《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》
《Proton Exchange Membrane Fuel Cells Modeling》质子交换膜燃料电池模型
编辑：
Fei Gao
Benjamin Blunier
Abdellatif Miraoui
出版社：ISTE
出版时间：2012年
目录
Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Part 1: State of the Art: Of Fuel Cells Modeling . . . . . . . . . . 1
Chapter 1. General Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1. What is a fuel cell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.2. Types of fuel cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2.1. Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC, PEFC) . . . . . . 7
1.2.2. Alkaline fuel cells (AFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.3. Phosphoric acid fuel cells (PAFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.4. Molten carbonate fuel cells (MCFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.5. Solid oxide fuel cells (SOFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.6. Direct methanol fuel cells (DMFC) . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Chapter 2. PEMFC Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1. Bipolar plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2. Membrane electrode assembly . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.1. Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Chapter 3. Why Model a Fuel Cell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1. Advantages of modeling and simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2. Complex system modeling methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.1. Behavior description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2.2. Behavior explanation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
vi PEM Fuel Cell Modeling
3.3. Modeling goals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.3.1. Scientific understanding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.3.2. Technological development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3.3. System control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Chapter 4. How Can a Fuel Cell be Modeled? . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.1. Space dimension: 0D, 1D, 2D, 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.2. Temporal behavior: static or dynamic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.3. Type: analytical, semi-empirical, empirical . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.4. Modeled areas: stack, single cell, individual layer . . . . . . . . . . . . 34
4.5. Modeled phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.5.1. Domains: electrical (electrochemical), fluidic, thermal . . . . . . 35
4.5.2. Individual layer phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Chapter 5. Literature Models Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.1. 50 models published in the literature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
5.2. Model classification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Part 2: Modeling of the Proton Exchange Membrane
Fuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Chapter 6. Model Structural and Functional Approaches . . . . . . . . . . 49
Chapter 7. Stack-Level Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1. Electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1.1. Cell voltage multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.1.2. Individual cell voltage sum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
7.2. Fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
7.2.1. Static equilibrium of the stack’s fluid flows . . . . . . . . . . . . . 54
7.2.2. Dynamic equilibrium of the stack’s fluid flow . . . . . . . . . . . 55
7.2.3. Expressions for gas flow rates at the channel inlets and outlets . . 59
7.3. Thermal domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.3.1. Dynamic energy balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Chapter 8. Cell-Level Modeling (Membrane-Electrode
Assembly, MEA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.1. Electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.1.1. Thermodynamic voltage of a cell . . . . . . . . . . . . 69
8.1.2. Voltage drop due to activation loss . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.1.3. Voltage drop due to internal ohmic loss (membrane + plate) . . . 79
8.1.4. Voltage drop due to concentration losses (mass transport
limitation) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
8.1.5. Dynamic effect of double layer capacity . . . . . . . . . . . . . . 83
Table of Contents vii
8.2. Fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2.1. Static or dynamic mass balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
8.2.2. Pressure loss in the global feeding channels (manifolds) . . . . . 86
8.3. Thermal domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
8.3.1. Dynamic energy summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Chapter 9. Individual Layer Level Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1. Electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.1. Gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.1.2. Gas diffusion layer (GDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.1.3. Catalyst layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.1.4. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.2. Fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.2.1. Gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
9.2.2. Gas diffusion layer (GDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
9.2.3. Catalyst sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.2.4. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
9.2.5. General vapor saturation pressure formula . . . . . . . . . . . . . 133
9.3. Thermal domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.3.1. Gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
9.3.2. Gas diffusion layer (GDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.3.3. Catalyst sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
9.3.4. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Chapter 10. Finite Element and Finite Volume Approach . . . . . . . . . . 141
10.1. Conservation of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
10.2. Conservation of momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
10.3. Conservation of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.4. Conservation of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.5. Conservation of energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Part 3: 1D Dynamic Model of a Nexa Fuel Cell Stack . . . . . . . . 147
Chapter 11. Detailed Nexa Proton Exchange Membrane Fuel Cell
Stack Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
11.1. Modeling hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
11.2. Modeling in the electrical domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
11.2.1. Cooling channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
11.2.2. Solid support and cathode gas channels . . . . . . . . . . . . . . 151
11.2.3. Cathode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
11.2.4. Cathode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
11.2.5. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
viii PEM Fuel Cell Modeling
11.2.6. Anode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
11.2.7. Anode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.2.8. Solid support and anode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.3. Modeling in the fluidic domain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.3.1. Cooling channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.3.2. Cathode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
11.3.3. Cathode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
11.3.4. Cathode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
11.3.5. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
11.3.6. Anode catalytic layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
11.3.7. Anode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
11.3.8. Anode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.4. Thermal domain modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.4.1. Cooling channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
11.4.2. Solid support of the cathode channels . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.4.3. Cathode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
11.4.4. Cathode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
11.4.5. Cathode catalyst layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
11.4.6. Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
11.4.7. Anode catalyst layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
11.4.8. Anode diffusion layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
11.4.9. Anode gas channels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
11.4.10. Solid support of the anode channels . . . . . . . . . . . . . . . . 200
11.5. Set of adjustable parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Chapter 12. Model Experimental Validation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.1. Multiphysical model validation with a 1.2 kW fuel cell stack . . . . . 205
12.1.1. Measuring equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
12.1.2. Experimental validations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
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