogr. 12 poz., rys.

Twórcy

autor

Kurgan E.

• AGH University of Science and Technology,

Bibliografia

• [1] Mosdale R., Srinivasan S., Analysis of performance and of water management in proton exchange membrane fuel cells, Electrochimica Acta 40 (4) (1995) 413-421.
• [2] Bernardi D.M., Verbrugge M.W., A mathematical model of the solid-polymer-electrolyte fuel cell, Journal of the Electrochemical Society 139 (9) (1992) 2477-2491.
• [3] Springer T.E., Zawodzinski T.A., Gottesfeld S., Polymer electrolyte fuel cell model, Journal of the Electrochemical Society 138 (8) (1991) 2334-2342.
• [4] Bernardi D.M., Verbrugge M.W., Mathematical model of a gas diffusion electrode bonded to a polymer electrolyte, AIChE Journal 37 (8) (1991) 1151±1163.
• [5] Fuller T.F., Newman J., Water and thermal management in solid-polymer-electrolyte fuel cells, Journal of the Electrochemical Society 140 (5) (1993) 1218-1225.
• [6] Nguyen T.V., White R.E., A water and heat management model for proton-exchange-membrane fuel cells,Journal of the Electrochemical Society 140 (8) (1993) 2178-2186.
• [7] Ticianelli E.A., Derouin C.R., Redondo A., Srini-vasan S., Methods to advance technology of proton exchange membrane fuel cells, Journal of the Electrochemical Society 135 (9) (1988) 2209-2214.
• [8] Bird R.B., Stewart W.E., Lightfoot E.N., Transport Phenomena. Wiley, New York, 1960.
• [9] Newman J., Electrochemical Systems, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1973.
• [10] Singh D., Lu D.M., Djilali N., A two-dimensional analysis of mass transport in proton exchange membrane fuel cells, International Journal of Engineering Science, vol. 37, 1999, pp. 431 – 452.
• [11] Springer, T.E. Zawodzinski T.A., Gottesfeld S., Polymer-electrolyte fuel cell model, J. Electrochem. Soc., vol. 138, no. 8, 1991. 2334 – 2342
• [12] Kurgan E., Schmidt P., Time Dependence of Species Concen-trations in Cathode of The PEM Fuel Cell, The Second Polish-Slovenian Joint Seminar on Computational and Applied Electromagnetics, Kraków, 2003, 27 – 30.