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Enregistrement W2912654866 · doi:10.1149/ma2018-02/41/1353

An Open-Source Multiscale Transient Model for Numerical Characterization of Proton Exchange Membrane Fuel Cells

2018· article· en· W2912654866 sur OpenAlexaffabout
Aslan Kosakian, Luis Padilla Urbina, Aidan Heaman, Marc Secanell

Notice bibliographique

RevueECS Meeting Abstracts · 2018
Typearticle
Langueen
DomaineEngineering
ThématiqueFuel Cells and Related Materials
Établissements canadiensUniversity of Alberta
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésProton exchange membrane fuel cellMechanicsTransport phenomenaMass transferMaterials scienceHeat transferDiffusionWork (physics)ChemistryChemical engineeringThermodynamicsFuel cellsPhysicsEngineering

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Mathematical modeling often compliments experimental studies and helps gain insight into various physical phenomena occurring in fuel cells that is difficult to obtain otherwise because of the small size of the components and lack of visual access. Many of the existing models for proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are steady-state. These models cannot be used to study the behavior of PEMFCs during the normal testing process, which exhibits several time scales: a) milliseconds for the electrochemical processes; b) up to minutes for the mass transport; and c) up to hours for the heat transfer [1]. In recent years, various time-dependent models have been developed, e.g., [2-8]. These models, however, have critical drawbacks. Some of them, for instance, were developed for high-temperature PEMFCs and either do not consider water transport in the membrane [3] or neglect electro-osmotic drag [6]. Fuel cell models also commonly use simplified reaction kinetics [2,4-8] and neglect the capacitive current arising from double layer charging and discharging [3-8]. Effective diffusion coefficients for gases in the porous layers of fuel cells are typically computed using the Bruggeman approximation [2,4-6,8], which is not generally suitable for modeling transport phenomena in fuel cells [9]. Microstructure of the catalyst layers is seldom accounted for when estimating oxygen or hydrogen concentration at the reaction sites. In [7], an agglomerate and thin-film sub-model is only implemented for the cathodic side of the cell. In this work, a transient, two-dimensional numerical model of a PEMFC is developed in the open-source framework OpenFCST [10]. The model uses multi-step reaction kinetics [11-14] and accounts for water sorption and transport in the electrolyte, including electro-osmotic drag. Capacitive current due to double layer effects is taken into account in the model in order to increase its accuracy at small time scales. Effective gas diffusion coefficients are computed from the percolation theory [15,16], and a previously developed ionomer-covered catalyst particle sub-model [17,18] is incorporated that accounts for local transport resistances in the catalyst layers. The presented model is used for numerical PEMFC characterization by two common techniques: polarization curve experiments and electrochemical impedance spectroscopy. With this model, correlations between the operating conditions, voltage scan rates, and the magnitude of the polarization curve hysteresis are built in order to help experimentalists choose appropriate testing conditions and avoid the measurement uncertainties associated with the electrolyte hydration transients. The model also enables better understanding of the effect of the cell composition (e.g., catalyst loading and electrolyte content in the catalyst layers, thickness of the membrane and the catalyst layers) and different physical phenomena (e.g., electrolyte hydration, double layer charging and discharging) on the impedance spectrum of PEMFCs. References [1] T. Jahnke et al., J. Power Sources, 304 (2016): 207-233. [2] C. Bao and W. G. Bessler. J. Power Sources 275 (2015): 922-934. [3] X. L. Chen et al., Adv. Mat. Res. 625 (2013): 226-229. [4] P. Choopanya and Z. Yang, Proc. Int. C. Heat. Transf. Fluid Mec. Therm. (2014). [5] A. Jo et al., Int. J. Hydrogen Energ. 40.2 (2015): 1305-1315. [6] H. S. Kim et al., Int. J. Hydrogen Energ. 41.31 (2016): 13657-13665. [7] I. V. Zenyuk et al., J. Electrochem. Soc. 163.7 (2016): F691-F703. [8] A. Verma and R. Pitchumani, J. Fuel Cell Sci. Tech. 12.1 (2015): 011005. [9] B. Tjaden et al., Curr. Opin. Chem. Eng. 12 (2016): 44-51. [10] M. Secanell et al., ECS Transactions 64.3 (2014): 655-680. [11] J. X. Wang et al., J. Electrochem. Soc., 153.9 (2006): A1732-A1740. [12] M. Secanell, Ph.D. thesis, University of Victoria, 2007. [13] J. X. Wang et al., J. Phys. Chem. A, 111.49 (2007): 12702–12710 [14] M. Moore et al., J. Electrochem. Soc., 160.6 (2013): F670-F681. [15] M. Eikerling and A. A. Kornyshev. J. Electroanal. Chem. 453.1-2 (1998): 89-106. [16] P. Dobson et al. J. Electrochem. Soc. 159.5 (2012): B514-B523. [17] P. Wardlaw, M.Sc. thesis, University of Alberta, 2014. [18] M. Moore et al., J. Electrochem. Soc., 161.8 (2014): E3125-E3137. Figure 1

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,000
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Méthodes · Signal consensuel: Méthodes
Score de désaccord entre enseignants0,006
Score d'incertitude au seuil0,016

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0000,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0010,001
Bibliométrie0,0000,000
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0010,001
Science ouverte0,0020,001
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0050,001

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,017
Tête enseignante GPT0,238
Écart entre enseignants0,222 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreMéthodes

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations1
Publié2018
Routes d'admission2
Résumé présentoui

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