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Investigation of transient behaviors in PEMFC from a perspective of the extended irreversible thermodynamics
Energy Conversion and Management ( IF 9.9 ) Pub Date : 2024-12-12 , DOI: 10.1016/j.enconman.2024.119391 Yaorui Shen, Tingpu He, Jianqin Fu, Changhe Wei, Xilei Sun
Energy Conversion and Management ( IF 9.9 ) Pub Date : 2024-12-12 , DOI: 10.1016/j.enconman.2024.119391 Yaorui Shen, Tingpu He, Jianqin Fu, Changhe Wei, Xilei Sun
For vehicle fuel cell, its transient behaviors not only directly determine the actual performance of vehicle, but also affect the operation stability and durability of fuel cell. Due to the lack of effective method to detect the transient performance, it is difficult to optimize and control the transient behaviors of automotive fuel cell. To address this issue, a one-dimensional, two phase and non-isothermal proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) model considering physical parameters’ delay effect was established based on Cattaneo theory. According to the model, the transient behaviors of voltage and key physical quantities were investigated under various temperatures, relative humidity and current loads. Furthermore, based on the extended irreversible thermodynamic (EIT), a new parameter was introduced to evaluate the voltage and multi-physical transient behaviors within the same framework. Results showed that the trade-off between voltage and multi-physical transient behaviors can be effectively balanced by controlling the total entropy generation rate. Besides, it was also emphasized that PEMFC can achieve excellent overall transient behavior at membrane thickness of 10 μm and gas diffusion layers (GDL) porosity of 0.6. All these not only provide a new way for describing transient behaviors of PEMFC, but also contribute to PEMFC online fault diagnosis.
中文翻译:
从扩展不可逆热力学的角度研究 PEMFC 中的瞬态行为
对于车用燃料电池来说,其瞬态行为不仅直接决定了车体的实际性能,还影响着燃料电池的运行稳定性和耐久性。由于缺乏有效的瞬态性能检测方法,难以优化和控制汽车燃料电池的瞬态行为。针对这一问题,基于 Cattaneo 理论建立了考虑物理参数延迟效应的一维、两相、非等温质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 模型。根据该模型,研究了电压和关键物理量在不同温度、相对湿度和电流负载下的瞬态行为。此外,基于扩展不可逆热力学 (EIT),引入了一个新参数来评估同一框架内的电压和多物理瞬态行为。结果表明,通过控制总熵生成速率,可以有效平衡电压和多物理瞬态行为之间的权衡。此外,还强调 PEMFC 可以在 10 μm 的膜厚度和 0.6 的气体扩散层 (GDL) 孔隙率下实现出色的整体瞬态行为。这些不仅为描述 PEMFC 的瞬态行为提供了一种新方法,也有助于 PEMFC 在线故障诊断。
更新日期:2024-12-12
中文翻译:
从扩展不可逆热力学的角度研究 PEMFC 中的瞬态行为
对于车用燃料电池来说,其瞬态行为不仅直接决定了车体的实际性能,还影响着燃料电池的运行稳定性和耐久性。由于缺乏有效的瞬态性能检测方法,难以优化和控制汽车燃料电池的瞬态行为。针对这一问题,基于 Cattaneo 理论建立了考虑物理参数延迟效应的一维、两相、非等温质子交换膜燃料电池 (PEMFC) 模型。根据该模型,研究了电压和关键物理量在不同温度、相对湿度和电流负载下的瞬态行为。此外,基于扩展不可逆热力学 (EIT),引入了一个新参数来评估同一框架内的电压和多物理瞬态行为。结果表明,通过控制总熵生成速率,可以有效平衡电压和多物理瞬态行为之间的权衡。此外,还强调 PEMFC 可以在 10 μm 的膜厚度和 0.6 的气体扩散层 (GDL) 孔隙率下实现出色的整体瞬态行为。这些不仅为描述 PEMFC 的瞬态行为提供了一种新方法,也有助于 PEMFC 在线故障诊断。