The effect of flow configuration in ammonia-fed solid oxide fuel cell are investigated by using a three-dimensional numerical model. Typical flow configurations including co-flow and counter-flow are considered. The ammonia is directly fed into the stack without any external reforming process, resulting in an internal decomposition of NH3 in the anode electrode of the stack. The result showed that temperature profile in the case of counter-flow is more uniform than the co-flow configuration. The counter-flow cell, the temperature is highest at the middle of the channel while in the case of co-flow, the temperature is continuously increased and reached maximum value at the outlet area. This leads to a higher averaged current density in counter-flow compared to that of co-flow, about 5%.
A dynamic model of proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) system is designed to understand the performance of the PEMFC in residential power generator(RPG) over various balance of plant(BOP) options. In particular, since the performance of PEMFC system should be optimized for given operating ranges, it is necessary to design suitable BDP components which can support the operating ranges. The objective of this study is to develop a dynamic system model for the study of PEMFC performance over various BOP options. Therefore, a dynamic model is composed of a PEMFC stack model, a water management system model, a thermal management system model and a fuel/air supply model and the model is integrated under SIMULINK(R)environment. Basic simulation results will be presented.
In this study, a solid oxide fuel cell (SOFC) system model including balance of plant (BOP) for building electric power generation is developed to study the effect of operating conditions on the system efficiency and power output. SOFC system modeled in this study consists of three heat-exchangers, an external reformer, burner, and two blowers. A detailed computational cell model including internal reforming reaction is developed for a planer SOFC stack which is operated at intermediate temperature (IT). The BOP models including an external reformer, heat-exchangers, a burner, blowers, pipes are developed to predict the gas temperature, pressure drops and flow rate at every component in the system. The SOFC stack model and BOP models are integrate to estimate the effect of operating parameters on the performance of the system. In this study, the design of experiment (DOE) is used to compare the effects of fuel flow rate, air flow rate, air temperature, current density, and recycle ratio of anode off gas on the system efficiency and power output.
Fuel cell systems have to satisfy acceptable operating reliability, sufficient lifetime and price to enter the market in competition with existing products. Fuel cells are made up of complex element technologies and various problems related to the failure of the components can affect the reliability and safety of the system. This problem can be overcome by introducing a monitoring and supervisory control system in addition to automatic control to detect the failure of the fuel cell quickly and properly diagnose the performance degradation. For the fault detection and diagnosis of polymer electrolyte fuel cells, the model based method using the theoretical superposition value and the non-model based method of checking the signal tendency or the converted signal characteristic can be applied. The methods analyzed in this paper can contribute to the development of integrated monitoring and control technology for the whole system as well as the stack.
Cracking ammonia inside solid oxide fuel cell (SOFC) stack is a compact and simple way. To prevent sharp temperature fluctuation and increase cell efficiency, the decomposition reaction should be spread on whole cell area. This leading to a question that, how does anode thickness affect the conversion rate of ammonia and the cell voltage? Since the 0D model of SOFC is useful for system level simulation, how accurate is it to use equilibrium solver for internal ammonia cracking reaction? The 1D model of ammonia fed SOFC was used to simulate the diffusion and reaction of ammonia inside the anode electrode, then the partial pressure of hydrogen and steam at triple phase boundary was used for cell voltage calculation. The result shows that, the ammonia conversion rate increases and reaches saturated value as anode thickness increase, and the saturated thickness is bigger for lower operating temperature. The similar cell voltage between 1D and 0D models can be reached with NH3 conversion rate above 90%. The 0D model and 1D model of SOFC showed similar conversion rate at temperature over 750℃.
Polymer electrolyte membrane fuel cells(PEMFC) are very interesting power source due to high power density, simple construction and operation at low temperature. But they have problems such as high cost, improvement of performance and effect of temperature. This problems can be approached using mathematical models which are useful tools for analysis and optimization of fuel cell performance and for heat and water management, in this paper, transient model consists of various energy terms associated with fuel cell operation using the mass and energy balance equation. And water transfer in the membrane is composed of back diffusion and electro-osmotic drag. The temperature calculated by transient model approximately agreed with the temperature measured by experiment in constant current condition.
The effects of internal manifold designs the reactant feed-stream in Polymer Electrolyte Fuel Cells (PEFCs) is studied to figure out mass flow-distribution patterns over an entire fuel cell stack domain. Reactants flows are modeled either laminar or turbulent depending on regions and the open channels in the bipolar plates are simulated by porous media where permeability should be pre-determined for computational analysis. In this work, numerical models for reactant feed-stream in the PEFC manifolds are classified into two major flow patterns: Z-shape and U-shape. Several types of manifold geometries are analyzed to find the optimal manifold configurations. The effect of heat generation in PEFC on the flow distribution is also investigated applying a simplified heat transfer model in the stack level (i.e. multi-cell electrochemical power-generation unit). This modeling technique is well suited for many large scale problems and this scheme can be used not only to account for the manifold flow pattern but also to obtain information on the optimal design and operation of a PEMC system.
This paper proposes a grid-tied power conditioning system for fuel cell, which consists of three-phase current-fed DC-DC converter and three-phase PWM inverter. The three-phase current-fed DC-DC converter boosts fuel cell voltage of 26-48 V up to 400 V with zero-voltage switching (ZVS) scheme, while the three-phase PWM(Pulse Width Modulation) inverter controls the active and reactive power supplied to the grid. The operation of the proposed power conditioning system with fuel cell model is verified through simulations with PSCAD/EMTDC software. The feasibility of hardware implementation is verified through experimental works with a laboratory prototype with 1.2 kW proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack. The proposed power conditioning system can be commercialized to interconnect the fuel cell with the power grid.
Fuel cell systems for medium duty truck require high power demands under driving. Since high power demands results in significant heat generation, thermal management is crucial for the performance and durability of medium duty truck. Therefore, various configurations of dual stacks with cooling systems are investigated to understand appropriate thermal management conditions. The simulation model consists of a dynamic fuel cell stack model, a cooling system model equipped with a controller, and the mounted controller applies a feedback controller to control the operating temperature. Also, In order to minimize parasitic power, the comparison of the cooling systems involved in the arrangement was divided into three case. As a result, this study compares the reaction of fuel cells to the placement of the cooling system under a variety of load conditions to find the best placement method.
최근 전 세계적으로 이상화탄소 배출규제에 대응하기 위해 신에너지를 동력원으로 하는 자동차에 관심이 증가하고 있다. 그중 이온 교환막 연료전지(PEMFC)는 내연기관을 대신에 자동차 동력원으로 많이 사용되어지고 있으며 양산화를 위한 노력을 전 세계적으로 하고 있다. 하지만 이러한 수소 자동차가 시장과 소비자의 요구 조건을 충족하기 위해서는 내구성을 개선하여야 한다. 현재 선진사들을 중심으로 수소 자동차의 내구성을 개선하기 위해 노력하지만, 대부분 실험적 방법으로 내구성의 분석 및 평가를 수행하고 있다. 하지만, 이러한 방법은 비용과 시간이 많이 들기 때문에 경제적이지 못하다. 본 기고문에서는 내구성에 영향을 받는 인자, 연료전지 시스템 내구성을 예측하고 평가할 수 있는 수소 자동차 내구성 모델 개발에 필요한 수식에 관한 연구, 그리고 내구성 개선을 위한 해석적 방법(simulation)에 관한 연구 동향을 소개하고자 한다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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