Abstract

Diffusion boundary layer on the electrode surface of microfluidic fuel cells limits the mass transfer to the catalyst layer. Thus, investigation of the transient response of microfluidic fuel cell associated with the change in operating condition is not a trivial work. In this paper, transient characteristics of a microfluidic fuel cell upon changes in voltage load is investigated by applying a transient three-dimensional, two-phase and non-isothermal numerical model. Proposed model is developed with COMSOL multi-physics and governing equations are formulated based on the conservation laws for mass, momentum, species and electrical potentials. This model evaluates the effect of a dominant dynamic aspect of MFFC operation (mass transfer effect), accounts for transient convective and diffusive transport, and allows prediction of species concentration. Simulation results show that during step voltage change, the transient current lags behind voltage due to the time constant of reactant species transport. Also, simulation results show that the over/under shot of the current density occurs during the step change in the fuel cell voltage. The limited mass transport in the diffusion boundary layer causes a time delay between the voltage step change and the change of reactant distribution on the electrode surface. During the step voltage decrease/increase, the initial higher/lower reactant concentration on the electrode surface causes the over/under-shoot of current density. Simulation results show that the properties of the current over/undershoot can be varied according to the different values of functional parameters of the fuel cell.

中文翻译：

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微流控燃料电池的瞬态响应

摘要

微流体燃料电池的电极表面上的扩散边界层限制了向催化剂层的质量转移。因此，研究与工作条件的变化相关的微流体燃料电池的瞬态响应并不是一件容易的事。在本文中，通过应用瞬态三维，两相和非等温数值模型，研究了微流体燃料电池在电压负载变化时的瞬态特性。使用COMSOL多物理场开发提出的模型，并根据质量，动量，种类和电势的守恒律制定控制方程。该模型评估了MFFC操作的主要动态方面（质量转移效应）的影响，并考虑了瞬时对流和扩散输运，并可以预测物种浓度。仿真结果表明，在阶跃电压变化过程中，由于反应物迁移的时间常数，瞬态电流滞后于电压。而且，仿真结果表明，在燃料电池电压的阶跃变化期间，发生了电流密度的过高/不足。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化和电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，电流过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。仿真结果表明，在阶跃电压变化过程中，由于反应物迁移的时间常数，瞬态电流滞后于电压。而且，仿真结果表明，在燃料电池电压的阶跃变化期间，发生了电流密度的过高/不足。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化和电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，电流过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。仿真结果表明，在阶跃电压变化过程中，由于反应物迁移的时间常数，瞬态电流滞后于电压。而且，仿真结果表明，在燃料电池电压的阶跃变化期间，发生了电流密度的过高/不足。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化和电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，电流过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。由于反应物的传输时间常数，瞬态电流滞后于电压。而且，仿真结果表明，在燃料电池电压的阶跃变化期间，发生了电流密度的过高/过低的情况。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化与电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，当前过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。由于反应物的传输时间常数，瞬态电流滞后于电压。而且，仿真结果表明，在燃料电池电压的阶跃变化期间，发生了电流密度的过高/过低的情况。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化与电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，当前过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。仿真结果表明，电流密度的过高/过低发生在燃料电池电压阶跃变化期间。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化与电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，当前过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。仿真结果表明，电流密度的过高/过低发生在燃料电池电压阶跃变化期间。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化与电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，当前过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化与电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，当前过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。扩散边界层中有限的质量传输导致电压阶跃变化与电极表面上反应物分布的变化之间的时间延迟。在阶跃电压减小/增加期间，电极表面上初始的较高/较低的反应物浓度会导致电流密度的过冲/下冲。仿真结果表明，当前过冲/下冲的特性可以根据燃料电池功能参数的不同值而变化。