SOLAR-HYDROGEN POWERED PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELL (PEMFC) MODELING AND SIMULATION A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa In partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science by Sekarage Roshan Wickremaarachchi Supervised by: Prof. Lanka Udawatta Eng. Anura Wijayapala. Department of Electrical Engineering University of Moratuwa Sri Lanka 2010 94543 Abstract The main scope of this study provides a research insight on direct solar Hydrogen- proton exchange membrane fuel cell concept and the description of fuel cell operating principles is followed by a modeling and simulation of the current fuel cell technology together with issues concerning Hydrogen fuel. Appropriate applications for current and perceived potential advances of fuel cell technology are discussed. Fuel cell modeling is helpful for fuel cell developers because it can lead to fuel cell design improvements, as well as, better, and more efficient fuel cells. The model must be robust and accurate and be able to provide solutions to fuel cell problems quickly. A good model should predict fuel cell performance under a wide range of fuel cell operating conditions. Even a modest fuel cell model will have large predictive power. The necessary improvements for fuel cell performance and operation demand better design, materials, and optimization. These issues can only be addressed if realistic mathematical process models are available. Fuel cells are one of the cleanest and most efficient technologies for generating electricity. Since there is no combustion, there are none of the pollutants commonly produced by boilers and furnaces. For systems designed to consume hydrogen directly, the only products are electricity, water and heat. Fuel cells are an important technology for a potentially wide variety of applications including on-site electric power for households and commercial buildings; supplemental or auxiliary power to support car, truck and aircraft systems; power for personal, mass and commercial transportation; and the modular addition by utilities of new power generation closely tailored to meet growth in power consumption. These applications will be in a large number of industries worldwide. The theoretical development of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is discussed with the areas under electro chemistry, thermal distribution, and pressure. The particular simulations and modeling are discussed by using modeling software. D E C L A R A T I O N T h e w o r k s u b m i t t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e r e s u ! t o f m y o w n i n v e s t i g a t i o n , e x c e p t w h e r e o t h e r w i s e s t a t e d . I t h a s n o t a l r e a d y b e e n a c c e p t e d f o r a n y d e g r e e , a n d i s a l s o n o t b e i n g c o n c u r r e n t l y s u b m i t t e d f o r a n y o t h e r d e g r e e \ . l \ I ~~~ . . . \ , \ . - y~·'~ S e k a r a g e R o s h a n W i c k r e m a a r a c h c h i 1 6 D e c e m b e r 2 0 0 9 W e / I e n d o r s e t h e d e c l a r a t i o n b y t h e c a n d i d a t e . ' ( . / / ; . · - · j P r o f . L a n k a U d a w a t t a E n g . A n u r a w i j a y a p a l a . D e c l a r a t i o n A b s t r a c t C O N T E N T S A c k n o w l e d g e m e n t ( o p t i o n a l ) L i s t o f F i g u r e s L i s t o f T a b l e s L i s t o f P r i n c i p a l a b b r e v i a t i o n s I . I n t r o d u c t i o n I . I M o t i v a t i o n I . 2 G o a l s / S c o p e o f t h e F u e l c e l l C o n c e p t 1 . 3 W o r l d e n e r g y d e m a n d I . 4 V i s i o n o f H 2 C l e a n e n e r g y e c o n o m y b a s e d o n r e n e w a b l e i n C o m b i n a t i o n s I . 5 W h a t i s H y d r o g e n F u e l I . 6 P h y s i c a l a n d C h e m i c a l p r o p e r t i e s o f H 2 I . 7 H o w i s H 2 p r o d u c e d I . 7 . I R e f o r m a t i o n o f n a t u r a l G a s I . 7 . 2 B i o m a s s G a s i f i c a t i o n 1 . 7 . 3 C o a l G a s i f i c a t i o n I . 7 . 4 C a r b o n B l a c k a n d H y d r o g e n P r o c e s s 1 . 7 . 5 E l e c t r o l y s i s o f W a t e r 1 . 8 P E M b a s e d E l e c t r o l y z e r I . 9 H i s t o r y o f F C I . I 0 H y d r o g e n F u e l l e d P E M f u e l c e l l a p p l i c a t i o n s I . I 0 . I T r a n s p o r t a t i o n I . I 0 . 2 u n d e r w a t e r a p p l i c a t i o n s 1 . I 0 . 3 D i s t r i b u t e d p o w e r g e n e r a t i o n I . I 0 . 4 R e s i d e n t i a l P o w e r 1 . 1 0 . 5 P o r t a b l e p o w e r 2 . R e g e n e r a t i v e F u e l c e l l S y s t e m s e x p l a i n e d 2 . 1 I n t r o d u c t i o n t o t h e P E M F C 2 . 2 T y p e s o f F u e l c e l l s 2 . 1 . 1 P o l y m e r E x c h a n g e m e m b r a n e F u e l C e l l ( P E M F C ) 2 . 1 . 2 A l k a l i n e F u e l C e l l ( A F C ) 2 . 1 . 3 P h o s p h o r i c A c i d F u e l C e l l ( P A F C ) 2 . 1 . 4 S o l i d O x i d e F u e l C e l l ( S O F C ) 2 . 1 . 5 M o l t e n C a r b o n a t e F u e l C e l l ( M C F C ) 2 . 1 . 6 D i r e c t M e t h a n o l F u e l C e l l ( D M F C ) 2 . 3 S t r u c t u r e o f t h e F u e l c e l l 2 . 3 . 1 E l e c t r o d e L a y e r 2 . 3 . 2 G a s d i f f u s i o n L a y e r 2 . 3 . 3 C a t a l y s t L a y e r 2 . 3 . 4 B i p o l a r P l a t e s I V v V I V I I I I X 1 2 4 5 7 8 8 9 9 9 9 1 0 1 0 I O I I I 2 I 3 1 5 I 5 I 5 I 6 1 7 I 7 1 9 1 9 I 9 2 0 2 0 2 0 1 7 2 I 2 1 2 I 2 1 2 I I I 2 . 4 S t r u c t u r e o f t h e p o l y m e r e l e c t r o l y t e 2 2 2 . 5 W a t e r M a n a g e m e n t i n t h e P E M F C 2 4 2 . 5 . 1 O v e r V i e w o f t h e P r o b l e m 2 4 2 . 5 . 2 A i r f l o w a n d w a t e r e v a p o r a t i o n 2 4 2 . 6 O p e r a t i n g P r e s s u r e o f F C 2 6 2 . 6 . 1 O u t l i n e o f t h e P r o b l e m 2 6 3 . T h e o r e t i c a l D e v e l o p m e n t o f F u e l c e l l E l e c t r o - C h e m i s t r y 2 7 3 . 1 M a t h e m a t i c a l m o d e l o f F u e l c e l l i n t h e l i t e r a t u r e 2 7 3 . 1 . 1 C r e a t i n g M a t h e m a t i c a l M o d e l s 2 9 3 . 2 F u e l c e l l e l e c t r o c h e m i s t r y 3 1 3 . 2 . 1 I n t r o d u c t i o n 3 1 3 . 2 . 2 B a s i c e l e c t r o k i n e t i c C o n c e p t s 3 1 3 . 2 . 3 T h e v o l t a g e l o s s f o r t h e p o l a r i z a t i o n c u r v e 3 2 3 . 2 . 4 M o d e l i n g t h e c a t a l y s t L a y e r 3 5 3 . 2 . 5 T h e o h m i c v o l t a g e l o s s 4 0 4 . M o d e l i n g o f P E M F u e l c e l l H e a t a n d P r e s s u r e 4 2 4 . 1 F u e l c e l l t h e r m o d y n a m i c s 4 2 4 . 1 . 1 E n t r o p y o f H y d r o g e n o x y g e n a n d w a t e r i n t h e P E M f u e l c e l l 4 2 4 . 2 H e a t t r a n s f e r o f F u e l c e l l 4 3 4 . 3 E n e r g y b a l a n c e f o r F u e l C e l l L a y e r s 4 4 4 . 4 M o d e l i n g t h e t e m p e r a t u r e i n t h e I n t e r i o r l a y e r a n d G a s d i f f u s i o n l a y e r . 4 8 4 . 5 P r e s s u r e D r o p i n F l o w C h a n n e l s 5 0 5 . P E M F u e l c e l l S p e c i a l F e a t u r e s 5 2 5 . 1 C o m p r e s s i o n b e t w e e n b a t t e r i e s a n d f u e l c e l l s f o r P h o t o v o l t a i c s y s t e m b a c k u p s 5 2 5 . 2 E f f i c i e n c y a n d h y d r o g e n c o n s u m p t i o n e f f i c i e n c y 5 3 5 . 3 E f f i c i e n c y a n d f u e l c e l l v o l t a g e 5 5 5 . 4 W h y i s t h e e f f i c i e n c y o f P E M F C n o t 1 0 0 % 5 6 5 . 6 I m p l e m e n t a t i o n o f P E M F C s y s t e m 5 5 5 . 6 . 1 S o l a r h y d r o g e n F u e l c e l l s y s t e m f o r a H o m e 5 5 5 . 6 . 2 P E M F C s t a c k p r i n c i p l e 5 8 5 . 6 . 2 S o l a r H y d r o g e n F u e l c e l l B a s i c m o d e l 5 9 5 . 6 . 3 F u e l c e l l C o n c e p t M o d e l v e h i c l e 6 0 6 . C o n c l u s i o n s 6 2 R e f e r e n c e s 6 6 A p p e n d i x A G D L ( g a s d i f f u s i o n l a y e r ) M o d e l i n g 6 8 A p p e n d i x B U s e f u l F u e l C e l l E q u a t i o n s 7 3 A p p e n d i x C m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n M a t L a b P r o g r a m s 7 5 I l l A c k n ( l W i c d g c m c n t l i t e I J ! l d e r g r a d u a t c a , d p o s t g r a d u a t e s t u d i e s a i i \ r l l l a l ' n i v c r s i t y i n I n d i a a n d K a t u h c d d n l l n i v c r s i t y i n S r i l < 1 n k a r • . s p c c t i w l y \ \ C ! T a s p e c i l i c c . l l l d i t i o r ' ! ( l l · n t c t o p r o c e e d \ \ i t h a n u s e f i . J I 1 - c . s e m c h s t u d : <'~" t h i c : h : 1 L ' . S i m i l a r l y t h e c o u r s e n w t e r i ; t l s o l " t h e s t u d y p r o ) . ! r a m \ \ e r e ; t l s o h c l p l ' i l l t o m a k e a s u c c e s : ; i . l t l ; 1 c c c s s t o t h i s r e s e a r c h s t u d y i n I n d u s t r i a l i \ u t o m a t i o t l . \ l o s t i t n p o r t a n t l ) . ( ' l o s e s u r e r v J • ; t o n a w l g u i d : n t c l ' c m i c h c d t h e n J m ' C m c n t i n p o s J I J v c d i r e c t i o n i n l i n e w i t h t l t c r c s c n r c l t pn~po:.;al f i · m n t h e v c r : s t : H t \ \ i t h o u t a i l ) C ' . • l l l p l i c a t i o n : i l t h o u g l t t h e s : ; i d n " ; e a r c h s t u d y . t o ; 1 c c r t a i 1 1 c \ t c n t \ \ : t ' . ; : 1 d i n i c u l t t a s K . l~ut h c u 1 1 1 s e o f t h e r q ! J d : t r i n ' i l r w · t i i l l l " , u , c l g u i d L ' I H ' I ' " P I " s t 1 p c r v i s n r : P r o l i · < . . • ; o r I : m k : t l l d i i \ \ : J i t : J : 1 1 1 d I J t g . / \ J t i J r a \ \ ' i j l - p a l a . l . t w a s p o s s i b l e f o r 1 1 1 e t o o v c r c o l l l ' ' t h e c c l l t l . r n n t c d h a r r i e r - ; \ \ i t h o u t : 1 1 1 \ ' l l l t l c h l ' : ' 1 ( l r t . I n t h i s d i r L · c t ; o n , l ' r o l ' c s s o r . I . : 1 1 w k I l d a \ \ : l ! l a a n d F n g . i \ n m : 1 W i j e p : t l a o f T c r L ' d s o n t c u n l i m i t e d d i s c u " s i o n s : 1 n d s e s s i o n s w i t h o u t c o n s i d e r i n g ! h e t i m e L 1 c t N , w h i c h i n r c t u m c r e a t e d s o r n c f r i e n d l y e n v i r o n m e n t t o s o r t < • ! t t t h e r e l e v a n t s t u d i e s f m t h e r c s c ; t r c h . I < I C l l l l \ o l " l . n g i n e c r i f l ) . ! o r l l n i v n s i t y ( l r l ' v l o r a t l i \ V ( l . i s c : l t L ' g o r i c a l l y r L ' S I H ) J t s i h l c f i l l · t l t i < : : J c a d e l l l i c r e s e a r c h s t u d y . ( ' o n t r i h u t i o n s r l f f c r e d s u c h li~' c o t n l l l l l l t i c a t i o n o v e r t h e i s s u e s , l l n c o n d i t i o n a ! a c c e s s t o a n y c l a r i ! i c a t i o n . < 1 n d i n s t a n t g u i d a n c e b y t h e L k c t r i c a l l . n g i n e c r i n g d e p a r t m e n t a r c n o t t h a t ~implc a s f ' a r a s t h e C ( l l l l p l c t i ( l l i p w t p f t h i · ; rcsc:~rch S t l l d \ i s C O i l C L ' r t l C d . 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I s h o u l d t h a n k m a n y i i t d i v i d u a l s . f i · i c n d ' · < ! t H l c o l l e a ) 2 . 1 1 C S \ \ I t o h a v e n o t h c c n m e n t i o n e d h e r e p e r s n n ; ; l l y i n m a k i n g t h i s c d u c a t i o n . l l p r o c e s s a s u c c e s s . l ' v l : t y h e I c o u l d n o t h a v e m : t d e i t w i t h o u t y c : : r s u p p o r t : ; _ v L i s t o f F i g u r e s F i g u r e 1 . 1 I l l u s t r a t e s w i n d , s o l a r a n d h y d r o e l e c t r i c p o w e r . 1 . 2 E n e r g y C o n s u m p t i o n 1 . 3 P r i m a r y e n e r g y d e m a n d b y r e g i o n , ( % A A G R i s f o r 1 9 8 0 - 2 0 3 0 ) 1 . 4 W o r l d e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n b y f u e l 1 . 5 P e r c e n t a v e r a g e a n n u a l g r o w t h r a t e ( % A A G R ) 1 . 6 H y d r o g e n P r o d u c t i o n P a t h w a y s I . 7 E l e c t r i c a l p o w e r f r o m r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e s . 1 . 8 A s i m p l i f i e d d i a g r a m o f t h e P E M e l e c t r o l y z e r 1 . 9 T h e p r i n c i p l e o f a n e l e c t r o l y z e r . 1 . 1 0 T w o p r o t o t y p e a u t o m o b i l e s p o w e r e d b y f u e l c e l l s 1 . 1 1 F u e l c e l l b i c y c l e 1 . 1 2 F u e l c e l l a i r c r a f t 1 . 1 3 A s s e m b l e a l k a l i n e f u e l c e l l s f o r A p o l l o s p a c e c r a f t 1 . 1 4 F u e l c e l l B o a t 1 . 1 5 F u e l c e l l p o w e r e d m i n i n g v e h i c l e 1 . 1 6 A f u e l - c e l l d i s t r i b u t e d p o w e r p l a n t 1 . 1 7 A f u e l - c e l l p o w e r p l a n t f o r r e s i d e n t i a l a p p l i c a t i o n s 1 . 1 8 F u e l c e l l p o r t a b l e a p p l i c a t i o n s 2 . 1 S t r u c t u r e o f F u e l C e l l 2 . 2 F u e l C e l l S t r u c t u r a l r e a c t i o n s 2 . 3 T h e c o n s t r u c t i o n o f a n o d e / e l e c t r o l y t e / c a t h o d e a s s e m b l y 2 . 4 C o m p a c t e d S i n g l e c e l l P E M F C 2 . 5 S t r u c t u r e o f p o l y e t h y l e n e 2 . 6 S t r u c t u r e o f P T F E 2 . 7 s t r u c t u r e o f a s u l p h o n a t e d f l u o r o e t h y l e n e 2 . 8 T h e s t r u c t u r e o f N a f i o n - t y p e m e m b r a n e m a t e r i a l s 2 . 9 T h e d i f f e r e n t w a t e r m o v e m e n t s t o , w i t h i n , a n d f r o m t h e e l e c t r o l y t e o f a P E M f u e l c e l l 2 . 1 0 S i m p l e m o t o r d r i v e n a i r c o m p r e s s o r a n d P E M f u e l c e l l . 3 . 1 P a r a m e t e r s t h a t m u s t b e s o l v e d f o r i n a m a t h e m a t i c a l m o d e l 3 . 2 M o d e l - b u i l d i n g s e q u e n c e 3 . 3 F u e l c e l l e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s a t t h e e l e c t r o l y t e a n d e l e c t r o d e 3 . 4 A P o l a r i z a t i o n c u r v e g e n e r a t e d i n M A T L A B 3 . 4 8 P o w e r c u r v e g e n e r a t e d i n M A T L A B 3 . 5 . A C e l l c u r r e n t a s a f u n c t i o n o f e f f e c t i v e n e s s f a c t o r 3 . 5 . B B u t l e r - V o l m e r a c t i v a t i o n l o s s e s 3 . 5 . C P o l a r i z a t i o n c u r v e 3 . 5 . D S u p e r f i c i a l f l u x d e n s i t y o f H y d r o g e n P a g e 3 5 6 6 7 9 1 0 1 I I 1 1 3 1 3 1 3 1 4 1 4 1 4 1 5 1 6 1 6 1 8 1 9 2 1 2 2 2 2 2 3 2 3 2 3 2 5 2 6 2 8 3 0 3 1 3 4 3 4 3 8 3 8 3 9 3 9 V I 3 . 6 O h m i c l o s s a s a f u n c t i o n o f f u e l c e l l a r e a 4 1 4 . 1 H y d r o g e n a n d O x y g e n e n t r o p i e s a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e 4 3 4 . 2 S t a c k i l l u s t r a t i o n f o r h e a t f l o w s t u d y 4 4 4 . 3 F u e l c e l l l a y e r a s a c o n t r o l v o l u m e 4 5 4 . 4 T e m p e r a t u r e p l o t s f o r t = 6 0 , 3 0 0 , a n d I 0 0 0 s e c u s i n g 7 s l i c e s p e r l a y e r 4 7 4 . 5 T h e s i m p l i f i e d g e o m e t r y o f G D L 4 8 4 . 6 3 0 P l o t o f T e m p e r a t u r e i n I n t e r i o r l a y e r 4 9 4 . 7 T e m p e r a t u r e i n G a s D i f f u s i o n L a y e r 4 9 5 . 1 T h e o v e r a l l l o s s e s I n P E M F C s y s t e m 5 6 5 . 2 S o l a r h y d r o g e n F u e l c e l l s y s t e m f o r a H o m e 5 7 5 . 3 F u e l c e l l b a s i c m o d e l 5 9 5 . 4 F u e l c e l l C o n c e p t c a r 6 0 V I I L i s t o f T a b l e s T a b l e P a g e 1 . 1 H y d r o g e n d e n s i t y 8 1 . 2 H y d r o g e n P r o p e r t i e s 8 1 . 3 H y d r o g e n d e n s i t y c o m p a r e d t o o t h e r f u e l s 8 1 . 4 H i s t o r y o f F u e l c e l l D e v e l o p m e n t 1 2 3 . 1 C o m p a r i s o n o f R e c e n t M a t h e m a t i c a l M o d e l s 2 9 3 . 2 P a r a m e t e r s f o r d e r i v a t i o n 3 5 4 . 1 M a t e r i a l P r o p e r t i e s U s e d f o r H e a t T r a n s f e r C a l c u l a t i o n s 4 6 5 . 1 E f f i c i e n c y a n d h y d r o g e n c o n s u m p t i o n 5 3 5 . 2 E f f i c i e n c y l i m i t s f o r P E M F C 5 5 5 . 3 T h e p r o p e r t i e s o f t h e F u e l c e l l 5 7 5 . 4 C o s t a n a l y s i s o f t h e S o l a r - H y d r o g e n F C s y s t e m f o r a H o m e 5 8 5 . 5 P E M F C E x p e r i m e n t a l d a t a 5 9 V I I I • L i s t o f P r i n c i p a l A b b r e v i a t i o n s D M F C E M F H H V L H V M C F C M E A M O S F E T N A S A P A F C P E M P E M F C P T F E S O F C C B & H G E A F C G D L P V D i r e c t m e t h a n o l f u e l c e l l E l e c t r o m o t i v e f o r c e H i g h e r h e a t i n g v a l u e L o w e r h e a t i n g v a l u e M o l t e n c a r b o n a t e ( e l e c t r o l y t e ) f u e l c e l l M e m b r a n e e l e c t r o d e a s s e m b l y M e t a l o x i d e s e m i c o n d u c t o r f i e l d - e f f e c t t r a n s i s t o r N a t i o n a l A e r o n a u t i c s a n d S p a c e A d m i n i s t r a t i o n P h o s p h o r i c a c i d ( e l e c t r o l y t e ) f u e l c e l l P r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e o r p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e - d i f f e r e n t n a m e s f o r t h e s a m e t h i n g w h i c h f o r t u n a t e l y h a v e t h e s a m e a b b r e v i a t i o n P r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e f u e l c e l l o r p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e f u e l c e l l P o l y t e t r a t l u o r o e t h y l e n e S o l i d o x i d e f u e l c e l l C a r b o n B l a c k & H y d r o g e n P r o c e s s G e n e r a l E l e c t r i c A l k a l i n e F u e l C e l l s G a s D i f f u s i o n L a y e r P h o t o v o l t a i c I X . . . . C h a p t e r 1 I n t r o d u c t i o n l l y d r u g e n a n d F u e l c e l l s a n : s e t t o b e c o m e t h e l a t e s t p~)wer s o l u t i o n o r t h e f u t u r e . T h e i n t e r e s t i n h y d r o g e n a n d f u e l c e l l s h a s i n c r e a s e d d u r i n g t h e p a s t d e c a d e d u e t o t h e E t c t t h a t t h e u s e o f f o s s i l f u e l s C o r p o w e r h a s r e s u l t e d i n m a n y n e g a t i v e c o n s e q u e n c e s . S o m e o f t h e s e i n c l u d e s e v e r e p o l l u t i o n . e x t e n s i v e m i n i n g o f t h e \ ; \ ; ' O r l d ' s r e s o u r c e s a n d p o l i t i c a l c o n t r o l a n d d o m i n a t i o n o f c o u n t r i e s t h a t h a v e e x t e n s i v e r e s o u r c e s . A n e w p o w e r s o u r c e i s n e e d e d t h a t i s e n e r g y e f f i c i e n t . h a s l o w p o l l u t a n t e m i s s i o n s . a n d h a s a n u n l i m i t e d s u p p l y o f f u e l . l l y d r o g e n a n d f u e l c e l l s a r e n o v , c c l o s e r t o c o m m e r c i a l i z a t i o n t h a n e v e r . a n d t h e y h a v e t h e a b i l i t y t o f u l f i l l a l l o f t h e g l o b a l p o w e r n e e d s w h i l e m e e t i n g t h e e f f i c a c y a n d e n v i r o n m e n t a l e x p e c t a t i o n s . l n t o d a y \ ; e n e r g y s u p p l y s y s t e m . e l e c t r i c i t y . g a s o l i n e . d i e s e l f u e L a n d n a t u r a l g a s s e r v e a s e n e r g y c a r r i e r s . T h e s e c a r r i e r s a r e m a d e b y t h e c o n v e r s i o n o f p r i m a r y e n e r g y s o u r c e s . s u c h a s L : o a l . p e t r o l e u m . u n d e r g r o u n d m e t h a n e . a n d n u c l e a r e n e r g y . i n t o a n e n e r g y f l m n t h a t i s e c 1 s i \ y t r a n s p o r t e d a n d d e l i v e r e d i n a u s a b l e f o r m t o i n d u s t r i a L c o m m e r c i a L r e s i d e n t i a L a n d t r a n s p l l r t a t i o n e n d u s e r s . T h e s u s t a i n a b k e n e r g y s u p p l y s y s t e m o f t h e f u t u r e f e a t u r e s e l e c t r i c i t y a n d h y d r o g e n a s t h e d o m i n a n t e n e r g y c a r r i e r s [ 1 ] . H y d r o g e n w o u l d b t : p r o d u c e d ! ' r o m a v e r y d i v e r s e b a s e o f p r i m a r y e n e r g y f e e d s t o c k s u s i n g t h e r e s o u r c e s a n d p r o c e s s e s t h a t a r e m o s t e c o n o m i c a l o r c o n s c i o u s l y p r e f e r r e d . M e t h o d s t o p r o d u c e h y d r o g e n f r o m n a t u r a l g a s a r e w e l l d e v e l o p e d a n d a c c o u n t f o r o v e r 9 5 % o f a l l h y d r o g e n p r o d u c e d a n d 4 8 < Y t ) g l o h a \ \ y [ 2 j . I t i s a n t i c i p a t e d t h a t h y d r o g e n f r o m n a t u r a l g a s c a n s e r v e a s a f o u n d a t i o n t o t h e \ \ O r l d t r a n s i t i o n t o a h y d r o g e n e n e r g y e c o n o m y . F u e l c e l l t e c h n o l o g y i s a n e w c o n c e p t \ v h i c h i s s t i l l u n d e r t h e r e s e a r c h a n d d e v e l o p m e n t s . I n s u c h a s i t u a t i o n s c i e n t i s t s a n d d e v e l o p e r s a r e s t r u g g l i n g t o o v e r c o m e t h e i s s u e s v v i t h f u d c e l l s . P E M F u e l c e l l m o d e l i n g i s h e l p f u l f o r f u e l c e l l d e v e l o p e r s b e c a u s e i t c a n l e a d t o f u e l c e l l d e s i g n i m p r o v e m e n t s , a s w e l l a s c h e a p e r . b e t t e r . a m i m o r e e f J i c i e n t f u e l c e l l s . E l e c t r o c h e m i c a l a n d t h e r m a l m o d e l i n g i n P E M f C i s v e r y e s s e n t i a l f o r f u r t h e r d e v e l o p m e n t n f ' F C t e c h n o l o g y . F l u i d d y n a m i c s y s t e m i s a l r e a d y m o d e l e d i n p r e v i o u s r e s e a r c h e s . l J ] . T h e m o d e l m u s t b e r o b u s t a n d a c c u r a t e a n d l x : a b l e t o p r o v i d e s o l u t i o n s t o f u e l c e l l p r o b l e m s q u i c k l y . E l e c t r o c h e m i c a l m o d e l i n g c a n b e f o u n d i n p r e v i o u s r e s e a r c h e s f o r d i r e c t m e t h a n o l f u e l c e l l r 4 J . A g o o d m o d e l s h o u l d p r e d i c t f u e l c e l l p e r f o r m a n c e u n d e r a w i d e r a n g e o f f u e l c e l l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . E v e n a m o d e s t f u e l c e l l m o d e l w i l l h a v e l a r g e p r e d i c t i v e p o w e r . A f e w i m p o r t a n t p a r a m e t e r s t o i n c l u d e i n a f u e l c e l l m o d e l a r e t h e c e l l . f u e l a n d o x i d a n t t e m p e r a t u r e s . t h e f u e l o r o x i d a n t p r e s s u r e s . t h e c e l l p o t e n t i a l . a n d t h e w e i g h t f r a c t i o n o f e a c h r e a c t a n t . T h e n e c e s s a r y i m p r o v e m e n t s f o r f u e l c e l l p e r f o r m a n c e a n d o p e r a t i o n d e m a n d b e t t e r d e s i g n . m a t e r i a l s . a n d o p t i m i z a t i o n . T h e s e i s s u e s c a n o n l y b e a d d r e s s e d i f r e a l i s t i c m a t h e m a t i c a l p r o c e s s m o d e l s a r c a v a i l a b l e . T h e r e a r e m a n y p u b l i s h e d m o d e l s f o r P E M f u e l c e l l s i n t h e l i t e r a t u r e . b u t i t i s o f t e n a d a u n t i n g t a s k f o r n n e w c o m e r t o t h e f i e l d t o b e g i n u n d e r s t a n d i n g t h e c o m p l e x i t y o f t h e c u r r e n t m o d e l s . l . l \ l o t i \ a t i o n F u s s i l f u e l s a r e l i m i t e d i n s u p p l y . a n d a r e l o c a t e d i n s e l e c t r e g i o n s t h r o u g h o u t t h e w o r l d . T h i s l e a d s t o r e g i o n a l c o n t 1 i c t s a n d w a r s w h i c h t h r e a t e n p e a c e . T h e l i m i t e d s u p p l y a n d l a r g e d e m a n d \ \ ' i l l c a u s e t h e c o s t o f f o s s i l f u e l s t o c o n t i n u e t o i n c r e a s e . T h e r e f o r e . t h e e n d o f l o w c o s t o i l i s r a p i d l y a p p r o a c h i n g . F o s s i l f u e l s a r e c u r r e n t l y n e e d e d i n o r d e r t o s u s t a i n o u r c u r r e n t l i v i n g c o n d i t i o n s . H o w e v e r . b y u s i n g t h e m . p e o p l e . p l a n t s a n d a n i m a l s a r e s u t l e r i n g ! w m t h e s i d e e f f e c t s o f t h e s e f u e l s . W a s t e p r o d u c t s f r o m t h e s e f u e l s h e a t t h e e a r t h · s a t m o s p h e r e a n d p o l l u t e t h e e a r t h · s a i r . w a t e r a n d g r o u n d . T h i s r e s u l t s i n d e c r e a s e d l i v i n g c o n d i t i u n s f o r a l l s p e c i e s o f t h e e a r t h . T h e r e a r e b o t h e c o n o m i c a n d e n v i r o n m e n t a l r e a s o n s f o r d e v e l o p i n g a l k r n a t i v e e n e r g y t e c h n o l o g i e s . A s t r o n g i n t e r e s t i n a l t e r n a t i v e e n e r g y s o u r c e s f i r s t o c c u r r e d i n t h e 1 9 7 0 ' s w h e n c r u d e o i l w a s s u d d e n l y i n s h o r t s u p p l y . E v e n t h o u g h t h e r e s t i l l s e e m e d t o - b e p l e n t y o f f o s s i l s f u e l s k 1 1 t o m i n e i t a w a k e n e d t h e w o r l d t o t h e f a c t t h a t t h e s u p p l i e s a r e l i m i t e d a n d e v e n t u a l l y w i l l r u n o u t . D u r i n g t h e p a s t d e c a d e . t h e r e h a s b e e n a n i n c r e a s e d i n t e r e s t i n e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y a n d m o r e e f l i c i e n t p o w e r p r o d u c t i o n . T h i s i n t e r e s t h a s r a p i d l y e x p a n d e d r e s e a r c h i n a l t e r n a t i \ e f u e l s a n d p o w e r s o u r c e s r s ] . T h e r e l i a n c e u p o n t h e c o m b u s t i o n o f f o s s i l f u e l s h a s r e s u l t e d i n s e v e r e a i r p o l l u t i o n a n d e x t e n s i v e m i n i n g o f t h e w o r l d " s o i l r e s o u r c e s . I n a d d i t i o n t o b e i n g h a z a r d o u s t o o u r e c o s y s t e m . a n d t h e h e a l t h o f m a n y s p e c i e s . t h e p o l l u t i o n i s a l s o c h a n g i n g t h e a t m o s p h e r e o f t h e w o r l d . T h i s t r e n d i s c a l l e d g l o b a l w a r m i n g . a n d w i l l c n n t i n u e t o b e c o m e w o r s e d u e t o t h e i n c r e a s e i n t h e c o m b u s t i o n o f f o s s i l f u e l s t ' l ) r e l e c t r i c i t y d u e t o t h e g r o w i n g w o r l d p o p u l a t i o n . T h e \ V o r l d n e e d s a p o w e r s o u r c e t h a t h a s l o w p o l l u t a n t e m i s s i o n s . i s e n e r g y - e f f i c i e n t . a n d h a s a n u n l i m i t e d s u p p l y o f f u e l f o r a r i s i n g w o r l d p o p u l a t i o n . M a n y a l t e r n a t i v e e n e r g y t e c h n o l o g i e s h a v e b e e n r e s e a r c h e d a n d d e v e l o p e d . T h e s e i n c l u d e s o l a r . w i n d . h y d r o e l e c t r i c p o w e r . b i o e n e r g y . g e o t h e r m a l e n e r g y a s w e l l a s m a n y o t h e r s . S o l a r c e l l s u s e t h e s u n t o g e n e r a t e e l e c t r i c i t y . \ V i n d p o w e r i s o b t a i n e d f r o m t h e k i n e t i c e n e r g y o f t h e w i n d a n d b i o e n e r g y i s e x t r a c t e d f r o m p l a n t s . T h e r e a r e a l s o r e n e w a b l e e n e r g i e s t h a t e x t r a c t g a s f i · o m b i o l o g i c a l w a s t e a n d h a r n e s s e n e r g y f r o m o c e a n w a v e s . E a c h o f t h e s e a l t e r n a t i v e e n e r g y s o u r c e s h a s i t s a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s a n d a l l a r e i n v a r y i n g s t a g e s o f d e v e l o p m e n t . I t i s a d \ ' a n t a g e o u s f o r P u r e a r t h a n d a l l o f t h e s p e c i e s t h a t i n h a b i t i t t o b e c o n s c i o u s o f t h e e n e r g y t h a t w e a r e u s i n g . T h e R e n e w a b l e E n e r g y e x p l o r e s a l l o f t h e b a s i c r e n e w a b l e e n e r g y t e c h n o l o g i e s s u c h a s w i n d . s o l a r . e l e c t r o l y z e s a n d P E M f u e l c e l l w i t h a h y d r o g e n s t o r a g e s y s t e m . T h i s d e m o n s t r a t e s h o w r e n e w a b l e e n e r g y c a n b e t r a n s f o r m e d a n d u t i l i z e d . T h e s e t y p e s o f e n e r g y c a n b e n a t u r a l l y r e p l e n i s h e d b y o u r e n v i r o n m e n t . T o d a y e n e r g y i s u s e d f o r t h r e e p u r p o s e s , e l e c t r i c i t y . h e a t a n d m o v e m e n t ( t r a n s p o r t a t i o n ) . M o s t o f t h e w o r l d ' s e n e r g y c o m e s f r o m f o s s i l f u e l s l i k e c o a l , o i l a n d n a t u r a l g a s . O t h e r s o u r c e s l i k e n u c l e a r p o w e r a n d d i f f e r e n t r e n e w a b l e s o u r c e s a l s o s u p p l i e s e n e r g y . M o d e r n w o r l d i s l o o k i n g f ' l ' r a r e n e w a b l e e n e r g y s y s t e m d u e t o f ' l ) l l o w i n g f a c t s . ' " ) F i g u r e s 1 . 1 - I l l u s t r a t e w i n d , s o l a r a n d h y d r o e l e c t t · i c p o w e r . 1 . P o l l u t i o n : T h e b u r n i n g o f f o s s i l f u e l s p o l l u t e s . C 0 2 i s t h e m o s t t h r e a t e n i n g e m i s s i o n c r e a t i n g t h e s o c a l l e d g r e e n h o u s e e f f e c t c a u s i n g g l o b a l w a r m i n g . O t h e r e m i s s i o n s f r o m f o s s i l f u e l s l i k e S 0 2 • N C \ . C O . P A H . B e n z e n e . H C a n d m o r e . a l s o r e s u l t i n l o c a l p o l l u t i o n c a u s i n g . s m o g . a c i d r a i n a n d a f f e c t i n g h u m a n h e a l t h , e s p e c i a l l y i n l a r g e c i t i e s . 2 . O i l d e p l e t i o n : O i l i s t h e m o s t i m p o r t a n t r e s o u r c e , f u e l l i n g o u r f r e e d o m t o t r a n s p o r t o u r s e l v e s e a s i l y . O i l t h e r e f o r e i s v e r y v a l u a b l e f o r t h o s e c o u n t r i e s t h a t p r o d u c e i t , a n d a n i n c r e a s i n g c o s t f o r t h o s e n o t . H o w e v e r . o i l i s n o t a n i n e x h a u s t i b l e r e s o u r c e . S e v e r a l c o u n t r i e s a r e f a c i n g h i g h e r c o s t o f i m p o r t e d o i l t h u s r e l y i n g m o r e o n n o n d o m e s t i c r e s o u r c e s . A t t h e s a m e t i m e o i l p w d u c t i o n i s a b o u t t o p e a k . m e a n i n g t h a t p r o d u c t i o n w i l l s o o n k e e p f a l l i n g . T o k e e p u p t h e g l o b a l p r o g r e s s a n d p r o s p e r i t y a c h a n g e t o a m o r e s u s t a i n a b l e a n d c l e a n e n e r g y s y s t e m i s n e e d e d . A h y d r o g e n a n d f u e l c e l l h o l d s t h e p o t e n t i a l t o c r e a t e t h i s f u t u r e . H y d r o g e n i s o n e o f t h e m o s t p r o m i s i n g f u e l s i n t h e f u t u r e e n e r g y m i x . T h e r e i s n o a l t e r n a t i v e f u e l o p t i o n a \ ' a i l a b l e w i t h t h e s a m e a d v a n t a g e s . 3 . C l e a n : W h e n p r o d u c e d f r o m r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e s . h y d r o g e n i s t h e c l e a n e s t f u e l w e h a v e a t o u r d i s p o s a l . W h e n u s e d i n a c o m b u s t i o n e n g i n e , h y d r o g e n b u r n s t o p r o d u c e o n l y w a t e r v a p o r . T h e h e a t g e n e r a t e d i n t h i s r e a c t i o n i s s u f f i c i e n t t o p r o d u c e l e v e l s o f n i t r o g e n o u s e m i s s i o n s t h a t c a n b e k e p t e x t r e m e l y l o w . W h e n u s e d i n a f u e l c e l l , h y d r o g e n c o m b i n e s w i t h o x y g e n t o f o r m w a t e r v a p o r . T h i s r e a c t i o n t a k e s p l a c e a t l o w e r t e m p e r a t u r e s a n d s o t h e o n l y w a s t e p r o d u c t f r o m h y d r o g e n f u e l l e d f u e l c e l l i s w a t e r v a p o r . I t i s p u r e H 2 0 . s a f e e n o u g h t o d r i n k ! 4 . S a k : H y d r o g e n i s a f u e l . a n d l i k e a n y f u e l i t h a s h i g h e n e r g y c o n t e n t . I t s i n h e r e n t s a f e t y i s n e i t h e r m u c h g r e a t e r n o r m u c h l e s s t h a n t h a t o f n a t u r a l g a s . g a s o l i n e o r L P G f o r e x a m p l e . A s l o n g a s a p p r o p r i a t e s a f e t y p r o c e d u r e s a r e f o l l o w e d , a s t h e y s h o u l d w i t h a n y f u e L h y d r o g e n i s i n d e e d a s a f e f u e l . R e m e m b e r t h a t h y d r o g e n h a s b e e n p r o d u c e d , t r a n s p o r t e d a n d u s e d i n i n d u s t r y f o r 0 \ e r 1 0 0 y e a r s . . . , . l ~. V l u l t i p l e S o u r c e s : O n e o r h y d r o g e n · s g r e a t e s t a d v a n t a g e s a s a f u e l i s t h a t t h e r e a r e m a n y w a y s t o p r o d u c e i t . u~mg b o t h r e n e w a b l e a n d t r a d i t i o n a l e n e r g y s o u r c e s . C 1 ! . n e r g y S e c u r i t y : ! h e r e l e v a n c e o r h y d r o g e n t o e n e r g y s e c u r i t y i s t h a t i t c a n o f f e r e n e r g y i n d e p e n d e n c e . l ~1ng h y d r o g e n i n c o n j u n c t i o n w i t h f u e l c e l l s e m p o w e r s c o u n t r i e s t o i n v e s t i n a s u s t a i n a b l e e n e r g y i n f r a s t r u c t u r e t h a t i s m a t c h e d w i t h t h e i r e n e r g y p r o d u c t i o n c a p a b i l i t i e s a n d d e m a n d s . I n a s s o c i a t i o n w i t h d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o n . h y d r o g e n f u e l e n a b l e s i n d i v i d u a l h \ l l l 1 e s a n d c o m m u n i t i e s t o m a n a g e t h e i r o w n e n e r g y s u p p l y . T h i s r e d u c e s d e p e n d e n c e o n e n e r g y i n f r a s t r u c t u r e s s u c h a s l a r g e - s c a l e p o w e r s t a t i o n s . n a t i o n a l g r i d s . a n d l o n g d i s t a n c e p i p e l i n e s . T h i s l a r g e s c a l e i n f r a s t r u c t u r e c a n b e c o s t l y t o s e c u r e . a n d e x p e n s i v e t o m a i n t a i n . 7 . 1 - : J n i r o n m c n t a l : T h e l o n g t e r m e n v i r o n m e n t a l b e n e f i t s o f u s i n g h y d r o g e n a s a f u e l a r e e n o r m o u s . H y d r o g e n f u e l p r o d u c e s f e w p o l l u t a n t s w h e n b u r n t . a n d n o n e a t a l l w h e n u s e d i n a f u e l c e l l . H y d r o g e n i s a c a r b o n f r e e f u e l . a n d w h e n p r o d u c e d u s i n g r e n e w a b l e e n e r g y . t h e w h o l e e n e r g y s y s t e m c a n b e c o m e c a r b o n n e u t r a l . o r e v e n c a r b o n f r e e S o . h y d r o g e n f u e l c a n c o n t r i b u t e t o r e d u c i n g G r e e n H o u s e G a s e m i s s i o n s a n d c a n r e d u c e t h e p r o d u c t i o n o f m a n y t o x i c p o l l u t a n t s . H . E c o n o m i c : H y d r o g e n h a s b e e n p r o d u c e d a n d u s e d b y i n d u s t r y f o r o v e r a h u n d r e d y e a r s . T h e t e c h n o l o g y r e q u i r e d t o d e p l o y w i d e s c a l e a v a i l a b i l i t y o f h y d r o g e n f u e l i s a v a i l a b l e t o d a y . T l w s p e e d t o v v h i c h t h e s e t e c h n o l o g i e s a r e d e p l o y e d w i l l d e p e n d o n t h e a v a i l a b i l i t y o r \ e h i c l e s t h a t u s e h y d r o g e n f u e l . T h e s e v e h i c l e s a r e p r e s e n t l y o n l y p r o d u c e d i n s m a l l n u m b e r s a n d a s a r e s u l t a r e i n h e r e n t l y c o s t l y t o m a n u f a c t u r e . T o a i d w i t h t h e t r a n s i t i o n t o h y d r o g e n a n d f u e l c e l l v e h i c l e s . t h e s e t e c h n o l o g i e s n e e d t o b e a b l e t o i n t e g r a t e a n d c o m p e t e \ \ i t h e x i s t i n g t e c h n o l o g i e s w h i c h h a v e h a d t h e b e n e f i t o f m a n y y e a r s o f m a s s m a n u f a c t u r i n g a n d d i s t r i b u t i o n . 1 . 2 S c o p e o f t h e F u e l c e l l c o n c e p t T h e m a i n s c o p e i n t h i s p r o v i d e s a r e s e a r c h o n H y d r o g e n a n d p r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e f u e l c e l l c o n c e p t . A d e s c r i p t i o n o f f u e l c e l l o p e r a t i n g p r i n c i p l e s i s f o l l o w e d b y a M o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n o f t h e c u r r e n t f u e l c e l l t e c h n o l o g y t o g e t h e r w i t h i s s u e s c o n c e r n i n g H y d r o g e n f u e L A p p r o p r i a t e a p p l i c a t i o n s f o r c u r r e n t a n d p e r c e i v e d p o t e n t i a l a d v a n c e s o f f u e l c e l l t e c h n o l o g y a r e d i s c u s s e d . C u r r e n t e n e r g y t e c h n o l o g i e s i n w o r l d . i n c l u d e f o s s i l f u e l s s u c h a s c o a l . o i L g a s . a s w e l l a s t h e h e a t e n g i n e a n d b a t t e r i e s . C o a l . o i l a n d g a s a r e f o r e s e e n t o b e i n s h o r t s u p p l y i n t h e n e a r f u t u r e . a s t h e w o r l d p o p u l a t i o n g r o w s r a p i d l y a n d t h e a m o u n t o f f u e l u s e d i n c r e a s e s . S o m e o f t h e d i s a d v a n t a g e s o f f o s s i l f u e l s i n c l u d e : T h e m a j o r c o n c e p t o f t h i s r e s e a r c h t o i n t r o d u c e r e n e w a b l e a n d s u s t a i n a b l e e n e r g y s o l u t i o n t o f u l f i l l t h e f o l l o w i n g d i f f i c u l t i e s w h i c h a r i s e f r o m t h e f o s s i l a n d r e s t f u e l s . I . ' i o i l - r e n c w a b l c : F o s s i l f u e l s a r e n o n - r e n e w a b l e r e s o u r c e s t h a t t a k e m i l l i o n s o f y e a r s t o f o r m . T h e r e f o r e . o n c e t h e r e s e r v e s a r e d e p l e t e d . t h e r e i s n o w a y t o o b t a i n m o r e . 2 . P o l l u t i o n : C a r b o n d i o x i d e i s e m i t t e d b y f o s s i l s f u e l s w h i c h a r e t h e m a i n c o n t r i b u t o r t o t h e g r e e n h o u s e e f f e c t . C o a l g i v e s o f f b o t h c a r b o n d i o x i d e a n d s u l p h u r d i o x i d e a n d s u l p h u r t r i o x i d e . w h i c h c r e a t e s a c i d r a i n . T h e a c i d r a i n c a n l e a d t o t h e d e s t r u c t i o n o f f o r e s t s . a n d t h e e r o s i o n o f r o c k 4 a n d m a s o n r y s t r u c t u r e s . C r u d e o i l h a s t o x i c c h e m i c a l s t h a t c a u s e a i r p o l l u t i o n w h e n c o m b u s t e d . j _ D e s t r u c t i o n o f l a n d : T h e m i n i n g o f c o a l r e s u l t s i n t h e d e s t r u c t i o n o f l a n d . · l D a n g e r o u s : T h e m i n i n g o f c o a l i s c o n s i d e r e d o n e o f t h e m o s t d a n g e r o u s j o b s i n t h e w o r l d . : ' . P l a n t ! t ' G t t i o n : I n o r d e r t o b u r n e n o u g h f o s s i l f u e l s t o p r o v i d e e n e r g y f o r t h e g r i d , t r a i n l o a d s o f f u e l a r e n e e d e d o n a r e g u l a r b a s i s . T h e r e f o r e . t h i s m e a n s t h a t t h e p l a n t s s h o u l d b e n e a r f o s s i l f u e l r c s e n · c s . ( J O i l s p i l l s : O i l s p i l l s o c c u r . a n d c a u s e p o l l u t i o n a n d e n v i r o n m e n t a l h a z a r d s . T h e y r e s u l t i n c a t a s t r o p h i c e f f e c t s o n m a r i n e l i f e f o r m a n y y e a r s . 7 . P o l i t i c s : M a n y o f t h e c o u n t r i e s t h a t h a v e o i l r e s e r v e s a r e p o l i t i c a l l y u n s t a b l e . N a t i o n s t h a t d o n o t h a v e r e s e r v e s a n d h a v e o i l d e p e n d e n c e m a y s e e k t o i n f l u e n c e p o l i t i c s o f t h o s e c o u n t r i e s f o r t h e i r o w n a d v a n t a g e . 1 . 3 W o r l d ' s e n e r g y d e m a n d T h e u s e o f f o s s i l f u e l s i n c r e a s e d r a p i d l y d u r i n g t h e t w e n t i e t h c e n t u r y . a n d h a s q u a d r u p l e d s i n c e t h e 1 9 7 0 s . T h e g l o b a l p o p u l a t i o n c o n s u m e s p e t r o l e u m p r o d u c t s a t a r a t e 1 0 0 . 0 0 0 t i m e s g r e a t e r t h a n t h e r a t e t h a t t h e y a r e f o r m e d r 2 . 5 ] . C h i n a i s c u r r e n t l y t h e t h i r d l a r g e s t c o n s u m e r o f o i L h o w e v e r . i f a C h i n e s e c i t i z e n c o n s u m e d o i l a t t h e s a m e r a t e a s a n A m e r i c a n c i t i z e n . C h i n a w o u l d n e e d 9 0 m i l l i o n b a r r e l s o f o i l p e r d a y t o s u s t a i n i t s n e e d s r 2 1 . A c c o r d i n g t o [ 5 ] . t h e t y p i c a l a m o u n t o f o i l p r o d u c e d i n o n e d a y i s a b o u t 8 0 m i l l i o n h a r r e l s . E n e r g y C o n s u m p t i o n ( Q u a c ! r i I l i o n B T U ) ~991) 1 n l ! ; ' ' " H l t l 1 9 9 ! i l O O l l 7 0 0 ! 1 l ( l 1 0 ; t D l ! \ 7 0 l ! O 2 0 ; 1 5 : . ' D : l O Y a i ' . l r F i g u r e 1 . 2 - E n e r g y C o n s u m p t i o n T h i s f i g u r e s h o w s t h e c u r r e n t a n d p r o j e c t e d e n e r g y c o n s u m p t i o n f r o m 1 9 8 0 - 2 0 3 0 [ 5 ] . I n t e r n a t i o n a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i s e s t i m a t e d t o i n c r e a s e b y 2 . 0 p e r c e n t p e r y e a r f r o m 2 0 0 3 t o 2 0 3 0 . T o t a l w o r l d w i d e e n e r g y u s e g r o w s f r o m 4 2 1 q u a d r i l l i o n B r i t i s h t h e r m a l u n i t s ( B T U ) i n 2 0 0 3 t o 5 6 3 q u a d r i l l i o n B T U i n 2 0 1 5 a n d 7 2 2 q u a d r i l l i o n B T U i n 2 0 3 0 . 5 " t l l l d c o < J 3 . 6 ~ • C l l i n a 3 . 2 ; " ' M < . i d l t ! E : o • l 2 . 9 5 1 0 " ' I att~ A m < J r i c a , - 2 . 3 ~ : 1 H < > s t o r A~ca 2 . 3 ! 1 \ f N : a I I J t I l l ! l 8 1 , 8 RC>s~of!ht' wolt'J~~II!!!] ? l t J £1~ 1 . 1 r·~.:::-~h : j , : " n l ) r - . : ; . a 1~0 l:.J'•J;:;t~0,5 ~ : 1 ! g o i l ; ; ~ ~ ~ F i g u r e 1 . 3 - P r i m a r y e n e r g y d e m a n d b y r e g i o n . ( % A A G R i s f o r 1 9 8 0 - 2 0 3 0 ) T h ( 1 1 1 u s t r a p i d g r o w t h i n e n e r g y d e m a n d f 1 · 0 1 n 2 0 0 3 t o 2 0 3 0 i s p r o j e c t e d f L J r A s i a . ( i n c l u d i n g C h i n a a n d I n d i a ) , C e n t r a l a n d S o u t h A m e r i c a , A f r i c a . t h e M i d d l e E a s t a n d E u r a s i a J 6 J . T h e e n e r g y r e q u i r e m e n t s f o r t h e s e n a t i o n s a r e i n c r e a s i n g b y 5 . 0 p e r c e n t p e r y e a r o n m e r a g e . T h e e n e r g y d e m a n d b y r e g i o n i s s h o w n i n F i g u r e 1 . 3 . I n e v e r y c o u n t r y . t h e r e a r e gruup~ t h a t s u p p o r t f ( ) s s i l f u e l t a x e s i n o r d e r t o r e d u c e t h e c o n s u m p t i o n o f f o s s i l f u e l s . T h e r e a r c a l s o g r o u p s t h a t a r e a d v o c a t e s o f a l t e r n a t i v e e n e r g y t e c h n o l o g i e s . M a n y e x p e r t s a r e e n c o u r a g i n g t h e r e d u c t i o n o f f o s s i l f u e l u s e f o r i n d u s t r i a l i z e d c o u n t r i e s . a n d a r e p w m l 1 t i n g t h e b u i l d i n g o f t h e i r i n f r a s t r u c t u r e t o a d o p t s u s t a i n a b l e . r e n e w a b l e s o u r c e s o f p o w e r . A p p r o x i m a t e l y 4 3 % o f t h e g l o b a l p o p u l a t i o n u s e o i l a s t h e i r p r i m a r y m e a n s o f o b t a i n i n g e n e r g y . N a t u r a l g a s f o l l o w s w i t h 1 5 % . w a s t e a n d c o m b u s t i b l e r e n e \ v a b l e a c c o u n t f o r 1 3 % . c o a l h a s 8 % . a n d a l t e r n a t i v e s o u r c e s o f e n e r g y ( i n c l u d i n g g e o t h e r m a L h y d r o a n d s o l a r ) t h e r e m a i n i n g 3 % a s i l l u s t r a t e d i n F i g u r e 1 . 4 . C o a l ' 1 i 1 l N a t u r a l G a s H y c l r o P o w e r ~Nuclear O i l % 1 4 , _ : 8 ; ; , . , C o a l N a t u r a l G a s R e n c w a b l e s N u c l c u r L i q u i d s F i g u r e 1 . 4 - W o r l d e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n b y f u e l D m i n g t h e I R t h a n d I 9 t h c e n t u r y . c o a l w a s t h e p r i m a r y f u e l u s e d d u r i n g t h e I n d u s t r i a l R e \ l ) l u t i o n . A f t e r a u t o m o b i l e s a n d h o u s e h o l d e l e c t r i c i t y b e c a m e p o p u l a r , o i l b e c a m e t h e p r i m a r y f u e l d u r i n g t h e t w e n t i e t h c e n t u r y . H o w e v e r , d u r i n g t h e l a s t f e w y e a r s . c o a l h a s b e c o m e t h e f a s t e s t g r o w i n g f o s s i l f u e l d u e t o t h e i n c r e a s e d c o n s u m p t i o n o f f o s s i l f u e l s i n C h i n a . A l t h o u g h t h e r e n e w a b l e f o r m s o f e n e r g y c u r r e n t l y h a v e a s m a l l p e r c e n t a g e o f t h e t o t a l e n e r g y c o n s u m p t i o n . t h e y h a v e t h e h i g h e s t a v e r a g e a n n u a l g r o w t h r a t e ( A A G R ) c o m p a r e d w i t h a l l o t h e r e n e r g y f o r m s a s s h o w n i n F i g u r e 1 - 5 . 6 R e n e , . v a b l e s f o r n · s o f e n e r g y = o s s i i - b a s e d f u e l s 0 0 5 ~. : · , ' ' ) 2 r , : : . F i g u r e 1 . 5 - P e r c e n t a v e r a g e a n n u a l g r o w t h r a t e ( % A A G R ) 1 A V i s i o n o f H y d r o g e n C l e a n E n e r g y E c o n o m y B a s e d o n R e n e w a b l e i n C o m b i n a t i o n M o s t o f t h e c u r r e n t e n e r g y n e e d s i n t h e w o r l d a r e b e i n g m e t b y f o s s i l f u e l s . T h e s e f u e l s a r c e a s i l y o b t a i n e d . s t o r e d . a n d t r a n s p o r t e d b e c a u s e o f t h e l a r g e a m o u n t o f m o n e y t h a t h a s b e e n u s e d t ( l c r e a t e . b u i l d . a n d m a i n t a i n t h e s y s t e m . D u e t o t h e c u r r e n t f u e l d i s t r i b u t i o n s y s t e m . t e c h n o l o g y h a s a d v a n c e d a t a f a s t e r p a c e d u r i n g t h e l a s t t w o c e n t u r i e s t h a n i n a l l o f r e w r d e d h i s t o r y . D e s p i t e a l l t h e a d v a n t a g e s f o s s i l f u e l s h a v e p r o v i d e d f o r o u r s o c i e t y . i t h a s a l s u h a d n e g a t i v e c t l e c t s o n t h e e n v i r o n m e n t s o m e o f w h i c h l i k e l y h a s y e t t o b e s e e n . S ( ) m e o f t h e s e h a r m f u l e f f e c t s i n c l u d e a i r p o l l u t i o n d u e t o a c i d r a i n e m i s s i o n s . w a t e r a n d s o i l p o l l u t i o n d u e t o s p i l l s a n d l e a k s . a n d c a r b o n d i o x i d e a c c u m u l a t i o n i n t h e a t m o s p h e r e . T h e s e p o l l u t a n t s h a v e t h e p o t e n t i a l t o w a r m t h e g l o b a l a t m o s p h e r e a n d k i l l m a n y s p e c i e s . I n a d d i t i o n t o t h e n e g a t i v e e n v i r o n m e n t a l c o n s e q u e n c e s o f u s i n g t h e s e f u e l s . t h e r e i s a f i n i t e s u p p l y o f f o s s i l f u e l s t h a t w i l l i n e v i t a b l y f o r c e t h e u s e o f a n o t h e r f o r m o f e n e r g y . T h e d e m a n d f o r e n e r g y w i l l a l s o c o n t i n u o u s l y i n c r e a s e d u e t o t h e c o n s t a n t i n c r e a s e o f t h e g l o b a l p o p u l a t i o n . T h e f u t u r e e n e r g y e c o n o m y w i l l c o n s i s t o f m a n y r e n e w a b l e e n e r g y t e c h n o l o g i e s u s e d i n c o m b i n a t i o n . A s f a r a s f u e l s a r e c o n c e r n e d , h y d r o g e n i s o n e o f t h e m o s t p o w e r f u l f u e l s . T h i s i s t h e m o s t e v i d e n t w i t h N A S A s p a c e s h i p s . T h e p r i m a r y f u e l t h a t i s u s e d i s h y d r o g e n . H y d r o g e n i s t h e m o s t a b u n d a n t e l e m e n t i n t h e u n i v e r s e ; h o w e v e r . i t d o e s n o t e x i s t i n i t s p u r e f o r m o n e a r t h . T h e r e f o r e , i t h a s t o b e e x t r a c t e d f r o m c o m m o n f u e l t y p e s o r w a t e r . T h e p r o c e s s t h a t i s u s e d m o s t f r e q u e n t l y f o r e x t r a c t i n g h y d r o g e n i s b y s t e a m r e f o r m i n g n a t u r a l g a s . I t c a n a l s o h e e x t r a c t e d f r o m c o a l , n u c l e a r p m v e r . h i o f u e l s o r e v e n \ \ a s t c p m c l u c t s . l l y d r o g c n c a n a l s o b e p r o d u c e d w i t h o u t f o s s i l f u e l s t h r o u g h t h e p r o c e s s o f e l e c t r o l y s i s . R e n e w a b l e f o r m s o f e n e r g y s u c h a s p h o t o v o l t a i c c e l l s , w i n d . h y d r o a n d g e o t h e r m a l a r e i n c r e a s i n g l y b e i n g u s e d t o p r o d u c e e l e c t r i c i t y . T h i s e l e c t r i c i t y c a n b e u s e d f o r e l e c t r o l y s i s . \ \ h i c h s p l i t s w a t e r i n t o h y d r o g e n a n d o x y g e n . T h e h y d r o g e n c a n b e u s e d , o r s t o r e d t o g e n e r a t e e l e c t r i c i t y . I n o r d e r t o s u c c e s s f u l l y h a v e a s o c i e t y b a s e d u p o n r e n e w a b l e e n e r g y , t h e r e h a s t o b e a \ Y a y t o s t o r e e n e r g y b e c a u s e r e n e w a b l e e n e r g y i s i n t e r m i t t e n t . S o l a r a n d w i n d e n e r g y a r e b o t h e x c e l l e n t m e t h o d s o f o b t a i n i n g e n e r g y f r o m n a t u r a l r e s o u r c e s . h o w e v e r , t h e l e v e l s o l ' s u n s h i n e , a n d t h e i n t e n s i t y o f w i n d v a r i e s . W h e n t h e s e s o u r c e s a r e n o t a v a i l a b l e e l e c t r i c i t y c a n n o t b e g e n e r a t e d . W h e n a l a r g e a m o u n t o f e n e r g y i s b e i n g p r o d u c e d . h y d r o g e n c a n b e c r e a t e d f r o m w a t e r . T h e h y d r o g e n c a n t h e n b e s t o r e d f o r l a t e r u s e . F u e l c e l l s h a v e a l r e a d y b e e n u s e d f o r d e c a d e s f o r s t a t i o n a r y u s e f o r b u s i n e s s a n d r e s i d e n t i a l u s e . P o r t a b l e e l e c t r o n i c s s u c h a s l a p t o p s . c a m e r a s a n d c e l l u l a r p h o n e s c a n l a s t 1 0 t o 2 0 t i m e s l o n g e r b y u s i n g h y d r o g e n . A l l o f t h e m a j o r a u t o m a k e r s h a v e a l r e a d y i n v e s t e d h e a v i l y i n h y d r o g e n 7 l u e l c e l l t e c h n o l o g y v e h i c l e s . A l t h o u g h t h e c o s t o f r e n e w a b l e e n e r g y s y s t e m s i s s t i l l v e r y h t g h . t e c h n o l o g i c a l b r e a k t h r o u g h s a n d l a r g e r q u a n t i t i e s p r o d u c e d a r e d r a m a t i c a l l y r e d u c i n g C < l s t s e v e n · v e a r . 1 . 5 W h a t i s h y d r o g e n f u e l 1 - h d r o g e n w a s d i s c o v e r e d i n 1 7 6 6 b y t h e E n g l i s h c h e m i s t a n d p h y s i c i s t H . C a v e n d i s h . I I : d r u g e n i s t h e f i r s t e l e m e n t i n t h e p e r i o d i c t a b l e . c o n s i s t i n g o f o n e p r o t o n a n d o n e c l c c t r n n m a k i n g i t t h e s m a l l e s t a n d l i g h t e s t o f a l l e l e m e n t s . H y d r o g e n r e a c t s \ V i t h m a n y d t ! T c r c n t m a t e r i a l s a n d i s o n e o f t h e m o s t a b u n d a n t e l e m e n t s i n t h e u n i v e r s e . 9 0 % o f t h e a t l l m s i n t h e k n o w n u n i v e r s e a r e h y d r o g e n . H y d r o g e n t h e r e f o r e c a n b e p r o d u c e d f r o m a ' a r i o u s t y p e s o f s o u r c e s . T h e m o s t i m p o r t a n t s o u r c e i s w a t e r . w h i c h c a n b e s p l i t i n t o h y d r o g e n a n d o x y g e n b y e l e c t r o l y s i s . T h e s e c a n b e c o m b i n e d a g a i n i n a f u e l c e l L c r e a t i n g p u w c r . h e a t a n d w a t e r a s t h e o n l y e m i s s i o n . l l y d r o g e n i s t h e s i m p l e s t a n d m o s t c o m m o n e l e m e n t i n t h e u n i v e r s e [ 4 ] . I t i s a c o l o r l e s s . o d o r l e s s . a n d t a s t e l e s s g a s t h a t h a s t h e h i g h e s t e n e r g y c o n t e n t p e r u n i t o f w e i g h t o f a n y k n o w n f u e l . H y d r o g e n i s v e r y c h e m i c a l l y a c t i v e a n d r a r e l y s t a n d s a l o n e a s a n e l e m e n t . I t u s u a l l y e x i s t s i n c o m b i n a t i o n w i t h o t h e r e l e m e n t s . s u c h a s o x y g e n i n w a t e r . c a r b o n i n m e t h a n e . a n d i n t r a c e e l e m e n t s a s o r g a n i c c o m p o u n d s . H y d r o g e n t h e r e f o r e m u s t b e b r o k e n h o m i t s b o n d s w i t h o t h e r e l e m e n t s i n o r d e r t o b e u s e d a s a f u e l . T h e r e a r e n u m e r o u s p r o c e s s e s t h a t c a n b e u s e d t o b r e a k t h e s e b o n d s . 1 . 6 P h y s i c a l a n d C h e m i c a l p r o p e r t i e s o f h y d r o g e n T a b l e 1 . 1 - H y d r o g e n D e n s i t y - [ G a s ( m 3 ) L i q u i d ( l i t r e ) W e i g h t ( k g ) f b . s 5 6 1 . 1 6 3 0 , 0 8 9 8 1 0 . 0 7 0 9 [ 1 2 . 1 2 6 D 4 , l o 4 1 T a b l e 1 . 2 - 1 - f y d r o g e n P r o p e r t i e s ( n m 3 a t 9 8 1 m b a r a n d 1 5 d e g r e e s C e l s i u s ) D a t a V a l u e - - , D e n s i t y 1 - - - - - - - - - 0 . 0 8 9 8 8 k g / n m 3 1 U p p e r h e a t i n g v a l u e 1 2 , 7 4 5 M J / n m 3 L . . i : : 9 ' ' · e r h e a t i n g v a l u e 1 0 , 7 8 3 M J / n m 3 · ! o n i t i o n e n e n 2 - y 0 , 0 2 M J I : ' ~ ! I g n i t i o n t e m p e r a t u r e 5 2 0 d e g r e e s C e l s i u s L l l w e r i g n i t i o n l e v e l ( g a s c o n c e n t r a t i o n i n a i r ) 4 , 1 V o l . % - - - - - - - - - 1 U p p e r i g n i t i o n l e v e l ( g a s c o n c e n t r a t i o n i n air~ 7 2 . 5 V o l . % F l a m e r a t e - - - - - - - - - ' - - - - - - 2 . 7 m / s _ _ _ _ - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - " T a b l e 1 . 3 - H y d r o g e n d e n s i t y c o m p a r e d t o o t h e r f u e l s ' H y d r o g e n G a s o l i n e D i e s e l N a t u r a l g a s M e t h a n o l 1 D e n s i t y ( k g / L ) 0 , 0 0 0 0 8 9 8 0 , 7 0 2 0 . 8 5 5 0 . 0 0 0 7 1 0 . 7 9 9 1 D e n s i t y ( k g / m 3 0 . 0 8 9 8 7 0 2 8 5 5 0 . 7 1 7 9 9 ~gy d e n s i t y ( M . J / k g ) 1 2 0 4 2 . 7 4 1 , 9 5 0 . 4 1 9 . 9 : E n e r g y d e n s i t y ( M . T / L ) 0 . 0 1 0 0 6 3 1 . 2 3 6 , 5 0 0 , 0 3 6 1 5 . 9 - - - - - - - - • E n e r g y de~1sity ( M J / m 3 ) 1 0 . 7 8 3 3 1 2 0 0 3 6 5 0 0 3 6 , 1 1 8 0 0 0 - - - - - - 1 E n e r g y d e n s i t y ( k W h / k g ) ' " ! ' " ! ' " ! 1 1 , 8 6 1 1 . 6 4 1 4 5 . 5 3 . ) . ) , . ) , E n e r g y d e n s i t y ( k W h / m 3 ) 2 , 7 9 8 6 6 6 . 6 7 1 0 1 3 8 . 8 8 1 0 . 0 2 4 4 2 0 8 L 1 . 7 H o w i s h y d r o g e n p r o d u c e d O n e o f t h e b e n e f i t s o f h y d r o g e n f u e l i s t h a t i t c a n b e p r o d u c e d f r o m a d i v e r s e a r r a y o f p o t e n t i a l f e e d s t o c k s . i n c l u d i n g w a t e r , f o s s i l f u e l s a n d o r g a n i c m a t t e r . D e s c r i b e d b e l o w a r e t h e m o s t c o m m o n a n d b e s t u n d e r s t o o d h y d r o g e n p r o d u c t i o n p a t h w a y s . E a c h o f t h e s e p a t h w a y s h a s i t s o w n p r o s a n d c o n s t h a t s h o u l d b e c o n s i d e r e d i n t e r m s o f c o s t . e m i s s i o n s . f e a s i b i l i t y . s c a l e , a n d l o g i s t i c s . C r u d e O i l R e f o r m e r . - - - I I ! I l l C o a l R e f o r m e r I ! ! I N a t u r a l I I ! I l l R e f o r m e r o m ,Nticl~ar. / . > . ; , ; II~ Po":e~.Pl~nt .Ji,¥~ I B . . . . . H S o l a r IS~ G e n e r a t o r 1 1 1 1 y H y d r o G e n e r a t o r I S . . . , d ID~ I I I I I E l e c t r o r W i n d ID~ G e n e r a t o r l y t e I D 0 W a v e 10~ G e n e r a t o r 1 1 1 1 . . . . . g 1 0 . . . , . . e G e o t h e r m a l I I P o w e r p l a n t n I I I I I 1 0 . . . . . . . . . W o o d R e f o r m e r ~ I I ! I l l ! \ I I - a m O r g - \ \ a s t c l { c f o r m c r B i o m a s s R e f o r m e r l E I ~~ I I ! I l l F i g u r e 1 . 6 - H y d r o g e n P r o d u c t i o n P a t h w a y s 1 . 7 . 1 R e f o r m a t i o n o f N a t u r a l G a s I n t h i s p r o c e s s , n a t u r a l g a s ( f o r e x a m p l e m e t h a n e . p r o p a n e , o r e t h a n e ) i s c o m b i n e d V · : i t h h i g h t e m p e r a t u r e s t e a m ( 7 0 0 - 1 0 0 0 ° C ) w h e r e i t r e a c t s i n p r e s e n c e o f a c a t a l y s t , t h e r e b y b r e a k i n g t h e b o n d s o f t h e n a t u r a l g a s a n d c r e a t i n g h y d r o g e n , c a r b o n m o n o x i d e , a n d c a r b o n d i o x i d e . S t e a m r e f o r m a t i o n o f n a t u r a l g a s i s c u r r e n t l y t h e m o s t c o m m o n m e t h o d o f b u l k h y d r o g e n p r o d u c t i o n . I t i s a l s o o n e o f t h e b e s t u n d e r s t o o d a n d l e a s t e x p e n s i v e m e t h o d s . S t e a m r e f o r m a t i o n c u r r e n t l y a c c o u n t s f o r a p p r o x i m a t e l y 8 0 % o f g l o b a l h y d r o g e n p r o d u c t i o n . T h i s m e t h o d o f h y d r o g e n p r o d u c t i o n i s d e p e n d e n t o n a p o t e n t i a l l y l i m i t e d a n d \ O i a t i l e n a t u r a l g a s s u p p l y . T h e p r o c e s s r e s u l t s i n m o d e r a t e e m i s s i o n s o f C 0 2 . 1 . 7 . 2 B i o m a s s G a s i f i c a t i o n I n t h i s p r o c e s s . b i o m a s s s u c h a s f o r e s t r y b y p r o d u c t s . s t r a w , m u n i c i p a l s o l i d w a s t e o r s e w a g e i s h e a t e d a t h i g h t e m p e r a t u r e s i n a r e a c t o r w h e r e t h e b o n d s i n t h e m o l e c u l e s f o r m i n g t h e b i o m a s s a r e b r o k e n . T h i s c r e a t e s g a s c o n s i s t i n g m a i n l y o f h y d r o g e n , c a r b o n m o n o x i d e , a n d m e t h a n e ( C H 4 ) . U s i n g t h e s a m e s t e a m r e f o r m a t i o n p r o c e s s d e s c r i b e d abov~. t h e m e t h a n e i s c o n v e r t e d i n t o h y d r o g e n a n d c a r b o n d i o x i d e . C a r b o n d i o x i d e e m i s s i o n s f r o m b i o m a s s g a s i f i c a t i o n d o n o t t o c o n t r i b u t e t o a n e t i n c r e a s e i n g r e e n h o u s e g a s e m i s s i o n s . B i o m a s s g a s i f i c a t i o n i s c u r r e n t l y o n e o f t h e m o s t a d v a n c e d a n d l e a s t e x p e n s i v e m e t h o d s o f p r o d u c i n g h y d r o g e n f r o m r e n e w a b l e r e s o u r c e s . 1 . 7 . 3 C o a l G a s i f i c a t i o n T h e b a s i c p r o c e s s o f c o a l g a s i f i c a t i o n b e g i n s w i t h c o n v e r t i n g t h e c o a l i n t o a g a s e o u s s t a t e b y h e a t i n g t h e c o a l i n a r e a c t o r a t v e r y h i g h t e m p e r a t u r e s . T h e g a s e o u s c o a l i s t h e n t r e a t e d w i t h s t e a m a n d o x y g e n a n d t h e r e s u l t i s t h e f o r m a t i o n o f h y d r o g e n g a s . c a r b o n m o n o x i d e . a n d c a r b o n d i o x i d e . C o a l g a s i f i c a t i o n i s t h e o l d e s t m e t h o d o f h y d r o g e n p r o d u c t i o n . T h i s m e t h o d o f p r o d u c t i o n b e c o m e s e c o n o m i c a l l y v i a b l e i f C 0 2 i s s e q u e s t e r e d a n d u s e d t o r e c o v e r m e t h a n e t r a p p e d i n u n - m i n a b l e c o a l b e d s . I t i s a l m o s t t \ v i c c a s e x p e n s i v e t o 9 p 1 ( \ d u c e h y d r o g e n t i · o m c o a l a s t i " o m n a t u r a l g a s d u e t o t h e r a t i o o f h y d r o g e n t o c a r b o n . 1 \ h i c h i n n a t u r a l g a s i s 4 : 1 a n d i n c a r b o n i s 0 . 8 : 1 . 1 . 7 . - t C a r b o n B l a c k & H y d r o g e n P r o c e s s T h e u n l y i n p u t s i n t h e C B & H p r o c e s s a r e e l e c t r i c p o w e r a n d h y d r o c a r b o n s . I n t h e C B & H p w c c s s c a r b o n b a s e d r a w m a t e r i a l s r a n g i n g f r o m n a t u r a l g a s t o h e a v y o i l s a r e h e a t e d i n a h i g h t e m p e r a t u r e r e a c t o r . A p l a s m a b u r n e r , u t i l i z i n g r e c y c l e d h y d r o g e n f r o m t h e p r o c e s s . s p l i t s t h e h y d r o c a r b o n s . T h e p r o d u c t s t h e n g o t h r o u g h a c o o l i n g a n d f i l t e r i n g s y s t e m t o s e p a r a t e t h e c a r b o n b l a c k f r o m t h e h y d r o g e n . T h e f i r s t c o m m e r c i a l C B & H p l a n t w e n t o n l i n e i n l 9 9 9 . N o e m i s s i o n s r e s u l t f r o m t h i s p r o c e s s ; o n e h u n d r e d p e r c e n t o f t h e r a w m a t e r i a l s a r e u s e d , a n d t w o v a l u a b l e p r o d u c t s , c a r b o n b l a c k a n d h y d r o g e n . a r e p r o d u c e d . C B & I l r e p l a c e s t h e t r a d i t i o n a l p r o c e s s f o r p r o d u c i n g c a r b o n b l a c k , ( u s e d p r i m a r i l y i n t i r e p r o d u c t i o n ) w h i c h i s e x t r e m e l y p o l l u t i n g . 1 . 7 . 5 E l e c t r o l y s i s o f W a t e r E l e c t r o l y s i s o f w a t e r i n v o l v e s p a s s i n g a n e l e c t r i c c u r r e n t t h o u g h w a t e r . t h e r e b y s p l i t t i n g t h e \ \ a t e r m o l e c u l e s i n t o t h e i r b a s i c e l e m e n t s o f h y d r o g e n a n d o x y g e n . H y d r o g e n g a s r i s e s t i · u m t h e n e g a t i v e c a t h o d e a n d o x y g e n g a s c o l l e C ' t s a t t h e p o s i t i v e a n o d e . A f t e r s t e a m r e f o r m a t i o n o f n a t u r a l g a s . t h i s i s t h e m o s t c o m m o n m e t h o d o f h y d r o g e n p r o d u c t i o n a n d i s \ c r y w e l l u n d e r s t o o d . H y d r o g e n p r o d u c e d u s i n g e l e c t r o l y s i s h a s t h e p o t e n t i a l t o b e c o m p l e t e l y e m i s s i o n s f r e e i f t h e e l e c t r i c i t y u s e d i s g e n e r a t e d f r o m c l e a n . r e n e w a b l e s o u r c e s s u c h a s w i n d a n d s o l a r a s s h o w n i n f i g u r e 1 . 6 . L a r g e a m o u n t s o f e l e c t r i c i t y a r e r e q u i r e d d u r i n g e l e c t r o l y s i s , m a k i n g i t o n e o f t h e m o s t e n e r g y i n t e n s i v e m e t h o d s o f h y d r o g e n p r o d u c t i o n . I f t h e e l e c t r i c i t y u s e d d u r i n g e l e c t r o l y s i s i s g e n e r a t e d f r o m d i r t y s o u r c e s , s u c h a s c u a l . o i l . o r e v e n n a t u r a l g a s . t h e g r e e n h o u s e g a s e m i s s i o n s w i l l b e c o m p a r a t i v e l y h i g h . S o l a r 2 o l l r \ N n " c i :~;~~~£~ ~zs:? t · : 1 1 c r o h y d n J ( , ' - O < y g a n ~'~'~' l l ' \ ~> H , , , ' J \ / t _ > ' J ; - 7 .Stor~ . 1 · < \ · . ~ p ; Y : . - '--·~~~ ""~- 0;-.yr;er~ 1 ] ' " - 1 1 ' , - ' - 1 - 1 F t < n l - < " " ' " " ' M 7 c , . , - \ . V R t A r \ . ' V M f H r F i g u r e 1 . 7 - E l e c t r i c a l p o w e r f r o m r e n e w a b l e e n e r g y s o u r c e s . 1 . 8 P E M B a s e d E l e c t r o l y z e s T h e p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e ( P E M ) b a s e d e l e c t r o l y z e r i s v e r y p o p u l a r , a n d m a n y m o d e r n e l e c t r o l y z e r s a r e b u i l t w i t h P E M t e c h n o l o g y . T h e P E M e l e c t r o l y z e r u s e s t h e s a m e t y p e o f e l e c t r o l y t e t h a t i s u s e d f o r a P E M f u e l c e l l [ 9 ] . T h e e l e c t r o l y t e i s a t h i n , s o l i d i o n - c o n d u c t i n g m e m b r a n e i s u s e d i n s t e a d o f t h e a q u e o u s s o l u t i o n . T h e s e e l e c t r o l y z e r s u s c a b i p o l a r d e s i g n . a n d c a n b e m a d e t o o p e r a t e a t h i g h d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e s a c r o s s t h e m e m b r a n e . T h e r e a c t i o n s a r e a s f o l l o w s : T h e b a s i c s t r u c t u r e o f a P E M - b a s e c l e l e c t r o l y z e r i s s h o w n i n F i g u r e 1 . 8 . A n o d e : C a t h o d e : 4 I r + 4 c - - . 2 I I 2 2 H 2 0 - . 0 2 + 4 H + + 4 e - ( I . I ) ( 1 . 2 ) 1 0 -0 \ c r a l l : 2 H 2 0 ( I ) + 4 H ' + 4 e - - 4 2 H 2 0 2 + 4 H ' + 4 e - -~~Ill . - 1 S o l i d E l e c t r o l y t e P r o t o n E x c h a n g e M e m l m m c e P o s . t i · . , t t : l e c t : G d c : · f / . . ,nc•ne:~ • • I I -·~ e - i • B - I e - , . . 1 1 ? - 1 I I F F ; : : F c~-c~"-C- c:~-~-; F 0 F t \ I T ' J , S " " ' * . , . . . , _ . . . , _ . . • e - ( j : F R H ) , : j , . '\·\'Jtl~t"-:H_ . j \ I I I I · J e r ; . - . L . e E · e C : t r o ; J e ( C J t h o d e j ~ - t - ' E - - e - e - I I I 3 J t-1~:dfi)Q~jl1 i . . . 4 J E l e c t · · r J t l S r e c o r r , b i n e ' i i l t h p r o J i : m s t o b r m lwdr<:'·~en Q J $ a t ' t h e C : : J t h - D t i • " . : ! H · t 4 e - . 2 H l 1 · . · \ ' . . -J!~ · · E.t:Cro~·.:s.s R~2-'Jdion ' > - . _ C - · · - ! . r · · _:~,- . . . . r : _ ) _ 2 · , p r o t c • n s E x c k m g ' O ' thro~1•;;n t h > e m e n : b ; · , , n c e 3 ' 1 E l e c i k > n : > F l o . v c h r o l . 1 g h e x l e n n l e : r c : u r t ' 1 . _ ~J!-~, d t .~I!IJde F i g u r e l . H - A s i m p l i t i e d d i a g r a m o f t h c P E M c l c c t r o l y z c r 1 . ' ) H i s t o r y o f F u e l c e l l ( 1 . 3 ) t - L H e o W h e r e a s t h e 1 9 t h C e n t u r y w a s t h e c e n t u r y o f t h e s t e a m e n g i n e a n d t h e 2 0 t h C e n t u r y w a s t h e c e n t u r y o f t h e i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e . i t i s l i k e l y t h a t t h e 2 1 s t C e n t u r y w i l l b e t h e c e n t u r y o f t h e f u e l c e l l . F u l l c e l l s a r e n o w o n t h e v e r g e o f b e i n g i n t r o d u c e d c o m m e r c i a l l y . r e \ ( ) l u t i o n i z i n g t h e w a y w e p r e s e n t l y p r o d u c e p o w e r . F u e l c e l l s c a n u s e h y d r o g e n a s a f u e L o f l e r i n g t h e p r o s p e c t o f s u p p l y i n g t h e w o r l d w i t h c l e a n . s u s t a i n a b l e e l e c t r i c a l p o w e r . T h e f i r s t d e m o n s t r a t i o n o f a f u e l c e l l w a s b y W i l l i a m G r o v e i n 1 8 3 9 [ 9 ] . R e a l d e v e l o p m e n t s i n f u e l c e l l s f i r s t h a p p e n e d f o r s p a c e a p p l i c a t i o n s i n t h e 1 9 6 0 ' e s . S i n c e t h e 8 0 " e s a n d u n t i l n o \ \ m u c h d e v e l o p m e n t i n f u e l c e l l s h a s b e e n f o c u s e d o n u s e f o r t r a n s p o r t a t i o n . c o m b i n e d h e a t a n d p o \ v e r p r o d u c t i o n a n d p o w e r s u p p l y i n p o r t a b l e p r o d u c t s . F u e l c e l l s c o n v e r t t h e c h e m i c a l e n e r g y i n a f u e l , m o s t l y h y d r o g e n . i n t o e l e c t r i c i t y a n d h e a t w i t h o u t a n y n o i s e a n d m e c h a n i c a l m o v e m e n t . T h e o n l y e m i s s i o n o f t h e r e a c t i o n i n t h e f u e l c e l l i s p u r e w a t e r . A f u e l c e l l i s l i k e a b a t t e r y w i t h t h e o n l y d i f f e r e n c e t h a t i t w i l l c o n t i n u e t o p r o v i d e p o w e r a s l o n g a f u e l i s p w v i d e d . /-----1~1--i~--- - - - - \ \l~ ~2( \ .--------{A)-~------ / ~- ' \ ( 0 2 H 2 \ , \ n n l I \ ~ I ! / ! \ _ ) F i g u r e 1 . 9 - T h e p r i n c i p l e o f a n e l c c t r o l y z e r . s h o w n l e f t ; o f a f u e l c e i L s h o w n r i g h t . l l -S i r W i l l i a m ( ) r o v e ( ! S l l - 9 6 ) . a B r i t i s h l a w y e r a n d a m a t e u r s c i e n t i s t d e v e l o p e d t h e l l r s t f u e l c e l l I l l 1 8 3 9 . T h e p r i n c i p l e w a s d i s c o v e r e d b y a c c i d e n t d u r i n g a n e l e c t r o l y s i s e x p e r i m e n t . \ \ h e n S i r W i l l i a m d i s c o n n e c t e d t h e b a t t e r y f r o m t h e e l e c t r o l y z e r a n d c o n n e c t e d t h e t w o t : l e c t r u d e s t o g e t h e r . h e o b s e r v e d a c u r r e n t f l o w i n g i n t h e o p p o s i t e d i r e c t i o n . c o n s u m i n g t h e g a s e s ( 1 ! " h y d r o g e n a n d o x y g e n . H e c a l l e d t h i s d e v i c e a ' g a s b a t t e r y · . H i s g a s b a t t e r y c u n s i s t e d o f p l a t i n u m e l e c t r o d e s p l a c e d i n t e s t t u b e s o f h y d r o g e n a n d o x y g e n . i m m e r s e d i n a b a t h o f d i l u t e s u l p h u r i c a c i d . I t g e n e r a t e d v o l t a g e s o f a b o u t o n e v o l t . I n 1 8 4 2 G r o v e c c ) n n e c t e d a n u m b e r o f g a s b a t t e r i e s t o g e t h e r i n s e r i e s t o f o r m a · g a s c h a i n ' . I - l e u s e d t h e d . : c t r i c i t y p r o d u c e d f r o m t h e g a s c h a i n t o p o w e r a n e l e c t r o l y z e r . s p l i t t i n g \ V a t e r i n t o h y d r o g e n a n d o x y g e n . H m v e v e r . d u e t o p r o b l e m s o f c o r r o s i o n o f t h e e l e c t r o d e s a n d i n s t a b i l i t y o f t h e m a t e r i a l s . G r o v e ' s f u e l c e l l w a s n o t p r a c t i c a l . A s a r e s u l t t h e r e \ V a s l i t t l e r c - , c a r c h a n d r u r t h e r d e v e l o p m e n t o f f u e l c e l l s f o r m a n y y e a r s t o f o l l o w . T a b l e 1 . 4 - H i s t o r y o f F u e l c e l l D e v e l o p m e n t W . N i c h o l s o n a n s A . C a r l i s l e d e s c r i b e d t h e p r o c e s s o f u s i n g e l e c t r i c i t y t o l 1 b r e a k w a t e r 1 8 0 0 I I !--~ 83 ~--r W i l l i a m G r o v e f u e l c e l l d e m o n s t r a t i o n ' I ~----------------1---- i i S e p a r a t e t e r m s : L M o n e l a n d C . W r i g h t a n d C . T h o m p s o n / e x p e r i m e n t s 1 8 8 9 I L . C a i l l e t e o n a n d L . C o l a r d e a u p e r f o r m e d v a r i o u s f u e l c e l l ~~~T(l~;;ld des.:;:;h~d • o l c s o f l i o c l c e l l c o m p o o > c o H s ~-~ 96 --~W.Jaccques c o n s t r u c t e d a c a r b o n b a t t e r y ---------------~------ ! E a r l y 1 9 0 0 I E . B a u r a n d S t u d e n t s c o n d u c t e d e x p e r i m e n t s o n h i g h t e m p e r a t u r e d e v i c e s --------~----------1 I ~- 1 9 6 0 T . G r u b b a n d L . N i e d r a c h i n v e n t e d P E M F C t e c h n o l o g y a t G E - - - i ~- - - - - - - - - . - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - ~ : 1 9 9 o - 1 i L_pres~Q!~rldwide e x t e n s i v e f u e l c e l l r e s e a r c h o n a l l f u e l ceJ.!Jr£~ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j l . H l H y d r o g e n - f u e l e d P E M F u e l C e l l A p p l i c a t i o n s T h e r e a r e m a n y P E M f u e l c e l l m a n u f a c t u r e r s a t v a r y i n g s t a g e s o f d e v e l o p m e n t a n d c o m m e r c i a l i z a t i o n o f t h e i r p r o d u c t s . A t l e a s t f i v e o f t h e s e m a n u f a c t u r e r s a p p e a r t o b e t a r g e t i n g t h e b a c k u p p o w e r m a r k e t s . R e c e n t l y . s o m e o f t h e s e m a n u f a c t u r e r s h a v e t e s t e d t h e i r p r o d u c t s i n f i e l d a p p l i c a t i o n s . y e t ; f e w a r e t e s t i n g i n t h e f e d e r a l s e c t o r . w h i c h i s t h e f o c u s o f t h i s r e v i e v . . · . F u e l c e l l s c a n b e c o n f i g u r e d t o p r o v i d e p o w e r c o m p l e t e l y i n d e p e n d e n t o f t h e g r i d . u s e t h e g r i d a s b a c k u p p o w e r o r p r o v i d e b a c k u p p o w e r t o a g r i d c o n n e c t e d s y s t e m s h o u l d t h e g r i d f~1il. T h e l a t t e r i s t h e t y p i c a l c o n f i g u r a t i o n f o r b a c k u p p o v ; e r . S e v e r a l f e d e r a l s i t e s a r e i n v o l v e d w i t h t e s t i n g t h e a b i l i t y o f P E M f u e l c e l l s y s t e m s t o k e e p c r i t i c a l l o a d s o p e r a t i o n a l d u r i n g p o w e r o u t a g e s . P r i m a r i l y , t h e a p p l i c a t i o n s a r e s t a t i o n a r y a n d o f t e n t h e s i t e s a l r e a d y e m p l o y a b a c k u p p o w e r t e c h n o l o g y t h a t t h e y a r e c o n s i d e r i n g r e p l a c i n g o r s u p p l e m e n t i n g t h e e x i s t i n g b a c k u p p o w e r s o u r c e w i t h a n o t h e r t e c h n o l o g y t o e x t e n d t h e p e r i o d s 0 r r u n t i m e . 1 2 1 . 1 0 . 1 T r a n s p o r t a t i o n !.Car~ l h L · C a l i f o r n i a L o w E m i s s i o n V e h i c l e P r o g r a m . a d m i n i s t e r e d b y t h e C a l i f o r n i a A i r Rc~\1urccs B o a r d ( C A R B ) . h a s b e e n a l a r g e i n c e n t i v e f o r a u t o m o b i l e manuf~1cturers t o actin~ly p u r s u e f u e l c e l l d e v e l o p m e n t . T h i s p r o g r a m r e q u i r e s t h a t b e g i n n i n g i n 2 0 0 3 . t e n p e r c e n t o f p a s s e n g e r c a r s d e l i v e r e d f o r s a l e i n C a l i f o r n i a f r o m m e d i u m o r l a r g e s i z e d m a n u f a c t u r e r s m u s t b e Z e r o E m i s s i o n V e h i c l e s . c a l l e d Z E V s . A u t o m o b i l e s p o w e r e d b y f u e l c e l b m e e t t h e s e r e q u i r e m e n t s , a s t h e o n l y o u t p u t o f a h y d r o g e n f u e l c e l l i s p u r e w a t e r . T h e l \ F C . \ R 5 ( F i g u r e 1 . 1 0 ) i s t h e l a t e s t p r o t o t y p e f u e l c e l l a u t o m o b i l e h y D a i m l e r C h r y s l e r . F i g u r e 1 . 1 0 - 1 \ v o p r o t o t y p e a u t o m o b i l e s p o w e r e d b y f u e l c e l l s , t h e N E C A R 5 a n d J E E P 2 . S~:ootcrs a n d B i c y c l e s M a n h a t t a n S c i e n t i f i c s a n d G e r m a n s u b s i d i a r y N o v a r s h a v e d e v e l o p e d a n u m b e r o f f u e l c e l l p u \ \ c r e d b i c y c l e s a n d s c o o t e r s . A p r o t o t y p e H y d r o c y c l e ™ p o w e r e d b y a 6 7 0 W N o v a r s P F t \ 1 F C w a s u n v e i l e d i n 2 0 0 0 . T h e s a m e t e c h n o l o g y h a s a l s o b e e n s h o w c a s e d b y A p r i l i a , w h i c h u n v e i l e d a v e r s i o n o f t h e H y d r o c y c l e ™ a t t h e B o l o g n a M o t o r S h o w i n D e c e m b e r 2 0 ( ) ( ) F i g u r e 1 . 1 1 - F u e l c e l l b i c y c l e F i g u r e 1 . 1 2 - F u e l c e l l a i r c r a f t 3 . A r r o r n v i r o n m c n t A e r o e n v i r o n m e n t w i l l u s e r e g e n e r a t i v e P E M F C s t o p r o v i d e n i g h t - t i m e p o w e r f o r i t s s o l a r - p O \ \ e r e d N A S A - f u n d e d H e l i o s l o n g d u r a t i o n a i r c r a f t . p i c t u r e d a b o v e ( F i g 1 . 1 2 ) . P h o t o \ o l t a i c p a n e l s w i l l p o w e r e l e c t r i c m o t o r s a n d e l e c t r o l y z e w a t e r d u r i n g t h e d a y . a n d a t n i g h t t h e f u e l c e l l w i l l p o w e r t h e m o t o r s b y c o n v e r t i n g t h e h y d r o g e n a n d o x y g e n b a c k i n t o w a t e r . T e s t t 1 i g h t s o f a f u e l c e l l H e l i o s a r e p l a n n e d f o r 2 0 0 3 . . t . S p a c i : T h e f i r s t f u e l c e l l s i n s p a c e w e r e 1 k W s o l i d p o l y m e r ( P E M F C ) t y p e u n i t s m a n u f a c t u r e d b y G e n e r a l E l e c t r i c . w h i c h w e r e u s e d i n e i g h t N A S A G e m i n i m i s s i o n s f r o m 1 9 6 5 . U T C F u e l C e l l s ( a d i \ i s i o n o f U n i t e d T e c h n o l o g i e s C o r p o r a t i o n ) h a s d e v e l o p e d a n d m a n u f a c t u r e d 1 3 I~ a l k , t t i l l ' f u e l c e l l s f o r N A S A s i n c e t h e 1 9 6 0 s . T h e s e h a v e b e e n u s e d i n t h e A p o l l o . A p o l l o - S L ' \ : 1 1 . . S k y l a b a n d S p a c e S h u t t l e p r o g r a m s . I i ) : ' u r c 1 . 1 3 - A s s e m b l y o f a l k a l i n e f u e l c e l l s f o r . \ p o l i o s p a c c c r a t l 1 9 ( ) 4 5 . ! \ I a r i n ( ' F i g u r e 1 . 1 4 - F u e l c e l l B o a t 1 - ! a \ c B l u e ( U S A ) i s d e v e l o p i n g h y d r o g e n b a s e d p o w e r a n d p r o p u l s i o n s y s t e m s f o r o c e a n g o i n g y a c h t s . T h e s e w i l l e x t r a c t h y d r o g e n f r o m w a t e r u s i n g r e n e w a b l e p o w e r t e c h n o l o g i e s . w h i c h c a n t h e n b e f e d t o a f u e l c e l l o r o t h e r s u i t a b l e p o w e r p l a n t t o p o w e r a n e l e c t r i c m o t o r o r ~upply o n b o a r d e n e r g y n e e d s . 6 . l \ l i n i n g A t p r e s e n t m o s t m i n i n g v e h i c l e s u s e d i e s e l e n g i n e s . F u e l c e l l s h a v e s e v e r a l a d v a n t a g e s O \ n d i e s e l p o w e r i n m i n i n g a p p l i c a t i o n s . i n c l u d i n g l o w e r e m i s s i o n s ( w h i c h s i m p l i f y \ ' e n t ! l a t i o n r e q u i r e m e n t s i n a m i n e ) a n d l o w e r n o i s e l e v e l s . F u e l c e l l P r o p u l s i o n I n s t i t u t e ( F C P I ) h a s d e v e l o p e d t h e w o r l d ' s f i r s t f u e l c e l l p o w e r e d l o c o m o t i v e . a m i n i n g a n d t u n n e l i n g h a u l a g e v e h i c l e , p i c t u r e d b e l o w . P o w e r e d a b y 1 7 k W N u v e r a F u e l C e l l s P E M F C u n i t f u e l l e d b y h y d r o g e n s t o r e d . f u ' \ * ' ' " ~ , _ ' @ : : " F i g u r e 1 . 1 5 - F u e l c e l l p o w e r e d m i n i n g v e h i c l e 7 . R a i l w a y s R a i l w a y T e c h n i c a l R e s e a r c h I n s t i t u t e . w h i c h i s n o w i n v o l v e d i n a J a p a n e s e g o v e r n m e n t f u n d e d p r o j e c t t o d e v e l o p a l t e r n a t i v e s t o o n - b o a r d r a i l w a y d i e s e l e n g i n e s . I n 2 0 0 2 t h i s p r o j e c t \ \ a s s u p p l i e d f o u r H y d r o g e n P o w e r 7 k W P E M f u e l c e l l s y s t e m s . f o r i n t e g r a t i o n i n t o p r o t o t y p e r a i l ' v v a y p o w e r a p p l i c a t i o n s . 1 4 · : . . . . l . l 1 1 . 2 l ' n d c n n l t c l ' A p p l i c a t i o n s i i l L f i r s t f u e l c e l l s y s t e m t o b e u s e d u n d e r w a t e r w a s d e v e l o p e d b y A l l i s - C h a l m e r s i n 1 9 6 4 l l • J t e s t i n g b y t h e E l e c t r i c B o a t C o r p . T h i s s e l f - c o n t a i n e d s y s t e m w a s f u e l l e d b y h y d r a z i n e - U\~gen. I t s u p p l i e d 1 . 5 k W e a t s e a w a t e r p r e s s u r e . F u e l C e l l T e c h n o l o g i e s L t d h a s d n e l u r e d a n d s u c c e s s f u l l y d e p l o y e d a n u m b e r o f A u t o n o m o u s U n d e n v a t e r V e h i c l e s ( . \ 1 · v s ) p o w e r e d b y h y d r o g e n f u e l c e l l s y s t e m s . w h i c h p r o v i d e p o w e r f o r m u c h l o n g e r t h a n b a t t e r y s y s t e m s . 1 . 1 0 . 3 D i s t r i b u t e d p o w e r g e n e r a t i o n D i s t r i b u t e d o r ' " d e c e n t r a l i z e d " p o w e r p l a n t s . c o n t r a s t e d w i t h c e n t r a l i z e d p o w e r p l a n t s , a r e p l a n t s l o c a t e d c l o s e t o t h e c o n s u m e r , w i t h t h e c a p a b i l i t y o f R r o v i d i n g b o t h h e a t a n d e l e c t r i c a l p o w e r ( a c o m b i n a t i o n k n o w n a s · · c o g e n e r a t i o n " ) . H e a t . t h e b y - p r o d u c t o f e l e c t r i c a l p o w e r g e n e r a t i o n . i s t r a n s f e r r e d f r o m t h e f u e l c e l l t o a h e a t e x c h a n g e r . T h e O \ c r a l l e f f i c i e n c y o f a c o g e n e r a t i o n s y s t e m c a n b e i n e x c e s s o f 8 0 p e r c e n t . c o m p a r a t i v e l y h i g h c o m p a r e d t o a s y s t e m p r o d u c i n g e l e c t r i c i t y a l o n e . U s i n g f u e l c e l l p o w e r p l a n t s o h \ i a t e s t h e n e e d f o r a n e l e c t r i c a l g r i d . T h i s u n i t , p r o d u c e d b y B a l l a r d P o w e r p r o v i d e s 2 5 0 k i l l l \ \ a t t s h e a t a n d e l e c t r i c i t y w h i c h i s e n o u g h p o w e r f o r a n i n d u s t r y , a s c h o o l o r a c o m n n m i t y o f u p t o 5 0 h o m e s ( P h o t o c o u r t e s y o f B a l l a r d P m v e r ) . F i g u r e 1 . 1 6 - A f u e l - c e l l d i s t r i b u t e d p o w e r p l a n t . 1 . 1 0 . 4 R e s i d e n t i a l P o w e r f u e l c e l l p O \ v c r p l a n t s a r c a l s o b e i n g d e v e l o p e d b y s e v e r a l manuf~1cturcrs t o p r o \ ' i d e e l e c t r i c i t y a n d h e a t t o s i n g l e f a m i l y h o m e s . F u e l l e d b y e i t h e r n a t u r a l g a s o r p r o p a n e . t h e s e p l a n t s \ \ i l l b e a b l e t o s u p p l y b a s e l o a d p o w e r o r a l l o f t h e e l e c t r i c i t y r e q u i r e d b y a m o d e r n d a y h o m e . B a l l a r d P o w e r h a s d e v e l o p e d a o n e k i l o w a t t f u e l c e l l d e s i g n e d t o s u p p l y b o t h b a s e l o a d e l e c t r i c a l p o w e r a s w e l l a s h e a t t o a d w e l l i n g . T h e e l e c t r i c a l e f f i c i e n c y o f t h i s f u e l c e l l s y s t e m i s r a t e d a t 4 2 % a n d t h e h e a t e f f i c i e n c y i s r a t e d a t 4 3 % . T h e r e f o r e t h e c o m b i n e d c o g e n e r a t i o n e f f i c i e n c y o f t h e s y s t e m c a n b e a s h i g h a s 8 5 ( Y t > . 1 5 , . F i g u r e 1 . 1 7 - ! \ f u e l - c e l l p o w e r p l a n t I ( H r e : - , i d c n t i a l a p p l i c a t i o n s 1 . 1 0 . 5 P o r t a b l e P o w e r F i g u r e 1 . 1 8 F u e l c e l l p o r t a b l e a p p l i c a t i o n s S n e r a l m a n u f a c t u r e r s a r e a l s o d e v e l o p i n g f u e l c e l l p o w e r s u p p l i e s f o r p o r t a b l e a p p l i c a t i o n s . p r o v i d i n g a f e w w a t t s u p t o s e v e r a l k i l o w a t t s o f e l e c t r i c i t y ( F i g . 5 . 9 ) . F u e l l e d b y s t o r e d n a t u r a l g a s . p r o p a n e . m e t h a n o l o r h y d r o g e n g a s . p o r t a b l e f u e l c e l l s m a y o n e d a y r e p l a c e b o t h g a s o l i n e a n d d i e s e l e n g i n e g e n e r a t o r s f o r p o r t a b l e a p p l i c a t i o n s a s w e l l a s c o m · e n t i o n a l b a t t e r i e s f o r u s e s s u c h a s r e m o t e l i g h t i n g . l a p t o p c o m p u t e r s a n d m o b i l e p h o n e s . l { ) ·~ C h a p t e r 2 R e g e n e r a t i v e F u e l C e l l S y s t e m s E x p l a i n e d 2 . 1 I n t r o d u c t i o n t o P E M F C I n t h e e a r l y 1 9 6 0 s . ( ) e n e r a l E l e c t r i c ( G E ) a l s o m a d e a s i g n i f i c a n t b r e a k t h r o u g h i n f u e l c e l l t e c h n o l o g y . T h r o u g h t h e w o r k o f T h o m a s G r u b b a n d L e o n a r d N i e d r a c h , t h e y i n v e n t e d a n d d C \ e l u p e d t h e f i r s t p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e ( P E M ) f u e l c e l l . I t w a s i n i t i a l l y c . k \ e l o p e d u n d e r a p r o g r a m w i t h t h e U S N a v y ' s B u r e a u o f S h i p s a n d U . S . A r m y S i g n a l C o r p s t o s u p p l y p o r t a b l e p o w e r f o r p e r s o n n e l i n t h e f i e l d . A t t r a c t e d b y t h e p o s s i b i l i t y o f u s m g C 1 E ' s P E M f u e l c e l l o n t h e A p o l l o m i s s i o n s . N A S A t e s t e d i t s p o t e n t i a l t o p r o v i d e a u \ i l i a r y p o w e r o n b o a r d i t s G e m i n i s p a c e c r a f t . I h e l i c m i n i s p a c e p r o g r a m c o n s i s t e d o f 1 2 f l i g h t s i n p r e p a r a t i o n f o r t h e A p o l l o m i s s i o n s t o t h e m o o n . F o r l u n a r t 1 i g h t s . a l o n g e r p o w e r s o u r c e w a s r e q u i r e d t h a n c o u l d b e p r o v i d e d b y b a t t e r i e s . w h i c h h a d b e e n u s e d o n p r e v i o u s s p a c e f l i g h t s . U n f o r t u n a t e l y . t h e G E f u e l c e l l . m o d e l P R 2 . e n c o u n t e r e d t e c h n i c a l d i f f i c u l t i e s p r i o r t o l a u n c h . i n c l u d i n g t h e l e a k a g e o f o x y g e n t h r o u g h t h e m e m b r a n e [ 9 ] . A s a r e s u l t t h e G e m i n i m i s s i o n s I t o 4 f l e w o n b a t t e r i e s i n s t e a d . T h e G E f u e l c e l l w a s r e d e s i g n e d a n d a n e w m o d e l , t h e P 3 . s u c c e s s f u l l y o p e r a t e d o n t h e G e m i n i f l i g h t s 6 t o 1 2 . T h e G e m i n i f u e l c e l l p o w e r p l a n t c o n s i s t e d o f t w o f u e l c e l l b a t t e r y . G E r e d e s i g n e d t h e i r P E M c e l L a n d t h e n e w m o d e l P 3 . d e s p i t e m a l f u n c t i o n s a n d p o o r p e r f o r m a n c e o n G e m i n i 5 , s e r v e d a d e q u a t e l y f o r t h e r e m a i n i n g G e m i n i f l i g h t s . P r o j e c t A p o l l o m i s s i o n p l a n n e r s : h o w e v e r . c h o s e t o u s e a l k a l i f u e l c e l l s f o r b o t h t h e c o m m a n d a n d l u n a r m o d u l e s . a s d i d d e s i g n e r s o f t h e S p a c e S h u t t l e a d e c a d e l a t e r . C i F C l m t i n u c d w o r k i n g o n P E M c e l l s a n d i n t h e m i c l - 1 9 7 0 s d e v e l o p e d P E M w a t e r e l e c t r o l y s i s t e c h n o l o g y f o r u n d e r s e a l i f e s u p p o r t , l e a d i n g t o t h e U S N a v y O x y g e n G e n e r a t i n g P l a n t . T h e B r i t i s h R o y a l N a v y a d o p t e d t h i s t e c h n o l o g y i n e a r l y 1 9 8 0 s f o r t h e i r s u b m a r i n e 1 1 e e t . O t h e r g r o u p s a l s o b e g a n l o o k i n g a t P E M c e l l s . I n t h e l a t e 1 9 8 0 s a n d e a r l y 1 9 9 0 s , L o s A l a m o s N a t i o n a l L a b a n d T e x a s A & M U n i v e r s i t y e x p e r i m e n t e d w i t h w a y s t o r e d u c e t h e a m o u n t o f p l a t i n u m r e q u i r e d f o r P E M c e l l s . R e c e n t l y P E M d e v e l o p e r s a d d e d t h e \ \ e a t h e r p r o o f i n g m a t e r i a l G o r e - T e x t o t h e i r c e l l s t o s t r e n g t h e n t h e e l e c t r o l y t e . . . . . . . . . . P o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e ( P E M ) f u e l c e l l s a r e t h e m o s t p o p u l a r t y p e o f f u e l c e l l . a n d t r a d i t i o n a l l y u s e h y d r o g e n a s t h e f u e l . P E M f u e l c e l l s a l s o h a v e m a n y o t h e r f u e l o p t i o n s . \ \ h i c h r a n g e f r o m h y d r o g e n t o e t h a n o l t o b i o m a s s - d e r i v e d m a t e r i a l s . T h e s e f u e l s c a n e i t h e r b e d i r e c t l y f e d i n t o t h e f u e l c e l l , o r s e n t t o a r e f o r m e r t o e x t r a c t p u r e h y d r o g e n . w h i c h i s t h e n d i r e c t l y f e d t o t h e f u e l c e l l . P r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e ( P E M ) f u e l c e l l s w o r k w i t h a p o l y m e r e l e c t r o l y t e i n t h e f o r m o f a t h i n . p e r m e a b l e s h e e t . T h i s m e m b r a n e i s s m a l l a n d l i g h t . a n d i t w o r k s a t l o w t e m p e r a t u r e s ( a b o u t 8 0 d e g r e e s C . o r a b o u t 1 7 5 d e g r e e s F ) . O t h e r e l e c t r o l y t e s r e q u i r e t e m p e r a t u r e s a s h i g h a s 1 . 0 0 0 d e g r e e s C . T o s p e e d t h e r e a c t i o n a p l a t i n u m c a t a l y s t i s u s e d o n b o t h s i d e s o f t h e m e m b r a n e . I - l y d r o g e n a t o m s a r e s t r i p p e d u f t h e i r e l e c t r o n s . o r " i o n i z e d . " a t t h e a n o d e . a n d t h e p o s i t i v e l y c h a r g e d p r o t o n s d i f f u s e t h r o u g h o n e s i d e o f t h e p o r o u s m e m b r a n e a n d m i g r a t e t o w a r d t h e c a t h o d e . 1 7 \~ . , F Y ? - 1 H 1 H ~ d n : n J e n . l ' § E l e c t r i c C i r c u i t e ~- e - ;.J~ e - ' ' I :~ ~/L:~. l - .~ . - ! . ' , ' ' > · · ~ H + H + H + H + _ i s 2 1 ! ::L~ : : ; : b ( ! ' C U I _ 1 t 2 ' 3 ! : 1 [ . . i l : : c e j F . - , f t - L ' = . J·~r- q n C I . I , _ _ · , - , t a i • , . : ; t - - · 1 ~ r.~·t::::-1' E·{ch.1n~;~ r i l J ? m L · n n t : - < ~ :nDgnt~·ec! " O ( O x y g e n ! H,~ H e a t A i r . . . . ' v V a t e - r \ / . : J p • . : H ~lOA F i ! ? l d P L J t e : . = 1 J S D:f~us . ( l l l E · e c ! h ' J J e f C . : t t h 0 d e , 1 ~ . , . · CJt;Jiv·s~ F i g u r e 2 . 1 - S t r u c t u r e o f F u e l c e l l F E J v i . . u t ; i c e H + - - - - - * - - - + 8 - P E r • : 1 f u e l c e l l Sl,:l~· V 1 0 1 . ' / T h e e l e c t r o n s p a s s f r o m t h e a n o d e t o t h e c a t h o d e t h r o u g h a n e x t e r i o r c i r c u i t a n d p r o v i d e e l e c t r i c p o w e r a l o n g t h e w a y . A t t h e c a t h o d e , t h e e l e c t r o n s , h y d r o g e n p r o t o n s a n d o x y g e n f r o m t h e a i r c o m b i n e t o f o r m w a t e r . F o r t h i s f u e l c e l l t o w o r k , t h e p r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e e l e c t r o l y t e m u s t a l l o w h y d r o g e n p r o t o n s t o p a s s t h r o u g h b u t p r o h i b i t t h e p a s s a g e o f e l e c t r o n s a n d h e a v i e r g a s e s . E f ! i c i e n c y C o r a P E M c e l l r e a c h e s a b o u t 4 0 t o 5 0 p e r c e n t . A n e x t e r n a l r e f o r m e r i s r e q u i r e d t o C O I 1 \ ' e r t f u e l s s u c h a s m e t h a n o l o r g a s o l i n e t o h y d r o g e n . C u r r e n t l y , d e m o n s t r a t i o n u n i t s o f 5 0 k i l o w a t t ( k w ) c a p a c i t y a r e o p e r a t i n g a n d u n i t s p r o d u c i n g u p t o 2 5 0 k w a r e u n d e r d e \ e l o p m e n t . P r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e f u e l c e l l s , a l s o k n o w n a s p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e f u e l c e l l s ( P E M F C ) , a r e a t y p e o f f u e l c e l l b e i n g d e v e l o p e d f o r t r a n s p o r t a p p l i c a t i o n s a s w e l l a s f o r s t a t i o n a r y a n d p o r t a b l e a p p l i c a t i o n s . T h e i r d i s t i n g u i s h i n g f e a t u r e s i n c l u d e l o w e r t e m p e r a t u r e a n d p r e s s u r e r a n g e s a n d a s p e c i a l p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e . T h e n e w l y f o r m e d p r o t o n s p e r m e a t e t h r o u g h t h e p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e t o t h e c a t h o d e s i d e . T h e e l e c t r o n s t r a v e l a l o n g a n e x t e r n a l l o a d c i r c u i t t o t h e c a t h o d e s i d e o f t h e M E A , t h u s c r e a t i n g t h e c u r r e n t o u t p u t o f t h e f u e l c e l l . M e a n w h i l e , a s t r e a m o f o x y g e n i s d e l i w r e d t o t h e c a t h o d e s i d e o f t h e M E A . A t t h e c a t h o d e s i d e o x y g e n m o l e c u l e s r e a c t w i t h t h e p r o t o n s p e r m e a t i n g t h r o u g h t h e p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e a n d t h e e l e c t r o n s a r r i \ ' i n g t h r o u g h t h e e x t e r n a l c i r c u i t t o f o r m w a t e r m o l e c u l e s . F u e l c e l l s w i l l b e a n i n t e g r a l p a r t o f t h e f u t u r e h y d r o g e n e c o n o m y . F u e l c e l l s h a v e t h e a b i l i t y t o f u l f i l l a l l o f o u r g l o b a l p o w e r n e e d s w h i l e b e i n g h i g h l y e f f i c i e n t a n d a l o w p o l l u t i n g t e c h n o l o g y . T h e r e a r e s i x m a i n t y p e s o f f u e l c e l l s . T h e t y p e m o s t c o m m o n l y u s e d f o r t r a n s p o r t a t i o n a n d p o r t a b l e a p p l i c a t i o n s i s t h e p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e ( P E M ) f u e l c e l l . 1 s . . . . / • E e < : t m n F o·t'f)'~----~ I - > ( , I , , i C·-l';~n ~"\ < ( - - - r . • H y d r o g e n t o n s e - - - . . I ! ! ) ( J ) 0 _ _ _ , . . . · I . . . . . • • . . ( ! ) J · : 1 . . ~ ~ • 0 _ . . . / · ~ /v'at~r F i g u r e 2 . 2 - F u e l C e l l S t r u c t u r a l r e a c t i o n s P L \ 1 f u e l c e l l s p r e d o m i n a n t l y u s e h y d r o g e n a s t h e f u e L b u t a l s o h a v e t h e a b i l i t y t o u s e o t h e r t y p e s o f f u e l a s w e l l i n c l u d i n g e t h a n o l a n d b i o m a s s d e r i v e d m a t e r i a l s . P E M f u e l c e l l s o p e r a t e a t t e m p e r a t u r e s b e t w e e n 2 0 ° a n d 8 0 ° C , w h i c h e n a b l e a s t a r t u p t i m e c o m p a r a b l e t o t h e i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e . P E M f u e l c e l l s a r e a b l e t o o b t a i n n e t p o w e r d e n s i t i e s o f O \ ' e r 1 k W / l i t e r , w h i c h m a k e s t h e m c o m p e t i t i v e w i t h t h e i n t e r n a l c o m b u s t i o n e n g i n e f o r t r a n s p o r t a t i o n a p p l i c a t i o n s . T h e r e a r e n u m e r o u s a d v a n t a g e s a n d c h a l l e n g e s f o r P E M f u e l c e l l s . 2 . 2 T y p e s o f F u e l C e l l s ~!any t y p e s o f f u e l c e l l s a r e c u r r e n t l y b e i n g r e s e a r c h e d . T h e s i x p r i m a r y t y p e s o f f u e l c e l l s a r e d i f f e r e n t i a t e d f r o m o n e a n o t h e r o n t h e b a s i s o f t h e e l e c t r o l y t e s a n d / o r f u e l u s e d w i t h t h a t p a r t i c u l a r t y p e o f f u e l c e l l . T h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e a n d s i z e o f f u e l c e l l s a r e o f t e n t h e d e t e r m i n i n g f a c t o r i s w h i c h f u e l c e l l w i l l b e u s e d f o r s p e c i f i c a p p l i c a t i o n s . F u e l c e l l t y p e s i n c l u d e t h e f o l l o w i n g . 2 . 2 . 1 P o l y m e r E x c h a n g e M e m b r a n e F u e l C e l l ( P E M F C ) T h e p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e ( a l s o c a l l e d p r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e o r P E M ) f u e l c e l l d e l i v e r s h i g h - p o w e r d e n s i t y w h i l e p r o v i d i n g l o w w e i g h t , c o s t , a n d v o l u m e . A P E M f u e l c e l l c o n s i s t s o f a n e g a t i v e l y c h a r g e d e l e c t r o d e ( a n o d e ) , a p o s i t i v e l y c h a r g e d e l e c t r o d e ( c a t h o d e ) . a n d a n e l e c t r o l y t e m e m b r a n e . H y d r o g e n i s u s e d o n t h e a n o d e s i d e , a n d o x y g e n i s u t i l i z e d o n t h e c a t h o d e . P r o t o n s a r e t r a n s p o r t e d f r o m t h e a n o d e t o t h e c a t h o d e t h r o u g h t h e e l e c t r o l y t e m e m b r a n e a n d t h e e l e c t r o n s a r e c a r r i e d o v e r a n e x t e r n a l c i r c u i t l o a d . A t y p i c a l P E M f u e l c e l l h a s t h e f o l l o w i n g r e a c t i o n s : A n o d e : C a t h o d e : 0 \ e r a l l : I - b ( g ) - • 2 I - r + ( a q ) + 2 e - y 2 0 2 ( g ) + 2 H + ( a q ) + 2 e - - - - - > I - b . O f - h ( g ) + 1 2 0 2 ( g ) - - - - > H 2 0 ( I ) + e l e c t r i c e n e r g y + w a s t e h e a t 2 . 2 . 2 A l k a l i n e F u e l C e l l s ( A F C s ) ( 2 . 1 ) ( 2 . 2 ) ( 2 . 3 ) A l k a l i n e f u e l c e l l s ( A F C s ) h a v e b e e n u s e d b y N A S A o n s p a c e m i s s i o n s a n d c a n a c h i e v e p o w e r - g e n e r a t i n g e f f i c i e n c i e s o f u p t o 7 0 p e r c e n t . T h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e o f t h e s e c e l l s r a n g e b e t w e e n ! 5 0 t o 2 0 0 ° C ( a b o u t 3 0 0 t o 4 0 0 ° F ) . A n a q u e o u s s o l u t i o n o f a l k a l i n e p o t a s s i u m h y d r o x i d e s o a k e d i n a m a t r i x a c t a s t h e e l e c t r o l y t e . A l k a l i n e f u e l c e l l s t y p i c a l l y h a Y e a c e l l o u t p u t f r o m 3 0 0 w a t t s t o 5 k W . T h e c h e m i c a l r e a c t i o n s t h a t o c c u r i n t h i s c e l l a r e : A n o d e : 2 H 2 ( g ) + 4 ( 0 1 - I ) - ( a q ) - - - - > 4 H 2 0 ( I ) + 4 e - ( 2 . 4 ) 1 9 9 4 5 4 3 ' - ( ' a t h o d c : ( h e r a ! ! : 0 2 ( g ) + 2 1 b O ( I ) , , 4~---+ 4 ( 0 1 I ) · ( a q ) 2 1 - b ( g ) - t - C h ( g ) - . 2 H 2 0 ( 1 ) 2 . 2 . 3 P h o s p h o r i c A c i d F u e l C e l l ( P A F C ) ( 2 . 5 ) ( 2 . 6 ) r h e p h o s p h o r i c a c i d f u e l c e l l ( P A F C ) i s o n e o f t h e f e w c o m m e r c i a l l y a v a i l a b l e f u e l c e l l s . S e \ e r a ! h u n d r e d f u e l c e l l s y s t e m s h a v e b e e n i n s t a l l e d a l l o v e r t h e w o r l d . M o s t o f t h e P A F C p l a n t s t h a t h a v e b e e n b u i l t a r e i n t h e 5 0 t o 2 0 0 k W c a p a c i t y r a n g e . b u t l a r g e p l a n t s o f 1 M W a n d 5 M W h a v e b e e n b u i l t . T h e l a r g e s t p l a n t o p e r a t e d t o d a t e a c h i e v e d I I M W o f g r i d - q u a l i t y a l t e r n a t i n g c u r r e n t ( A C ) p o w e r . P A F C s a r e v e r y e f f i c i e n t f u e l c e l l s . g e n e r a t i n g e l e c t r i c i t y a t m o r e t h a n 4 0 p e r c e n t e f f i c i e n c y . O p e r a t i n g t e m p e r a t u r e s a r e i n t h e r a n g e o f ) ( ) ( ) t o 4 0 0 " F ( 1 5 0 t o 2 0 0 ° C ) . . \ n l l d c : C a t h o d e : < h e r a ! ! : H 2 ( g ) - . 2 1 r ( a q ) + 2c~ Y 2 C h ( g ) + 2 H + ( a q ) + 2 e - - + 1 - h O ( 1 ) l - I 2 ( g ) + Y 2 0 2 ( g ) + C 0 2 - + H 2 0 ( I ) + C 0 2 2 . 2 . 4 S o l i d O x i d e F u e l C e l l s ( S O F C s ) ( 2 . 7 ) ( 2 . 8 ) S u l i d o x i d e f u e l c e l l s ( S O F C s ) s e e m p r o m i s i n g f o r l a r g e , h i g h - p o w e r a p p l i c a t i o n s s u c h a s i n d u s t r i a l a n d l a r g e s c a l e c e n t r a l e l e c t r i c i t y g e n e r a t i n g s t a t i o n s . A s o l i d o x i d e s y s t e m i s u s u a l l y c o n s t r u c t e d o f a h a r d c e r a m i c m a t e r i a l c o n s i s t i n g o f s o l i d z i r c o n i u m o x i d e a n d a s m a l l a m o u n t o f Y t r r i a , i n s t e a d o f a l i q u i d e l e c t r o l y t e . T h e o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e s c a n r e a c h 1 . 8 0 0 ° F o r I 0 0 0 ° C . : \ n o d e : C a t h o d e : O v e r a l l : H 2 ( g ) + 02~--* H 2 0 ( g ) + 2 e - Y 2 0 2 ( g ) + 2 e - - - * 0 2 - r h ( g ) + Y 2 0 2 ( g ) - - * H 2 0 ( g ) 2 . 2 . 5 M o l t e n - C a r h o n a t e F u e l C e l l s ( M C F C s ) ( 2 . 9 ) ( 2 . 1 0 ) \ l ! o l t e n c a r b o n a t e f u e l c e l l s a r e a n o t h e r f u e l c e l l t e c h n o l o g y t h a t h a s b e e n s u c c e s s f u l l y d e m o n s t r a t e d i n s e v e r a l l o c a t i o n s t h r o u g h o u t t h e w o r l d . T h e h i g h o p e r a t i n g t e m p e r a t u r e u f t l : r s a s i g n i f i c a n t a d v a n t a g e b e c a u s e i t e n a b l e s a h i g h e r e f f i c i e n c y a n d t h e f l e x i b i l i t y t o u s e m o r e t y p e s o f f u e l s a n d i n e x p e n s i v e c a t a l y s t s . M C F C s h a v e h i g h f u e l - t o - e l e c t r i c i t y e f t i c i e n c i e s r a n g i n g f r o m 6 0 t o 8 5 p e r c e n t w i t h c o g e n e r a t i o n . a n d o p e r a t e a t a b o u t 1 . 2 0 0 " F u r 6 5 0 ° C . O v e r a l l r e a c t i o n s f e w t h e M C F C a r e : An~Kk: C a t h o d e : O v e r a l l : I h ( g ) + C 0 3 2 - - - * H 2 0 ( g ) + C 0 2 ( g ) + 2 e - Y 2 0 2 ( g ) + C 0 2 ( g ) + 2 e - - c o 3 2 - I - h ( g ) + Y 2 0 2 ( g ) + C 0 2 ( g ) - + t h O ( g ) + C 0 2 ( g ) 2 . 2 . 6 D i r e c t M e t h a n o l F u e l C e l l s ( D M F C s ) ( 2 . 1 1 ) ( 2 . 1 2 ) ; ! " ' ( - . _ 1 ) I h e l a r g e p o t e n t i a l m a r k e t f o r f u e l c e l l p o r t a b l e a p p l i c a t i o n s h a s g e n e r a t e d a s t r o n g i n t e r e s t i n a f u e l c e l l t h a t c a n r u n d i r e c t l y o n m e t h a n o l . T h e d i r e c t m e t h a n o l f u e l c e l l ( D M F C ) u s e s t h e s a m e p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e a s t h e P E M f u e l c e l l . T h e f u e l f o r t h e D M F C . h o \ \ C v e r . i s m e t h a n o l i n s t e a d o f h y d r o g e n . T h e c h e m i c a l r e a c t i o n s f o r t h i s f u e l c e l l a r e a s l i J i l o w s : \ n o d e : C a t h o d e : ( ) \ c r a l l : C H 3 0 H ( l ) + r h O ( ! ) - + C 0 2 + 6 H + + 6 e - 6 H + + 3 / 2 0 2 + 6 e - - - * 3 H 2 0 ( ! ) C ' H : ; O H ( I ) + 3 / 2 0 2 ( g ) - - + C 0 2 ( g ) + 2 H 2 0 ( ! ) ( 2 . 1 4 ) ( 2 . 1 5 ) ( 2 . 1 6 ) 2 0 2 . J S t r u c t u n : o f f u e l C e l l 2 . 3 . ! E l t · c t r o l y t c L a y e r T h e e l e c t r o l y t e l a y e r i s t h e h e a r t o f a f u e l c e l l . I t e n a b l e s t h e f u e l c e l l t o c o n d u c t i b d e c t r o n s p r o p e r l y b y a t t r a c t i n g t h e p r o t o n s . a n d e n a b l i n g t h e m t o t r a v e l t h r o u g h t h e l a y e r ' ' h i k m a i n t a i n i n g t h e i r p r o t o n s t a t e . T h e e l e c t r o n s t r a v e l t o t h e e x t e r n a l c i r c u i t t o p o w e r t h e l l 1 a d . a n d t h e h y d r o g e n p r o t o n s t r a v e l t h r o u g h t h e e l e c t r o l y t e u n t i l t h e y r e a c h t h e c a t h o d e t o c o m b i n e v ; i t h o x y g e n t o f o r m w a t e r . T h e e l e c t r o l y t e m u s t b e a b l e t o c o n d u c t i o n s w e l L i t m u s t p r e s e n t a g o o d e n o u g h b a r r i e r t o n o t a l l o w o t h e r r e a c t a n t s t o e n t e r i t : i t m u s t n o t c n n d u c t e l e c t r o n s : a n d i t h a s t o b e e a s y t o i n t e g r a t e i n t o t h e f u e l c e l l s t a c k a s s h o w n i n i i g u r c 2 . : 1 . 2 . 3 . 2 G a s D i f f u s i o n L a y e r T h e g a s d i f f u s i o n l a y e r s ( G D L ) h a v e t w o m a i n f u n c t i o n s . T h e y m u s t a l l o w g a s e s t o p a s s t h r o u g h t h e m . a n d b e c o n d u c t i v e e n o u g h t o a l l o w e l e c t r o n s t o t r a v e l t h r o u g h t h e m . T h e s e l a y e r s a l s o p r o v i d e a l a y e r t o b o n d t h e c a t a l y s t t o , a n d i t s s t r u c t u r e p r o m o t e s t h e r e m o v a l o f \ \ a t c r t h a t m a y g e t i n t h e w a y o f t h e r e a c t i o n . T h i s l a y e r i s v e r y t h i n . w i t h a t h i c k n e s s o f ( J 2 5 - · 0 . - 1 - 0 m m . a n d a p o r e s i z e r a n g i n g b e t w e e n 4 - 5 0 m i c r o n s [ < J ] . 2 . 3 . 3 C a t a l y s t L a y c t · T h e f u e l c e l l r e a c t i o n s o c c u r i n t h e c a t a l y s t l a y e r . T h e a n o d e c a t a l y s t l a y e r b r e a k s t h e h y d r o g e n f u e l i n t o p r o t o n s a n d e l e c t r o n s , a n d a t t h e c a t h o d e c a t a l y s t l a y e r . o x y g e n c o m b i n e s w i t h t h e p r o t o n s t o f o r m w a t e r . T h e s e c a t a l y s t l a y e r s a r e o f t e n t h e t h i n n e s t l a y e r i n t h e f u e l c e l l ( 5 t o 3 0 1 1 m ) , b u t a r e o f t e n t h e m o s t c o m p l e x b e c a u s e t h e y i n c o r p o r a t e ~e\ e r a ! t y p e s o f g a s e s a n d w a t e r a n d e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s . T h e c a t a l y s t l a y e r s a r e u s u a l l y m a d e o f a p o r o u s m i x t u r e o f c a r b o n s u p p o r t e d p l a t i n u m o r p l a t i n u m / r u t h e n i u m . 2 . 3 . 4 B i p o l a r P l a t e s n i p u l a r p l a t e s e v e n l y d i s t r i b u t e f u e l a n d o x i d a n t t o t h e c e l l s , a n d c o l l e c t t h e c u r r e n t t o ) l U \ \ e r t h e d e s i r e d d e v i c e s . I n a f u e l c e l l w i t h a s i n g l e c e l l , t h e r e a r e n o b i p o l a r p l a t e s ( o n l y s i n g l e - s i d e d f l o w f i e l d p l a t e s ) . Y e t , i n f u e l c e l l s w i t h m o r e t h a n o n e c e l L t h e r e i s u s u a l l y a t l e a s t n n e b i p o l a r p l a t e ( f l o w f i e l d s e x i s t o n b o t h s i d e s o f t h e p l a t e ) . B i p o l a r p l a t e s p e r f o r m m a n y r o l e s i n f u e l c e l l s . T h e y d i s t r i b u t e f u e l a n d o x i d a n t \ V i t h i n t h e c e l L s e p a r a t e t h e t n d i \ i d u a l c e l l s i n t h e s t a c k . c o l l e c t t h e c u r r e n t c a r r y \ V a t e r a w a y f r o m e a c h c e l L h u m i d i f y g a s e s . a n d k e e p t h e c e l l s c o o l . B i p o l a r p l a t e s a l s o h a v e r e a c t a n t f l o w c h a n n e l s o n b o t h s i d e s . f o r m i n g t h e a n o d e a n d c a t h o d e c o m p a r t m e n t s o f t h e u n i t c e l l s o n t h e o p p o s i n g s i d e s , 1 ! ' t h e b i p o l a r p l a t e a s i n f i g u r e 2 . 4 . t l t d t o l y t e [r~,qe-~~alin(] cJa::.k~t F i g u r e 2 . 3 - T h e c o n s t r u c t i o n o f a n o d e / e l e c t r o l y t e / c a t h o d e a s s e m b l y " ) . ~l u _ ; 1 ) d ; > [!~:.tr•')l'(1t:- C - . t h . : : d u P~hitr.,.·t" IXir"lf~~~"~llvn H ' ; d t ( ) J ] . . : 7 : 1 t r o d : 1 ( n p the:~e C ' U I ! H e b N e r , ; a l l v ' 7 ' U)flll~Cl!UI t . . i · O t OX'y~~Pt"' f e d t o ~au·,ocJ'l F i g u r e 2 . 4 - C o m p a c k e d S i n g l e c e l l P E M F C 2 . - t S t m c t u r e o f t h e P o l y m e r E l e c t r o l y t e l h c d i f r e r e n t c o m p a n i e s p r o d u c i n g p o l y m e r e l e c t r o l y t e m e m b r a n e s h a v e t h e i r o w n s p e c i a l tr1ck~. m o s t l y p r o p r i e t a r y . H o w e v e r , a c o m m o n t h e m e i s t h e u s e o f s u l p h o n a t e d ! l u l l r ( l p o l y m e r s . u s u a l l y t l u o r o e t h y l e n e . T h e m o s t w e l l k n o w n a n d w e l l e s t a b l i s h e d o f t h e s e h \ a t i o n ( D u p o n t ) . w h i c h h a s b e e n d e v e l o p e d t h r o u g h s e v e r a l v a r i a n t s s i n c e t h e J l J ( J ( ) s . T h i s m a t e r i a l i s s t i l l t h e e l e c t r o l y t e a g a i n s t w h i c h o t h e r s a r e j u d g e d , a n d i s i n a s e n s e c l l 1 · i n d u s t r y s t a n d a r d ' . O t h e r p o l y m e r e l e c t r o l y t e s f u n c t i o n i n a s i m i l a r w a y . T h e C l 1 1 1 s t r u c t i o n o f t h e e l e c t r o l y t e m a t e r i a l i s a s f o l l o w s . T h e s t a r t i n g p o i n t i s t h e b a s i c . s i m p l e s t t o u n d e r s t a n d , m a n - m a d e p o l y m e r - p o l y e t h y l e n e . I t s m o l e c u l a r s t r u c t u r e b a s e d o n e t h \ l c n e i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 5 H H (~- c ~I H [ t l , y l f , l ' t ' e H H H H H H H H H H H H H I < H I I I I I I I I I I I I I I I - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - C - 1 I I I I I I I I I I I I I I H H H H H H H H H H H H H ~ H r > o l y f : t l , v 1 . : : n t l ( 0 1 p r ; f y t h e n e ) F i g u r e 2 . 5 - S t r u c t u r e o f p o l y e t h y l c n e . ! I n s b a s i c p o l y m e r i s m o d i f i e d b y s u b s t i t u t i n g f l u o r i n e f o r t h e h y d r o g e n . T h i s p r o c e s s i s a p p l i e d t o m a n y o t h e r c o m p o u n d s a n d i s c a l l e d p e r f l u o r i n a t i o n . T h e · m e r · i s c a l l e d t c t r · a l l u o r o e t h y l c n e . T h e m o d i f i e d p o l y m e r . s h o w n i n F i g u r e 2 . 6 . i s p o l y t e t r a t l u o r o e t h y l e n e . u r J > T F F . I t i s a l s o c a l l e d a s T e t l o n , t h e r e g i s t e r e d t r a d e m a r k o f I C I . T h i s r e m a r k a b l e m a t e r i a l h a s b e e n v e r y i m p o r t a n t i n t h e d e v e l o p m e n t o f f u e l c e l l s . T h e s t r o n g b o n d s h c t m . : e n t h e f l u o r i n e a n d t h e c a r b o n m a k e i t d u r a b l e a n d r e s i s t a n t t o c h e m i c a l a t t a c k . A r r < l t h e r i m p o r t a n t p r o p e r t y i s t h a t i t i s s t r o n g l y h y d r o p h o b i c , a n d s o i t i s u s e d i n f u e l c e l l e l e c t r o d e s t o d r i v e t h e p r o d u c t w a t e r o u t o f t h e e l e c t r o d e , a n d t h u s i t p r e v e n t s t l o o d i n g . I t i s u~ed i n t h i s w a y i n p h o s p h o r i c a c i d a n d a l k a l i f u e l c e l l s . a s w e l l a s i n P E M F C s . ( T h e s a m e !~rupert y g i Y c s i t a h o s t o f u s e s i n o u t d o o r c l o t h i n g a n d f o o t w e a r . ) I I F F \~-c F F F F F F F F F F F F F F F F F . L l l I l I ! . ~. L ~ ~ ! . ~. ! , ! , - t , - l , -~~-- c-~ . . . . - c - t , - L - l , - L - L - L - c - c - c - . l . l l . l l . l . l l l l . l . l , 1 1 F F F F F F F F F F F F F I - F T c t r a i l t , o r o o t h y l c n c P o l y t : : : t r o f l u o r o c t h y l c n c ( P T F E ) F i g u r e 2 . 6 - S t r u c t u r c o f P T F E . l l c m c v e r . t o m a k e a n e l e c t r o l y t e , a f u r t h e r s t a g e i s n e e d e d . T h e b a s i c P T F E p o l y m e r i s · s u l p h o n a t e d · a s i d e c h a i n i s a d d e d , e n d i n g w i t h s u l p h o n i c a c i d H S 0 3 . S u l p h o n a t i o n o f c o m p l e x m o l e c u l e s i s a w i d e l y u s e d t e c h n i q u e i n c h e m i c a l p r o c e s s i n g . O n e p o s s i b l e s i d e c h a i n s t r u c t u r e i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 7 . T h e d e t a i l s v a r y f o r d i f f e r e n t t y p e s o f N a t i o n . a n d \ \ i t h d i f f e r e n t m a n u f a c t u r e r s o f t h e s e m e m b r a n e s . F F F F F F F F F F F F F F F I I I I I I I I I I I I I I I - c - c - c - c - c - c - c - c - c - c - c - c - c - c - c - 1 1 I I j _ I I I I I I I I l I F F F F F F F O F F F F F t - F F-l~-F F - h - F ( : ) F - f : > F F-(~-r: I O = S = O c ) l l + F i g u r e 2 . 7 - s t r u c t u r e o f a s u l p h o n a t e d f l u o r o e t h y l e n e h u m t h e p o i n t o f v i e w o f f u e l c e l l u s e , t h e m a i n f e a t u r e s o f N a t i o n a n d o t h e r t l u o r o s u l p h o n a t e i o n o m e r s a r e t h a t . • T h e y a r e c h e m i c a l l y h i g h l y r e s i s t a n t • T h e y a r e s t r o n g ( m e c h a n i c a l l y ) . a n d s o c a n b e m a d e i n t o v e r y t h i n f i l m s , d o w n t o 50~un. • T h e y a r e a c i d i c . • T h e y c a n a b s o r b l a r g e q u a n t i t i e s o f w a t e r . • I f t h e y a r e w e l l h y d r a t e d , t h e H + i o n s c a n m o v e q u i t e f r e e l y w i t h i n t h e m a t e r i a l t h e y a r e g o o d p r o t o n c o n d u c t o r s . ' N a t e r c o l l e t t s . : n o u n d t h 8 duster~ o f h y d r o p h i l i c s u l p h o n a 1 e s i d e c h a i n s F i g u r e 2 . 8 - T h e s t r u c t u r e o f N a t i o n - t y p e m e m b r a n e m a t e r i a l s . , . . , , . . , . : . . . ) 2 . 5 W a t e r M a n a g e m e n t i n t h e P E M F C 2 . 5 . 1 O v e r v i e w o f t h e p r o b l e m l t \ \ i l l b e c l e a r f r o m t h e d e s c r i p t i o n o f a p r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e . t h a t t h e r e m u s t b e s u f t i c i e n t w a t e r c o n t e n t i n t h e p o l y m e r e l e c t r o l y t e . T h e p r o t o n c o n d u c t i v i t y i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e w a t e r c o n t e n t . H o w e v e r , t h e r e m u s t n o t b e s o m u c h w a t e r t h a t t h e e l e c t r o d e s t h a t a r e b o n d e d t o t h e e l e c t r o l y t e f l o o d . b l o c k i n g t h e p o r e s i n t h e e l e c t r o d e s o r t h e g a s d i f f u s i o n l a y e r . A b a l a n c e i s t h e r e f o r e n e e d e d , w h i c h t a k e s c a r e t o a c h i e v e . l n t h e P E M F C . w a t e r f o r m s a t t h e c a t h o d e . I n a n i d e a l w o r l d . t h i s w a t e r w o u l d k e e p t h e e l e c t r o l y t e a t t h e c o r r e c t l e v e l o f h y d r a t i o n . A i r w o u l d b e b l o w n o v e r t h e c a t h o d e . a n d a p a r t f r o m s u p p l y i n g t h e n e c e s s a r y o x y g e n i t w o u l d d r y o u t a n y e x c e s s \ V a t e r . B e c a u s e t h e m e m b r a n e e l e c t r o l y t e i s s o t h i n , w a t e r w o u l d d i f f u s e f r o m t h e - c a t h o d e s i d e t o t h e a n o d e . a n d t h r o u g h o u t t h e w h o l e e l e c t r o l y t e a s u i t a b l e s t a t e o f h y d r a t i o n w o u l d b e a c h i e v e d \ \ i t h o u t a n y s p e c i a l d i f f i c u l t y . T h i s h a p p y s i t u a t i o n c a n s o m e t i m e s b e a c h i e v e d , b u t n e e d s a t ' l l l l d e n g i n e e r i n g d e s i g n t o b r i n g t o p a s s . T h e r e a r e s e v e r a l c o m p l i c a t i o n s . O n e i s t h a t d u r i n g t h e o p e r a t i o n o f t h e c e l l t h e H + i o n s m o \ · i n g f r o m t h e a n o d e t o t h e c a t h o d e p u l l w a t e r m o l e c u l e s w i t h t h e m . T h i s p r o c e s s i s s o m e t i m e s c a l l e d e l e c t r o - o s m o t i c d r a g . T y p i c a l l y , b e t w e e n o n e a n d t i v e w a t e r m o l e c u l e s a r e · d r a g g e d ' f o r e a c h p r o t o n ( Z a w o d z i n s k i e t a L 1 9 9 3 a n d R e n a n d G o t t e s f e l d . 2 0 0 1 ) . T h i s m e a n s t h a t . e s p e c i a l l y a t h i g h c u r r e n t d e n s i t i e s , t h e a n o d e s i d e o f t h e e l e c t r o l y t e c a n b e c o m e d r i e d o u t e v e n i f t h e c a t h o d e i s w e l l h y d r a t e d . A n o t h e r m a j o r p r o b l e m i s t h e d r y i n g e f f e c t o f a i r a t h i g h t e m p e r a t u r e s . B u t i t s u f f i c e s t o s a y a t t h i s s t a g e t h a t a t t e m p e r a t u r e s o f ( 1 \ e r a p p r o x i m a t e l y 6 0 o C , t h e a i r w i l l a l w a y s d r y o u t t h e e l e c t r o d e s f a s t e r t h a n t h e w a t e r i s p r o d u c e d b y t h e 1 - 1 2 / 0 2 r e a c t i o n . O n e c o m m o n w a y t o s o l v e t h e s e p r o b l e m s i s t o h u m i d i f y t h e a i r . t h e h y d r o g e n . o r b o t h . b e f o r e t h e y e n t e r t h e f u e l c e l l . 2 . 5 . 2 A i r f l o w a n d w a t e r e v a p o r a t i o n l \ c c p t i n t h e s p e c i a l c a s e o f P E M f u e l c e l l s s u p p l i e d w i t h p u r e o x y g e n , i t i s u n i v e r s a l l y t h e p r a c t i c e t o r e m o v e t h e p r o d u c t w a t e r u s i n g t h e a i r t h a t f l o w s t h r o u g h t h e c e l l . T h e a i r w i l l a l s o a l w a y s b e f e d t h r o u g h t h e c e l l a t a r a t e f a s t e r t h a n t h a t n e e d e d j u s t t o s u p p l y t h e n e c e s s a r y o x y g e n . I f i t w e r e f e d a t e x a c t l y t h e ' s t o i c h i o m e t r i c · r a t e . t h e n t h e r e w o u l d b e \ c r y g r e a t ' c o n c e n t r a t i o n l o s s e s . T h i s i s b e c a u s e t h e e x i t a i r w o u l d b e c o m p l e t e l y d e p l e t e d u ! ' o x y g e n . I n p r a c t i c e , t h e s t o i c h i o m e t r y ( / c ) w i l l b e a t l e a s t 2 . I n A p p e n d i x B , S e c t i o n B 1 . 2 , a \ e r y u s e f u l e q u a t i o n i s d e r i v e d c o n n e c t i n g t h e a i r f 1 o w r a t e , t h e p o w e r o f a f u e l c e l l a n d t h e s t o i c h i o m e t r y ( e q u a t i o n B - 4 ) . P r o b l e m s a r i s e b e c a u s e t h e d r y i n g e f f e c t o f a i r i s s o n o n - l i n e a r i n i t s r e l a t i o n s h i p t o t e m p e r a t u r e . T o u n d e r s t a n d t h i s , w e h a v e t o c o n s i d e r t h e p r e c i s e m e a n i n g a n d q u a n t i t a t i v e e f f e c t s o f t e r m s s u c h a s r e l a t i v e h u m i d i t y , w a t e r c o n t e n t . a n d ~~1turatcd \ ' a p o r p r e s s u r e . 2 4 W a t e r m a y b a c k d i f f u s e f r o m t h e c a t h o d e t o t h e a n o d e , i f t h e c a t h o d e s i d e h o l d s m o r e w a t e r I A E L E T E H 2 0 " ' , " ' 1 E \ \ > t t r r n i l l h e p r o d u c e d ' ' i t h i n t h e c a t h o d e W a t e r w i l l b e d r a g f r o m t h e a n o d e t o t h e c a t h o d e s i d e b y p r o t o n s m o v i n g t h r o u g h t h e e l e c t r o l y t e W a t e r w i l l h t • n · m o v c d h y e n t p o r a t i o n i n t o t h e : t i r c i r c u l a t i n g o v e r t h e < ' a t h o d e ' " ' ' ' \ Y " ' " " ' ' ' ' " " _ j I W a t e r m a y h t • l , . : W a t e r m a y h e s u p p l i e d h y · '"~"·"""·-- s u p p l i e d h~ ~xtcrllall) t • x t c r n a l l ) h u m i d i f y i n g t h e h u m i d i f y i n g t h e h y d r o g t • n s u p p l ) a i r s u p p l y r c " u n : 2 . 9 - T h e d i f f e r e n t w a t e r m o v e m e n t s t o , w i t h i n , a n d f r o m t h e e l e c t r o l y t e o f a P E M f u e l c e l l W h e n c o n s i d e r i n g t h e e f f e c t o f o x y g e n c o n c e n t r a t i o n . t h e p a r t i a l p r e s s u r e s o f t h e v a r i o u s ga~c' t h a t m a k e u p a i r w e r e g i v e n . A t t h a t p o i n t w e i g n o r e d t h e f a c t t h a t a i r a l s o c o n t a i n s \ \ a t u \ a p o r . W e d i d t h i s b e c a u s e t h e a m o u n t o f w a t e r v a p o r i n a i r v a r i e s g r e a t l y , d e p e n d i n g o n t h e t e m p e r a t u r e . l o c a t i o n . w e a t h e r c o n d i t i o n s , a n d o t h e r f a c t o r s . T h i s q u a n t i t y i s \ ( l i l t > u s l y k n o w n a s t h e h u m i d i t y r a t i o . a b s o l u t e h u m i d i t y . o r s p e c i f i c h u m i d i t y a n d i s d e I · " l l ' d ~~s. l i U J l t t l l i t y r a t i o . w c = - m w I m a ( 2 . 1 7 ) W h l · r c . . . m \ v " i s t h e m a s s o f w a t e r p r e s e n t i n t h e s a m p l e o f t h e m i x t u r e a n d " " m a " i s t h e ma~~ , J f d r y a i r . T h e t o t a l m a s s o f t h e a i r i s m w + m a . J - ! l , \ \ C \ c r . t h i s d o e s n o t g i v e a v e r y g o o d i d e a o f t h e d r y i n g e f f e c t o r t h e · f e e l ' o f t h e a i r . W a r m a i r . w i t h q u i t e h i g h w a t e r c o n t e n t , c a n f e e l v e r y d r y , a n d i n d e e d h a v e a v e r y s t r o n g d r ; J l l _ l 2 e f f e c t . W h e n t h e a i r c a n n o t h o l d a n y m o r e w a t e r v a p o r , i t i s ' s a t u r a t e d ' . A i r t h a t h a s n o · c t r y i n g e f f e c t ' t h a t w i l l n o t b e a b l e t o h o l d a n y m o r e w a t e r , c o u l d r e a s o n a b l y b e s a i d t o b e l u l l y h u m i d i f i e d ' . T h i s s t a t e i s a c h i e v e d w h e n P w = P s a t . w h e r e P w i s t h e p a r t i a l pre~-ure o f t h e w a t e r a n d P s a t i s t h e s a t u r a t e d v a p o r p r e s s u r e o f t h e w a t e r . W e d e f i n e t h e r c l d t t \ C h u m i d i t y a s t h e r a t i o o f t h e s e t w o p r e s s u r e s : R e l a t i v e h u m i d i t y . ( f ) 0 " ' P w / P s a t ( 2 . 1 g ) 2 5 2 . 6 O p e r a t i n g P r e s s u r e o f F C 2 . ( ; . l ( ) u t l i n c o f t h e p r o h l c m \ , f l h l u g h s m a l l P E M f u e l c e l l s a r e o p e r a t e d a t n o r m a l a i r p r e s s u r e . l a r g e r f u e l c e l l s . o f I i l k \ \ o r m o r e . a r e s o m e t i m e s o p e r a t e d a t h i g h e r p r e s s u r e s . T h e a d v a n t a g e s a n d l l h a c h a n t a g e s o f o p e r a t i n g a t h i g h e r p r e s s u r e a r e c o m p l e x , a n d t h e a r g u m e n t s a r e n o t a t a l l ( k a r - c u t . t h e r e i s m u c h t o b e s a i d o n b o t h s i d e s . T h e b a s i c i s s u e s a r o u n d o p e r a t i n g a t h i g h e r l't<·~sure a r e t h e s a m e a s f c 1 r o t h e r e n g i n e s . s u c h a s d i e s e l a n d p e t r o l i n t e r n a l c o m b u s t i o n c t l c : i n e s . o n l y w i t h t h e s e m a c h i n e s t h e t e r m u s e d i s ' s u p e r c h a r g i n g ' o r " t u r b o c h a r g i n g ' . l n d e n l . t h e t e c h n o l o g y f o r a c h i e v i n g t h e h i g h e r p r e s s u r e s i s e s s e n t i a l l y t h e s a m e a s t h e J l U r p n s e o f i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e i n a n e n g i n e i s t o i n c r e a s e t h e s p e c i t i c p o w e r . t o g e t m . , r c p o w e r o u t o f t h e s a m e s i z e e n g i n e . H o p e f u l l y , t h e e x t r a c o s t . s i z e . a n d w e i g h t o f t h e c , , m p r e s s i n g e q u i p m e n t w i l l b e l e s s t h a n t h e c o s t , s i z e , a n d w e i - g h t o f s i m p l y g e t t i n g t h e c \ t r a p m v e r b y m a k i n g t h e e n g i n e b i g g e r . I t i s a f a c t t h a t m o s t d i e s e l e n g i n e s a r e o p e r a t e d ~ll , t b u \ e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e t h e y a r e s u p e r c h a r g e d u s i n g a t u r b o c h a r g e r . T h e h o t e x h a u s t ~'h i ' i u s e d t o d r i v e a t u r b i n e . w h i c h d r i v e s a c o m p r e s s o r t h a t c o m p r e s s e s t h e i n l e t a i r t o t h e ,·n~ine. T h e e n e r g y u s e d t o d r i v e t h e c o m p r e s s o r i s t h u s e s s e n t i a l l y · f r e e ' , a n d t h e t u r b o c h a r g e r u n i t s u s e d a r e m a s s - p r o d u c e d . c o m p a c t , a n d h i g h l y r e l i a b l e . I n t h i s c a s e t h e a l h a n l a g e s c l e a r l y o u t w e i g h t h e d i s a d v a n t a g e s . H o w e v e r . w i t h f u e l c e l l s t h e a c h a n l a g e / d i s a d v a n t a g e b a l a n c e i s m u c h c l o s e r . A b o v e a l l , t h i s i s b e c a u s e t h e r e i s l i t t l e cll(T~~ i n t h e e x i t g a s o f t h e P E M F C a n d a n y c o m p r e s s o r h a s t o b e d r i v e n l a r g e l y o r w h o l l y U ' - l i H 2 t h e p r e c i o u s e l e c t r i c a l p o w e r p r o d u c e d b y t h e f u e l c e l l . lli~h p r c s s u r e l l y d r o g e n Stora~e C o m p r e s s o r . \ i r i u t a l ; t ' P r r s s u n · l i q , : u l a t o r C o o l r r A n o d e E l e c t r o l y t e -~· I ' E \ 1 f u e l c e l l F i g u r e 2 . 1 0 - S i m p l e m o t o r d r i v e n a i r c o m p r e s s o r a n d P E M J i 1 e l c e l l . E x h a n s l a i r a n d w a H • r \ : 1 ( 1 0 1 ' l t 1 c s i m p l e s t t y p e o f p r e s s u r i z e d P E M f u e l c e l l i s t h a t i n w h i c h t h e h y d r o g e n g a s c o m e s l n ' m a h i g h - p r e s s u r e c y l i n d e r . S u c h a s y s t e m i s s h o w n i n F i g u r e 2 . 1 0 . O n l y t h e a i r h a s t o b e L ( ' 1 1 1 p r e s s e d . T h e h y d r o g e n g a s i s c o m i n g f r o m a p r e s s u r i z e d c o n t a i n e r . a n d t h u s i t s l ' l ' l l 1 J 1 r e s s i o n · c o m e s f r e e · . T h e h y d r o g e n i s f e d t o t h e a n o d e i n a w a y c a l l e d d e a d e n e d : t h e r e ~~ 1 w \ ' C n t i n g o r c i r c u l a t i o n o f t h e g a s i t i s j u s t c o n s u m e d b y t h e c e l l . T h e c o m p r e s s o r f o r t h e a i r m u s t b e d r i v e n b y a n e l e c t r i c m o t o r , w h i c h o f c o u r s e u s e s u p s o m e o f t h e v a l u a b l e e l e c t r i c i t y g e n e r a t e d b y t h e f u e l c e l l i n a w o r k e d e x a m p l e ; i t i s s h o w n t h a t t h e t y p i c a l p o w e r L ' l ' n s u m p t i o n w i l l b e a b o u t 2 0 % o f t h e f u e l c e l l p o w e r f o r a 1 0 0 - k W s y s t e m . O t h e r s y s t e m s c b c r i b e d i n t h e l i t e r a t u r e [ 1 2 J r e p o r t e v e n h i g h e r p r o p o r t i o n s o f c o m p r e s s o r p o w e r l \:tl~umption. 2 ( ) C h a p t e r 3 T h e o r e t i c a l D e v e l o p m e n t o f F u e l C e l l E l e c t r o - C h e m i s t r y J . l 1 V l a t h c m a t i c a l M o d e l s i n t h e L i t e r a t u r e l u e l c e l l m o d e l i n g i s h e l p f u l f o r f u e l c e l l d e v e l o p e r s b e c a u s e i t c a n l e a d t o f u e l c e l l d e s i g n i m p r o v e m e n t s . a s w e l l a s . b e t t e r . a n d m o r e e f f i c i e n t f u e l c e l l s . T h e m o d e l m u s t b e r o b u s t a n d a c c u r a t e a n d b e a b l e t o p r o v i d e s o l u t i o n s t o f u e l c e l l p r o b l e m s q u i c k l y . A g o o d m o d e l s h o u l d p r e d i c t f u e l c e l l p e r f o r m a n c e u n d e r a w i d e r a n g e o f f u e l c e l l o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . I ' e n a m o d e s t f u e l c e l l m o d e l w i l l h a v e l a r g e p r e d i c t i v e p o w e r . . \ l~w i m p o r t a n t p a r a m e t e r s t o i n c l u d e i n a f u e l c e l l m o d e l a r e t h e c e l l . f u e l a n d o x i d a n t t e m r e r a t u r e s . t h e f u e l o r o x i d a n t p r e s s u r e s , t h e c e l l p o t e n t i a l , a n d t h e w e i g h t f r a c t i o n o f e a c h r e a c t a n t [ 7 ] [ 8 ] . S o m e o f t h e p a r a m e t e r s t h a t m u s t b e s o l v e d f o r i n a m a t h e m a t i c a l m o d e l a r e s h o w n i n F i g u r e 3 . l . T h e n e c e s s a r y i m p r o v e m e n t s f o r f u e l c e l l p e r f o r m a n c e a n d ( 1 p e r a t i o n d e m a n d b e t t e r d e s i g n , m a t e r i a l s , a n d o p t i m i z a t i o n . T h e s e i s s u e s c a n o n l y b e a d d r e s s e d i f r e a l i s t i c m a t h e m a t i c a l p r o c e s s m o d e l s a r e a v a i l a b l e . T h e r e a r e m a n y p u b l i s h e d n w d e l s f o r P E M f u e l c e l l s i n t h e l i t e r a t u r e , b u t i t i s o f t e n a d a u n t i n g t a s k f o r a n e w c o m e r t o t h e f i e l d t o b e g i n u n d e r s t a n d i n g t h e c o m p l e x i t y o f t h e c u r r e n t m o d e l s . l ! 1 c l i r s t c o l u m n o f T a b l e 3 . 1 s h o w s t h e n u m b e r o f d i m e n s i o n s t h e m o d e l s h a v e i n t h e l t t e r a t u r e . M o s t m o d e l s i n t h e e a r l y 1 9 9 0 s w e r e o n e d i m e n s i o n a l , m o d e l s i n t h e l a t e 1 9 9 0 s L , e a r l y : : 2 0 0 0 s w e r e t \ v o d i m e n s i o n a l , a n d m o r e r e c e n t l y t h e r e h a v e b e e n a t~w t h r e e d t m e n s i o n a l m o d e l s f o r c e r t a i n f u e l c e l l c o m p o n e n t s . T h e s e c o n d c o l u m n s p e c i f i e s t h a t t h e m m l c l c a n b e d y n a m i c o r s t e a d y s t a t e . M o s t p u b l i s h e d m o d e l s h a v e s t e a d y s t a t e v o l t a g e c h a r a c t e r i s t i c s a n d c o n c e n t r a t i o n p r o f i l e s . T h e n e x t c o l u m n o f T a b l e 3 . 1 p r e s e n t s t h e t y p e s t d d e c t r o d e k i n e t i c e x p r e s s i o n s u s e d . S i m p l e T a f e l - t y p e e x p r e s s i o n s a r e o f t e n e m p l o y e d . t e r t a i n r e s e a r c h e r s u s e B u t l e r - V o l m e r - t y p e e x p r e s s i o n s , a n d a f e w o t h e r m o d e l s u s e m o r e r e a l i s t i c . c o m p l e x m u l t i s t e p r e a c t i o n k i n e t i c s f o r t h e e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s . T h e n e x t l t l ! u m n c o m p a r e s t h e p h a s e s u s e d f o r t h e a n o d e a n d c a t h o d e s t r u c t u r e s . I t i s w e l l k n o v m t h a t t h e r e a r e t w o p h a s e s ( l i q u i d a n d g a s ) t h a t c o e x i s t u n d e r a v a r i e t y o f o p e r a t i n g c , ' l l d i t i o n s . I n s i d e t h e c a t h o d e s t r u c t u r e . w a t e r m a y c o n d e n s e a n d b l o c k t h e w a y f o r f r e s h 1 l \ \ ~2l~ll t o r e a c h t h e c a t a l y s t l a y e r . , \ J l i m p o r t a n t f e a t u r e o f e a c h m o d e l i s t h e m a s s t r a n s p o r t d e s c r i p t i o n s o f t h e a n o d e . c~1thode. a n d e l e c t r o l y t e . S e v e r a l m a s s t r a n s p o r t m o d e l s a r e u s e d . S i m p l e F i c k d i f f u s i o n t l h l d e l s a n d e f f e c t i v e F i c k d i f f u s i o n m o d e l s t y p i c a l l y u s e e x p e r i m e n t a l l y d e t e r m i n e d ~.:lfectiw t r a n s p o r t c o e f f i c i e n t s i n s t e a d o f F i c k d i f f u s i v i t i e s . a n d d o n o t a c c o u n t f o r U i J l \ e c t i v e t l o \ v c o n t r i b u t i o n s . T h e r e f o r e . m a n y m o d e l s u s e N e r n s t - P l a n c k m a s s t r a n s p o r t < . ' \ j • r e s s i o n s t h a t c o m b i n e F i c k ' s d i f f u s i o n w i t h c o n v e c t i v e f l o w . T h e c o n v e c t i v e 1 1 o w i s t \ p i c a l l y c a l c u l a t e d f r o m D a r c y ' s l a w u s i n g d i f f e r e n t f o r m u l a t i o n s o f t h e h y d r a u l i c l ' l ' r m e a b i l i t y c o e f f i c i e n t . S o m e m o d e l s u s e S c h l o g l ' s f o r m u l a t i o n s f o r c o n v e c t i v e 1 l o v > ' i11.~tead o f D a r c y ' s l a w . w h i c h a l s o a c c o u n t s f o r e l e c t r o o s m o t i c t l O \ v , a n d c a n b e u s e d f o r J ! 1 a s s t r a n s p o r t i n s i d e t h e P E M . A v e r y s i m p l e m e t h o d o f i n c o r p o r a t i n g e l e c t r o o s m o t i c f l o w i r 1 t h e m e m b r a n e i s b y a p p l y i n g t h e d r a g c o e f f i c i e n t m o d e l . w h i c h a s s u m e s a p r o p o r t i o n o f \ \ C t t c r a n d f u e l f l o w t o p r o t o n t l o w . A n o t h e r p o p u l a r t y p e o f m a s s t r a n s p o r t d e s c r i p t i o n i s 1 i ! c i v l a x m : l l - S t e L m f o r m u l a t i o n f o r m u l t i c o m p o n e n t m i x t u r e s . T h i s h a s b e e n u s e d f o r g a s - . , " 7 _ I p h a s e t r a n s p o r t i n m a n y m o d e l s . b u t t h i s e q u a t i o n w o u l d b e b e t t e r u s e d f o r l i q u i d - v a p o r - p h a s e m a s s t r a n s p o r t . V e r y f e w m o d e l s u s e t h i s e q u a t i o n f o r b o t h p h a s e s . S u r f a c e d i f f u s i o n m o d e l s a n d m o d e l s d e r i v e d f r o m i r r e v e r s i b l e t h e r m o d y n a m i c s a r e s e l d o m u s e d . M a s s t r a n s p o r t m o d e l s t h a t u s e e f f e c t i v e t r a n s p o r t c o e f f i c i e n t s a n d d r a g c o e n i c i e n t s u s u a l l y o n l y y i e l d a g o o d a p p r o x i m a t i o n t o e x p e r i m e n t a l d a t a u n d e r a l i m i t e d r a n g e o f o p e r a t i n g c o n d i t i o n s . H y d r o g e n P r o p e r t i e s P : p r e , . s u r e X _ H 2 : m o l e f r a c t i o n T _ H 2 : t a m p e r a l u o o - X _ H : 2 0 ( l ) c m o l e f t a o < : l i o n o f l i q u i d w a w X _ H 2 0 ( v ) : m o l e f l l ! I C t i o n O l f ' w a l e r v a p o r U : v e l o c i t y M : m o l a r f l o w r o t e V : \ l o ! t a g & k C u r r e n t ® e l e c t r o n s ~b) C a t a l y & t L o y e r f : I ¢ < 1 J o l y t e ( c a r b o n s u p p o r t e d l . . a y t r e a t o l y a t ) G a s D i f f u s i o n L a y a : ( E i o o t l i c a l l y c m ! d u c l i v e f i h e . . ) M a t e r i a , ! P i ' o p e d l e $ ( f o r N A : b l a y e r ) T : t o m p O O I ! I J r o K : e ! G c t r i t a l o r i o n i c c o n d u < : I M t y K : t h & r m a l c o n d t l c i M t y E : V O i d f r l l l l t i o n R h O : d . . O O t y A : a r e a T : t h i c k n e s s O x y g e n P r O p e r t i e s P:~ T _ 02~ t e m p e r a t u r e X 0 2 : m o l e f r n d i o n O i l o x y g e n u - : - Y t i l o c i t y M : m o l a r f l o w r a t e O x Y J ( l n \ Y a t e r W a t e r P r o p e r t i e a P ; p r e s s u m T _ H 2 0 : w m p e r a t u r a X _ H 2 0 { n : m o l o f m e l i o n o f U q u i d w a t o r ) C H 2 0 ( v ) : m o l e f r a c : ! i o n O i l ' w a t e r v a p o r U : v e l o e i l y M : m o l a r ! l a w r a t e F i g u r e 3 . 1 - P a r a m e t e r s t h a t m u s t b e s o l v e d f o r i n a m a t h e m a t i c a l m o d e l . T h e s e c o n d t o l a s t c o l u m n o f T a b l e 3 . 1 [ 8 ] s h o w s t h a t t h e s w e l l i n g o f p o l y m e r m e m b r a n e s i s n w d e l e d t h r o u g h e m p i r i c a l o r t h e r m o d y n a m i c m o d e l s f o r P E M f u e l c e l l s . M o s t m o d e l s a s s u m e a f u l l y h y d r a t e d P E M . I n c e r t a i n c a s e s , t h e w a t e r u p t a k e i s d e s c r i b e d b y a n e m p i r i c a l c o r r e l a t i o n . a n d i n o t h e r c a s e s a t h e r m o d y n a m i c m o d e l i s u s e d b a s e d u p o n t h e c h a n g e o f G i b b s f r e e e n e r g y i n s i d e t h e P E M b a s e d u p o n w a t e r c o n t e n t . T h e l a s t c o l u m n n o t e s w h e t h e r t h e p u b l i s h e d m o d e l i n c l u d e s e n e r g y b a l a n c e s . M o s t m o d e l s a s s u m e a n i s o t h e r m a l c e l l o p e r a t i o n a n d t h e r e f o r e h a v e n o e n e r g y b a l a n c e s i n c l u d e d . H o w e v e r . i n c l u d i n g e n e r g y b a l a n c e e q u a t i o n s i s a n i m p o r t a n t p a r a m e t e r i n f u e l c e l l m o d e l s b e c a u s e t h e t e m p e r a t u r e a f f e c t s t h e c a t a l y s t r e a c t i o n s a n d w a t e r m a n a g e m e n t i n t h e f u e l c e l l . 1 \ m o d e l i s o n l y a s a c c u r a t e a s i t s a s s u m p t i o n s a l l o w i t t o b e . T h e a s s u m p t i o n s n e e d t o b e \ \ e l l u n d e r s t o o d i n o r d e r t o u n d e r s t a n d t h e m o d e l ' s l i m i t a t i o n s a n d t o a c c u r a t e l y i n t e r p r e t i t s r e s u l t s . C o m m o n a s s u m p t i o n s u s e d i n f u e l c e l l m o d e l i n g a r e : • I d e a l g a s p r o p e r t i e s • I n c o m p r e s s i b l e J l o w • L a m i n a r 1 l o w • I s o t r o p i c a n d h o m o g e n e o u s e l e c t r o l y t e . e l e c t r o d e , a n d b i p o l a r m a t e r i a l s t r u c t u r e s • A . n e g l i g i b l e o h m i c p o t e n t i a l d r o p i n c o m p o n e n t s 2 6 , .~~s a n d e n e r g y t r a n s p o r t i s m o d e l e d f r o m a m a c r o p e r s p e c t i v e u s i n g v o l u m e - a v e r a g e d · , . : n a t i o n e q u a t i o n s , ~,)nccpts p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r c a n b e a p p l i e d t o a l l f u e l c e l l t y p e s . r e g a r d l e s s o f t h e t r c e l l g e o m e t r y . E v e n s i m p l e f u e l c e l l m o d e l s w i l l p r o v i d e t r e m e n d o u s i n s i g h t i n t o , J . · t m i n i n g w h y a f u e l c e l l s y s t e m p e r f o r m s w e l l o r p o o r l y . T a b l e 3 . 1 - C f R M a t l I M o d e l ~o. o • D y n / s s A n o d e a n d A n o d e a n d T f V i a s s M a s s M e m a n e I E n e r - g Y ! j B a l a n c e 1 J i m e n s 1 0 n s C a t h o d e C a t h o d e ' T r a n s p o r t T r a n s p o r t S w e l g K i n e t i c s P h a s e ( A n o d e a n d ( E i e c t r o l y t C a t h o d e ) e ) I l I I ' i 1 l D v n T a f e l - t y p e G a s , l i q u i d , E f f e c t i v e N e r n s t - i c a l I s o t h c r 1 ---~~-- J i m L · · ' ' ' 1 1 . m 1 c l E m r e x p r e s s i O n s c o m b i n a t i o n F i c k ' s P l a n c k o r --~r-------1 m a l o r I o d y n I f u l l , \ \ \ ! s t e a l i l l l L " , . . , , n 1 . I s t a t e I I ' B u t l e r - o f g a s a n d l i q u i d d i f f u s i o n . . S c h l o g l , t h e n N e r n s t - N e r n s t - a t n J ( c n e r o v ! 1 b . s I b a l a n c e I w t h r . _ . I I !Jllll'~ ' i l l l l ! V o l m e r , c o m p l e x 1 k i n e t i c s j c q u : 1 t i o n s I I j I I I 3 . 1 . 1 C r e a t i n g M a t h e m a t i c a l M o d e l s P l a n c k , Nern.~t- P l a n c k S c h l o g l , M a x w e l l - I P l a n e ! \ m o d d r a g c o c l T i I I I I I I c i c n t ~a~~vcll-1 S t e f a n , E f f e c t i v e I F i c k " s l d i f f u s i o n _ _ _ _ I I . ' I _ L _ _ I T : : : ! ) a s i c s t e p s u s e d f o r c r e a t i n g a m a t h e m a t i c a l m o d e l a r e t h e s a m e r e g a r d l e s s o f t h e ~~ , L · m b e i n g m o d e l e d [ 8 ] . T h e d e t a i l s v a r y s o m e w h a t f r o m m e t h o d t o m e t h o d , b u t a n U h l : r s t a n d i n g o f t h e c o m m o n s t e p s , c o m b i n e d w i t h t h e r e q u i r e d m e t h o d . p r o v i d e s a 1 ! - : t · J t e \ \ O r k i n w h i c h t h e r e s u l t s f r o m a l m o s t a n y m e t h o d c a n b e i n t e r p r e t e d a n d u n d e r s t o o d . I l l . · h a s i c s t e p s o f t h e m o d e l - b u i l d i n g p r o c e s s a r e : I . \ ! , , d e l s e l e c t i o n . - , \ J , 1 d e l f i t t i n g ' \ l , l L k l v a l i d a t i o n T l i l · ' e t h r e e b a s i c s t e p s a r e u s e d i t e r a t i v e l y u n t i l a n a p p r o p r i a t e m o d e l f o r t h e d a t a h a s b e e n d e \ c · l o p e d . I n t h e m o d e l s e l e c t i o n s t e p . p l o t s o f t h e d a t a , p r o c e s s k n o w l e d g e . a n d a s - - u m p t i o n s a b o u t t h e p r o c e s s a r e u s e d t o d e t e r m i n e t h e f o r m o f t h e m o d e l t o b e f i t t o t h e d~ti.l T h e n . u s i n g t h e s e l e c t e d m o d e l a n d d a t a , a n a p p r o p r i a t e m o d e l - f i t t i n g m e t h o d i s u s e d l l l L ' ' t i m a t e t h e u n k n o w n p a r a m e t e r s i n t h e m o d e l . W h e n t h e p a r a m e t e r e s t i m a t e s h a v e b e e n m , t L k . t h e m o d e l i s t h e n c a r e f u l l y a s s e s s e d t o s e e i f t h e u n d e r l y i n g a s s u m p t i o n s o f t h e a J u l \ ' i i S a p p e a r r e a s o n a b l e . l f t h e a s s u m p t i o n s s e e m v a l i d , t h e m o d e l c a n b e u s e d t o a n s w e r t i L · , e i e n t i f i c o r e n g i n e e r i n g q u e s t i o n s t h a t i n i t i a t e d t h e m o d e l i n g e f f o r t . I f t h e m o d e l \ a l 1 d a t i o n i d e n t i t i e s p r o b l e m s w i t h t h e c u r r e n t m o d e l , h o w e v e r , t h e n t h e m o d e l i n g p r o c e s s i s r c : p e a t e d u s i n g i n f o r m a t i o n f r o m t h e m o d e l v a l i d a t i o n s t e p t o s e l e c t a n d / o r t i t a n i m p n l \ e d m o d e l . : : 2 9 -~·! . 2 V a r i a t i o n o n t h e B a s i c S t e p s 1 · 1 e t h r e e b a s i c s t e p s o f p r o c e s s m o d e l i n g a s s u m e t h a t t h e d a t a h a v e a l r e a d y b e e n c o l l e c t e d , , J d t h a t t h e s a m e d a t a s e t c a n b e u s e d t o f i t a l l o f t h e c a n d i d a t e m o d e l s . A l t h o u g h t h i s i s · • l l e ! J t h e c a s e i n m o d e l - b u i l d i n g s i t u a t i o n s , o n e v a r i a t i o n o n t h e b a s i c m o d e l - b u i l d i n g ' l l J U e n c c c o m e s u p w h e n a d d i t i o n a l d a t a a r e n e e d e d t o f i t a n e w l y h y p o t h e s i z e d m o d e l h d c . c d o n a m o d e l f i t t o t h e i n i t i a l d a t a . I n t h i s c a s e . t w o a d d i t i o n a l s t e p s e x p e r i m e n t a l , ! l - , i g n a n d d a t a c o l l e c t i o n c a n b e a d d e d t o t h e b a s i c s e q u e n c e b e t w e e n m o d e l s e l e c t i o n a n d ' ' 1 . l l k l - f i t t i n g . F i g u r e 3 . 2 [ 8 1 s h o w s t h e b a s i c m o d e l - f i t t i n g s e q u e n c e w i t h t h e i n t e g r a t i o n o f • : L · r e l a t e d d a t a c o l l e c t i o n s t e p s i n t o t h e m o d e l - b u i l d i n g p r o c e s s . N o . . . ( """~ ! S r l t • t t m o d e l l l i l ' t ' d u p o n r u r r c n l d a t a o r n • o , ; u l t 1 r 0 . / · - . < b n c w d a t a n c e d r d t o l i t I I H H I I ' I ' ! " ' - . . ~/ N o F i t m o d e l u s i n g p a r a m e t e r s e s t i m a t i o n m e t h o d s u g g e s t e d h y d a t a o r p r o c e s s e s l w o w l c d g e \ · : , ! l a t e ] m o d e l T D o c s n c " m o d e l d e s c r i b e d a t a ' ! Y~s n p n u n r n t [ llcsig~1 u~·w~~ ~ - - - - - - - C o l l e c t n e w d a t a Y e s ~ ~~ ) F i g u r e 3 . 2 - M o d e l - b u i l d i n g s e q u e n c e t ' · r 1 s i d e r i n g t h e m o d e l s e l e c t i o n a n d f i t t i n g b e f o r e c o l l e c t i n g t h e i n i t i a l d a t a i s a l s o a g o o d t . L ' 1 . W i t h o u t d a t a i n h a n d . a h y p o t h e s i s a b o u t w h a t t h e d a t a w i l l l o o k l i k e i s n e e d e d i n , ' ' k ' r t o g u e s s w h a t t h e i n i t i a l m o d e l s h o u l d b e . H y p o t h e s i z i n g t h e o u t c o m e o f a n c ' \ P e r i m e n t i s n o t a l w a y s p o s s i b l e , b u t e f f o r t s m a d e i n t h e e a r l i e s t s t a g e s o f a p r o j e c t o f t e n 1 1 1 . 1 \ l m i z e t h e e f f i c i e n c y o f t h e w h o l e m o d e l - b u i l d i n g p r o c e s s a n d r e s u l t i n t h e b e s t p o s s i b l e : n . ' d c l s f o r t h e p r o c e s s . T h e r e m a i n d e r o f t h i s r e s e a r c h i s d e v o t e d t o t h e b a c k g r o u n d t h e o r y c t r L I m o d e l i n g o f t h e f u e l c e l l l a y e r s t o h e l p o n e t o b e t t e r u n d e r s t a n d t h e f u e l c e l l s y s t e m . ~u~cl t u c r e a t e a n a c c u r a t e o v e r a l l f u e l c e l l m o d e l . 3 0 . i . 2 F u e l C e l l E l e c t r o c h e m i s t r y · . 2 . 1 I n t r o d u c t i o n 1 1 1 : - . s e c t i o n c o v e r s t h e e l e c t r o c h e m i s t r y n e e d e d i n o r d e r t o p r e d i c t o r m o d e l b a s i c e l e c t r o d e 1 ' n c t i c s . a c t i v a t i o n o v e r p o t e n t i a l , c u r r e n t s , a n d p o t e n t i a l s i n a f u e l c e l l . I t i s e s s e n t i a l t o ' 1 1 d c r s t a n d t h e u n d e r l y i n g r e a c t i o n p r o c e s s o c c u r r i n g a t t h e a n o d e a n d c a t h o d e w h e n , ' d d c i i n g f u e l c e l l s . T h e e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s c o n t r o l t h e r a t e o f p o w e r g e n e r a t i o n . a n d . ~..: t h e c a u s e o f a c t i v a t i o n v o l t a g e l o s s e s . A l o t o f p r o g r e s s h a s b e e n m a d e i n t h e a r e a o f , i c . . : t r o d e k i n e t i c s . b u t t h e r e i s s t i l l a l o t o f w o r k t h a t n e e d s t o b e d e v e l o p e d i n o r d e r t o f u l l y : I H . I e r s t a n d t h e a c t u a l c o m p l e x a n o d e a n d c a t h o d e k i n e t i c s . . • . 2 . 2 B a s i c E l e c t r o k i n e t i c C o n c e p t s \ I e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s e s i n v o l v e t h e t r a n s f e r o f e l e c t r o n s b e t w e e n a n e l e c t r o d e a n d a , ' I L ' l l l i c a l s p e c i e s w i t h a c h a n g e i n G i b b s f r e e e n e r g y . E l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n o c c u r s a t t h e 'll:rl~tcc b e t w e e n t h e e l e c t r o d e a n d t h e e l e c t r o l y t e . a s s h O \ v n i n F i g u r e 3 . 3 G - - ) ot.'ldtct~ ( ; ) J : ! y d ! ' C • I l • • ('a:a.l~r~>t L a y e 1 l : l t f l r c t : n e ~ U : U h . . ' > f C : l l l t l : } ' t t " (~.uOCu S ( l p p o . i l 1 " N i Lay~, (,_Uc~:uc<>llr c . U a l y W ) c o o d w . : t w t .6.1.:.et~) F i g u r e 3 . 3 - F u e l c e l l e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s a t t h e e l e c t r o l y t e a n d e l e c t r o d e . ! i l l ' o v e r a l l P E M f u e l c e l l r e a c t i o n s d o n o t s e e m o v e r l y c o m p l i c a t e d ; t h e a c t u a l r e a c t i o n s r r u c e e d t h r o u g h m a n y s t e p s a n d i n t e r m e d i a t e s p e c i e s . F o r e x a m p l e . f o r t h e a n o d i c r e a c t i o n . t 1 1 c i ' o l l o w i n L ' , e l e m e n t a r y r e a c t i o n s a r e i m p o r t a n t . ~ - I - 1 " ' l l · t · · J - I ( 3 . 1 ) 2 , - t ( J d a d , ' I l a d . . . . . . . 1 1 T + e - ( 3 . . 2 ) I i l l ' l i r s t r e a c t i o n i s a d i s s o c i a t i w c h e m i s o r p t i o n s t e p k n o w n a s a T a f e l r e a c t i o n . a n d t h e - , c · c u n d r e a c t i o n i s a c h a r g e t r a n s f e r ' ' V o l m e r " r e a c t i o n . [ t s u g g e s t s t h a t t h e h y d r o g e n f i r s t a b s o r b s o n t h e e l e c t r o d e s u r f a c e . a n d t h e n d i s s o c i a t e s i n t o t h e H a t o m s . S e c o n d E q u a t i o n , k t u a l l y p r o d u c e s t h e p r o t o n a n d e l e c t r o n . T h e f i r s t r e a c t i o n t a k e s i n t o c o n s i d e r a t i o n t h a t t t 1 c r e a c t i n g s p e c i e s m u s t f i r s t b e a b s o r b e d o n t h e e l e c t r o d e s u r f a c e b e f o r e t h e c h e m i c a l r e a c t i o n c a n o c c u r . T h e r a t e o f t h e e l e c t r o d e r e a c t i o n m a y b e i n f 1 u e n c e d b y t h e d i v e r s e 3 J th:-,mh~d s p e c i e s a n d t h e n u m b e r o f v a c a n t s i t e s . T h e s u r f a c e c o v e r a g e c a n b e d e t i n c d a s i 1 c t r a c t i o n o f t h e e l e c t r o d e s u r f a c e c o v e r e d b y a d s o r b e d s p e c i e s . (~.]) , \ h e r e . . a d " i s t h e s p e c i e s t h a t i s a b s o r b e d o n t h e e l e c t r o d e s u r b c e . a n d ' " s " i s t h e m c e n t r a t i o n . C \ a d i s a t t h e s a t u r a t i o n o f t h e e l e c t r o d e s u r f a c e . T h e r e a c t i o n r a t e e q u a t i o n s . m b e w r i t t e n m o r e d e s c r i p t i v e l y t o i n c l u d e t h e m e t a l a d s o r p t i o n s i t e s ( M ) 3 : L t . i ~ . . ~~<7 1 - . . : . t > I h e r d o r c . t h e e x p r e s s i o n f o r t h e r a t e o f r e a c t i o n c a n b e w r i t t e n a s f o l l o w s ( 3 . 4 ) ( 3 . 5 ) ( 3 . 6 ) • \ h e r e ( 1 - ) i s t h e m e t a l s u r f a c e n o t c o v e r e d b y a d s o r b e d h y d r o g e n . T h e e q u a t i o n s ' I ' L ' s e n t e d i n t h i s s e c t i o n b e g i n t o i l l u s t r a t e s o m e o f t h e f a c t o r s n v o l v e d \ v i t h t h e . · t e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s o c c u r r i n g a t t h e e l e c t r o d e / e l e c t r o l y t e interf~lce. ) . 2 . 3 T h e V o l t a g e L o s s e s f o r a P o l a r i z a t i o n C u r v e n d e r s t a n d i n g t h e r e a c t i o n s a t t h e f u e l c e l l a n o d e a n d c a t h o d e i s c r i t i c a l w h e n m o d e l i n g ' u e l c e l l s . T h i s s h o w s t h e b a s i c e l e c t r o c h e m i s t r y n e e d e d t o p r e d i c t e l e c t r o d e k i n e t i c s . t c t i \ a t i o n l o s s e s . c u r r e n t s . a n d p o t e n t i a l s i n a f u e l c e l l . T h e e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s . , ) n t r o l t h e r a t e o f p o w e r g e n e r a t i o n a n d a r e t h e m a i n c a u s e o f a c t i v a t i o n v o l t a g e l o s s e s . I h e a c t i v a t i o n o v e r v o l t a g e i s t h e v o l t a g e l o s s d u e t o o v e r c o m i n g t h e c a t a l y s t a c t i v a t i o n ' ' a r r i e r i n o r d e r t o c o n v e r t p r o d u c t s i n t o r e a c t a n t s . T h e e q u a t i o n s p r e s e n t e d i n t h i s . h e l p t o : ' r e d i c t h o w f a s t t h e r e a c t a n t s a r e c o n v e r t e d i n t o e l e c t r i c c u r r e n t . a n d h o w m u c h e n e r g y l o s s > c c u r s d u r i n g t h e a c t u a l e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n . I h e f i r s t s t e p i n c r e a t i n g t h e p o l a r i z a t i o n c u r v e i s t o c a l c u l a t e t h e N e r n s t v o l t a g e a n d \ , 1 l t a g e l o s s e s . T o c a l c u l a t e t h e N e r n s t v o l t a g e f o r t h i s e x a m p l e . t h e p a r t i a l p r e s s u r e s o f 1 \ a t e r . h y d r o g e n . a n d o x y g e n w i l l b e u s e d . F i r s t c a l c u l a t e t h e s a t u r a t i o n p r e s s u r e o f w a t e r : I h L " p a r t i a l p r e s s u r e o f h y d r o g e n ( 3 . 7 ) ( 3 . 8 ) I h e p a r t i a l p r e s s u r e o r n x y g e n ( J . t ) ) I h e a c t i \ · a t i o n l o s s e s a r e e s t i m a t e d u s i n g t h e T a f e l e q u a t i o n : . , " · ' - - l V a c t = - b *log(~) t o R • T w h e r e b = Z • r x • F ( 3 . 1 ( ) ) I \ i s t h e g a s c o n s t a n t , T i s t h e t e m p e r a t u r e ( K ) , F i s F a r a d a y ' s c o n s t a n t a n d a i s t h e c h a r g e t r a n s f e r c o e f f i c i e n t . T h e o h m i c l o s s e s a r e e s t i m a t e d u s i n g O h m ' s l a w : V o l u n i c = - ( i * r ) ( 3 . 1 1 ) I h e m a s s t r a n s p o r t ( o r c o n c e n t r a t i o n l o s s e s ) c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : - · k i V c o n c - a l p h a l * L * l n ( l - - : - ) l L ( 3 . 1 2 ) I l l i n s u r e t h a t t h e r e a r e n o n e g a t i v e v a l u e s c a l c u l a t e d f o r V , , 1 . , , f o r t h e M A T L A B p r o g r a m . t h e m a s s t r a n s p o r t l o s s e s w i l l o n l y b e c a l c u l a t e d i f 1 - ( / J > o ( 3 . 1 3 ) e l s e Vconc~ 0 . l ' h e N e r n s t v o l t a g e c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : , c f , l i q R * r k P 1 1 2 0 ( 3 . 1 4 ) E N c r · s t = - - - - - . - - , * I n ( 1 ) 2 * F 2 d · - P H z * P 2 o z S i n e e a l l o f t h e v o l t a g e l o s s e s h a d a ( - ) i n f r o n t o f e a c h e q u a t i o n . t h e a c t u a l v o l t a g e i s t h e a d d i t i o n o f t h e N e r n s t v o l t a g e p l u s t h e v o l t a g e l o s s e s : Y = E 0 : c r n ' t + Y a c t + Y u i l n r r c + Y cm~c· ( 3 . 1 5 ) E x a m p l e 3 . 1 : A 2 5 - c m 2 a c t i v e a r e a h y d r o g e n - a i r f u e l c e l l s t a c k h a s 2 0 c e l l s , a n d o p e r a t e s a t a t e m p e r a t u r e o f 6 0 ° C . B o t h t h e h y d r o g e n a n d a i r a r e f e d t o t h e f u e l c e l l a t a p r e s s u r e o f 1 a t m . C r e a t e t h e p o l a r i z a t i o n a n d f u e l c e l l p o w e r c u r v e f o r t h i s f u e l c e l l s t a c k . ( A p p e n d i x C - C - 1 ) . S o m e u s e f u l p a r a m e t e r s f o r c r e a t i n g t h e p o l a r i z a t i o n c u r v e a r e : ! h e t r a n s f e r c o e f t i c i e n t , a , i s 0 . 5 , t h e e x c h a n g e c u r r e n t d e n s i t y , i 0 , i s 1 0 - 6 9 1 2 A / c m 2 , t h e l i m i t i n g c u r r e n t d e n s i t y , i L , i s 1 . 4 A / c m 2 , t h e a m p l i f i c a t i o n c o n s t a n t ( a 1 ) i s 0 . 0 8 5 . t h e G i b b s f u n c t i o n i n l i q u i d f o r m , G U i q . i s - 2 2 8 , 1 7 0 J / m o L t h e c o n s t a n t f o r m a s s t r a n s p o r t . k . i s 1 . 1 . a n d t h e i n t e r n a l r e s i s t a n c e , R . i s 0 . 1 9 Q c m 2 . . . , . . , _ ) _ ) -~-- . t ' · = · : 2 _ : . , \ 1 ; ' 0 ) l : t = i D > - = ' l l - = ' ( ) F u e l c e l l p o l a r i z a t i o n c u N e , , r ------~- --~-.- - - - - - - r - - - - - - - - ,-------~-----~-----:~-------·--- 1 ] · ) 0 u . . ' L . . . . . . ,,~"'"'"···--• ..,'""""·""·~:«. . . . . . . . . . . . . . ' : . . . . . . . . . . . . . . . . . ~---- ( ' 7 . , . . -"t-r~,.-t,.",."t~~,., '"···:··~.'!<,~~;,.;,, " ' · · 0 5 0 5 0 4 ( I 3 · - - 0 > - - · C J I L _ _ 0 0 2 · - : : : 0 " : - 4 - - - - i 5 O . B C u r r e n t d e n s i t y ( A J c r n 2 ) . • : t t . . - ' • . . , . . _ . . ' ' • , - , • • · - • , . . . . F i g u r e 3 . 4 . A P o l a r i z a t i o n c u r v e g e n e r a t e d i n f o r E x a m p l e 3 . 1 F u e l c e l l p o w e r I , _ _ , _ i ' I 4 7 D O O - - - - , - - , - - -. - . --,~ ~...-t . . . . ··~~ j I - t l - i - o 1 " t . i f " ' r " - " t · · t . , . , . r - r ) Q r l - , J o ' - . . o j - . , _ , . L l : _ . . - . . f " " " , . . V . * \ I ~·~ T \ I . . . . t , . . . = - / * . . . _ f · . ' J ' I ~, . • • f f i ~ ~ _ . . < 1 C I C I O I - - - - - - - - - - - - · ; : t • - - - ~ I / ;;~: ' , ; · · · " ' ' ~ 3 0 0 0 , _ $ < : ; I C l . . : 2 0 0 0 I 1 [ 1 0 0 I + . - · o ' " " . . . 7 . . . · - - " j , ' * ' . . • • ' ' . . . ' ~·-f·-- · : . . , . . _ , _ + * . . . : _ _ - t · · - - - : _ . t - , ; t . . . . . . . : + ' 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 C u r r e n t d e n s i t y ( A J c r n 2 ) F i g u r e 3 . 4 . B P o w e r c u r v e g e n e r a t c J i n f o r E x a m p l e 3 . 1 1 2 I 4 3 4 ~.2.-i M o d e l i n g t h e C a t a l y s t L a y e r 1 I > L k l t h e P E M f u e l c e l l a n o d e a n d c a t h o d e c a t a l y s t l a y e r u s i n g t h e e q u a t i o n s f o r p o r o u s ~ t t a l y s t s i n t r o d u c e d i n t h i s s e c t i o n [ 7 ] [ 8 ] . C r e a t i o n o f e x p r e s s i o n s f o r t h e a n o d e a n d c a t h o d e 1 . t 1 \ a t i o n l o s s e s , l i q u i d w a t e r r a t e o f r e a c t i o n , a n d h y d r o g e n r a t e o f r e a c t i o n w i t h t h e · ! l t 1 \ \ i n g p l o t s a r e s h o w n : A l l o f t h e p a r a m e t e r s r e q u i r e d f o r t h i s d e r i v a t i o n a r e l i s t e d i n l j h l c ~.2. ( I ) C u r r e n t d e n s i t y v e r s u s t h e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r , ( 2 ) C u r r e n t d e n s i t y v e r s u s a c t i v a t i o n l o s s e s , ( 3 ) C u r r e n t d e n s i t y v e r s u s v o l t a g e ( p o l a r i z a t i o n c u r v e ) ( 4 ) C u r r e n t d e n s i t y v e r s u s t h e h y d r o g e n f l u x d e n s i t y . \ l , l l k l i n g t h e c a t a l y s t l a y e r i s v e r y c o m p l e x b e c a u s e i t h a s p r o p e r t i e s o f a l l o f t h e o t h e r f u e l , : i l l a y e r s c o m b i n e d . S o m e o f t h e i m p o r t a n t p h e n o m e n a t h a t n e e d t o b e i n c l u d e d i n a : _ ' ( l n J U s c a t a l y s t l a y e r m o d e l i n c l u d e m a s s , e n e r g y , a n d c h a r g e b a l a n c e s a l o n g w i t h a · ! a t i o n t h a t a c c o u n t s f o r t h e c o n t a c t b e t w e e n t h e p o r o u s G D L a n d p o l y m e r m e m b r a n e < > \ c r . I n a d d i t i o n , k n o w i n g h o w t h e c a t a l y s t a g g l o m e r a t e s a r e d i s t r i b u t e d a l o n g t h e G D L i s 1 , : h a l l c n g c . T h e k i n e t i c s e q u a t i o n s a r e t h e m o s t i m p o r t a n t w h e n m o d e l i n g t h e c a t a l y s t . ' c r . C o m m o n l y u s e d e q u a t i o n s a r e t h e T a f e l a n d t h e B u t l e r - V o l m e r e q u a t i o n s ( A p p e n d i x C - 2 ) . , - 1 P a r a m e t e r T a b l e 3 . 2 - P a r a m e t e r s f o r d e r i v a t i o n I V a l u e : - - - - - [ T e m p e r a t u r e 3 4 8 . 1 5 K 0 2 p e r m e a t i o n i n a g g l o m e r a t e l . S e - 1 1 H 2 p e r m e a t i o n i n a g g l o m e r a t e 2 e - 1 1 A g g l o m e r a t e r a d i u s i n a n o d e a n d c a t h o d e 1 1 O e - 5 T o t a l g a s p r e s s u r e I a t m , - - f H y d r o g e n p r e s s u r e I a t m 1 A i r p r e s s u r e I a t m r s ; - t u r a t i o n - 0 . 6 e - 1 2 r-/\~;dc t r a n s f e r c o e f f i c i e n t - I [G~thodc t r a n s f e r c o e f f i c i e n t 0 . 9 ' I C o n s t a n t o h m i c r e s i s t a n c e 0 . 0 2 o h m - c m 2 \ L i m i t i n g c u r r e n t d e n s i t y 1 . 4 A / c m 2 I M a s s t r a n s 1 ; o r t c o n s t a n t 1 . 1 r~~npliflc~tion c o n s t a n t 0 . 0 8 5 G i b b s f u n c t i o n i n l i q u i d f o r m 2 2 8 , 1 7 0 J / m o l 1 0 , 0 0 0 I t o 1 . 2 A / c m 2 I ~lectrode-specific i n t e r f a c i a l a r e a _ _ _ u r r e n t d e n s i t y ----~----- I n c l i r s t s t e p i s t o c a l c u l a t e t h e N e r n s t v o l t a g e a n d v o l t a g e l o s s e s . T o c a l c u l a t e t h e N e r n s t ' 1 l t a g c f o r t h i s e x a m p l e , t h e p a r t i a l p r e s s u r e s o f w a t e r , h y d r o g e n , a n d o x y g e n w i l l b e u s e d . ! 1 r s t c a l c u l a t e t h e s a t u r a t i o n p r e s s u r e o f w a t e r : l o g 1 ' 1 1 , 0 = - - 2 . 1 7 9 4 + 0 . 0 2 9 5 3 X 1~-- 9 . 1 8 3 7 X 1 0 - 5 X T 2 c + 1 . 4 4 5 4 X 1 0 - 7 X T 3 c ( 3 . 1 6 ) : 1 5 _ . . l _ lh~· p a n i a i p n : s s m c u l l J y d r o g t ' l l : P 1 1 = 0 . 5 X ( P 1 1 , j e x p ( 1 . 6 5 3 x i / ( 7' 1 ~· 334 )))- P n . o L " - ( 3 . 1 7 ) l h e p a r t i a l p r e s s u r e o f o x y g e n : P o : . = ( P A i r j e x p ( 4 . 1 9 2 X i / ( T , 2 · 3 : 1 4 ) ) ) - P 1 1 2 0 ( 3 . 1 ~n l h c v o l t a g e k ) s s e s w i l l n o w h e c a l c u l a t e d . T h e a c t i v a t i o n l o s s e s a r e e s t i m a t e d u s i n g t h e B u t l e r - V o l m e r e q u a t i o n . F o r t h e a n o d e : V . i 2 = a 1 .~(1- S ) L a n o t l e ( 3 . 1 9 ) . l . . P n , l - • a n o c l e - p r e [ e x p H z ( 0 : . : 1 1 F ) ( · o ( c F ) j R T ( 0 1 - 0 2 ) - e x p R T ( 0 1 - 0 2 ) , ( 3 . 2 0 ) ! · n r t h e c a t h o d e : V . i - 2 = C l 1 , 2 ( 1 - S ) i c a t ! w d e ( 3 . 2 1 ) . l P a 2 ( - c < c F ) j t c a u w t L e = p r e J 0 2 e x p R T ( 0 1 - 0 2 - E r ) ( 3 . 2 2 ) l l 1 c o h m i c l o s s e s ( s e c C h a p t e r 4 ) a r c e s t i m a k d u s i n g O h m ' s l a w : V c u n c = a l p h a l X i " X l n [ 1 - - i J ( . ) . 2 3 ) T o i n s u r e t h a t t h e r e a r e n o n e g a t i v e v a l u e s c a l c u l a t e d f o r V e n n e f o r t h e M A T L A I 3 p r o g r a m , t h e m a s s t r a n s p o r t l o s s e s w i l l o n l y h e c a l c u l a t e d i f , [ 1 - _ ; _ l > 0 t~, ( 3 . 2 4 ) c b c V c < \ l l C o = 0 . T h e N e r n s t v o l t a g e c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n : G f , l i c J / ? x T k I ( P u l a · ) . : - : - - - - - - x n . L N c r n s t - ? X j < 2 X j 7 p X pl/~ ~ , H 2 0 2 ( 3 . 2 5 ) S i n c e a l l o l · t h e v o l t a g e l o s s e s h a d a ( - ) i n f r o n t o f e a c h e q u a t i o n , t h e a c t u a l v o l t a g e i s t h e a d d i t i o n o f t h e N e r n s t v o l t a g e p l u s t h e v o l t a g e l o s s e s : V ' " " E N c r n : - . l + Y a e l + V o h m i c + V c o n e ( 3 . 2 6 ) T h e h y d r o g e n o x i d a t i o n r e a c t i o n r a t e a t t h e a n o d e c a n b e w r i t t e n a s : ( 3 . 2 7 ) \ 1 . i z = C l 1 , 2 i l t , 1 - 2 E 3 6 . . . 1 V . N m . , c ; = - Z F a u O - S ) i a n o r t c E . [ P H 2 ( o c u F ) ( o c c F ) ] l u n o d c = p r e j - . e x p I ? T ( 0 1 - 0 z ) - e x p R T C 0 t - 0 2 ) / { 2 ' I h e l t q u i d w a t e r c a t h u d c c a t a l y s t r e a c t i o n c a n b e w r i t t e n a s : 1 V . N 1 - 1 z o , L = - 4 F a u ( 1 - S ) i c a t J w d e E · [ P a z L - , C u t i l o c l e - p r e [ , e x p D : : c~~ p ( 0 1 - 0 , ~ E , ) ) l W h e r e t h e d T c c t i v e n e s s f a c t o r i s : 1 E = 3 Q J 2 ( 3 0 c o t h ( 3 0 ) - 1 ) l h e T h i e l e m o d u l u s i s e x p r e s s e d b y : k 0 = c ; e t t [ ) O Z , a g g T h e k i n e t i c p o r t i o n o f t h c T h i e l e m o d u l u s i s : I , C L t z i o o r r ( a . • - , , L l - . e x J - - · 4 F r c I l R 7 ' ( ' 7 C a t h o i l e ) C 0 2 (3.2~) C L 2 9 ) c~.~o) ( 3 . 3 1 ) ( 3 . 3 2 ) ( : 1 . : 1 3 ) ( 3 . 3 c t ) O n e o f t h e m a i n c h a l l e n g e s i n m o d e l i n g t h e c a t a l y s t l a y e r i s f i n d i n g r e l i a b l e p a r a m e t e r s . T h e r e f e r e n c e e x c h a n g e c u r r e n t d e n s i t y , t h e t r a n s f e r c o e f f i c i e n t s . a n d t h e r e a c t i o n o r d e r a r c a l l d e p e n d e n t o n t h e r a t e d e t e r m i n i n g s t e p ( s ) o f t h e c o m p l e x e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n . a s \ \ e l l a s t h e e l e c t r o d e m i c r o s t r u c t u r e . l 7 - " ' 1~-~--,- I : I . C o l i C u n o n t v & . E i f f o c t i v o n g s s F a c t o r --~----------,-------,-------~----~---r-----------, i i - j u + \ \ ~:1\ \ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 l i . . I l 1 I I I \ I \ . I :,:m\~ ~····················••••mmm m · · · · · · · · · · · ~ n L _ _ _ _ _ _ l . . _ _ _ _ . I j D~ : : t 4 O G 0 8 I : 0 I 4 C e l l C u r r e n t ( A l c m 2 ) F i g u r e 3 . 5 . A - C e l l c u r r e n t a s a f u n c t i o n o f e f f e c t i v e n e s s f a c t o r . . 1 ] I I ' \ , , l~f- \ " C e l l C u r r e n t v s . V o l t a g e - - - - , - - - - - - , - - ,-~-----,-----~-~ · · - · - - - · - - - - . • - - - - - - - - - - + ) ! • . _ 1 F l ~ \ ·~ ' " \ ~ I I 1 7 . . . . . . . . . " ' \ . . : : : : r i - - - - - - - - - - - - - - - - j . Q l C I - 1 \ - 1 - 0 ~ _ _ _ _ L _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ! _ _ _ _ _ _ _ _ _ [ _ _ _ _ _ . _ _ ! . _ _ _ _ _ _ _ _ _ ! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j _ - - ·--~· 0 2 0 4 0 [ . 0 8 I I : ' I · I . C t ~I J C e l l C u r r e n t ( A l c n / ) F i g u r e 3 . 5 . 8 - B u t l e r - V o l m e r a c t i v a t i o n l o s s e s . 3 o . . . C e l l C u r r e n t v s . V o l t a g e - - - - - - 1~ - ~ - - - - - - - - T · - - - - - ··-----~- - - - - - - - - . - - - ~--- I i , :~=:_ . . . . · t ~'--·~ . . I : ~········ ' - - - . I : . . - - : - - : ' - - - ' ' · - , ; , . , : , · " ; I ~ , - , J < 0 - I l I , 0 ' - '~----' - . I . . . . \ \ u I "'~~-----,'-i' . - - - r~-\~~· _ _ _ _ oja--~-----·' - - - --1-·~~ ---~4 I I _ , ~· ~~;: -~.: 0 ~ C l I ~ 6 . £ < n c • . u - " 1 1 - 1 4 ' - I I e I - · r - , > ( - , : : J - u : : C e l l C u r r e n t ( A i c m 1 ' ) F i g u r e 3 . 5 . C - P o l a r i z a t i o n c u r v e S u p e r f i c i a l f l u x d e n s i t y o f h y d r o g e n / I / I / - 1 I I I . . D _ ! _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ j [ I U 2 [ 1 4 C l 5 U 8 I 1 2 1 4 C e l l C u r r e n t ( A l c m 2 ) F i g u r e 3 . 5 . 0 - S u p c r f i c i a l f l u x d e n s i t y o f h y d r o g e n . 3 9 " ' , L L 5 C a l c u l a t i n g t h e O h m i c V o l t a g e L o s s h ~ry m a t e r i a l h a s a n i n t r i n s i c r e s i s t a n c e t o c h a r g e f 1 o w . T h e m a t e r i a l ' s n a t u r a l r e s i s t a n c e l t ) c h a r g e t 1 o w c a u s e s o h m i c p o l a r i z a t i o n , w h i c h r e s u l t s i n a l o s s i n c e l l v o l t a g e ( A p p e n d i x C - C - 3 ) . A l l f u e l c e l l c o m p o n e n t s c o n t r i b u t e t o t h e t o t a l e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e i n t h e f u e l c e l L I n c l u d i n g t h e e l e c t r o l y t e , t h e c a t a l y s t l a y e r . t h e g a s d i f f u s i o n l a y e r , b i p o l a r p l a t e s . i n t e r f a c e c u n t a c t s . a n d t e r m i n a l c o n n e c t i o n s . T h e r e d u c t i o n i n v o l t a g e i s c a l l e d ' " o h m i c l o s s . " a n d I n c l u d e s t h e e l e c t r o n i c (R~~cc) a n d i o n i c ( R , 0 1 1 ; c ) c o n t r i b u t i o n s t o f u e l c e l l r e s i s t a n c e . T h i s c a n h e w r i t t e n a s : U o h m i c = - c i R o h m i c = i ( R c i e c + R i u n i c ) ( 3 . 3 5 ) R t \ l n i c d o m i n a t e s t h e r e a c t i o n i n E q u a t i o n b e c a u s e i o n i c t r a n s p o r t i s m o r e d i f f i c u l t t h a n el~ctronic c h a r g e t r a n s p o r t . R i o n i c i s r e p r e s e n t s t h e i o n i c r e s i s t a n c e o f t h e e l e c t r o l y t e . a n d R c l c c i s i n c l u d e s t h e t o t a l e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e o f a l l o t h e r c o n d u c t i v e c o m p o n e n t s . i n c l u d i n g t h e h i r o l a r p l a t e s , c e l l i n t e r c o n n e c t s , a n d c o n t a c t s . ! h e e l e c t r i c a l r e s i s t a n c e o f t h e f u e l c e l l c o m p o n e n t s i s o f t e n e x p r e s s e d i n t h e l i t e r a t u r e a s c c 1 n d u c t a n c e ( a ) . \ V h i c h i s t h e r e c i p r o c a l o f r e s i s t a n c e : 0 [ / R o h m i c ( 3 . 3 6 ) \ \ h e r e t h e t o t a l c e l l r e s i s t a n c e ( R o l u n i c ) i s t h e s u m o f t h e e l e c t r o n i c a n d i o n i c r e s i s t a n c e . R e s i s t a n c e i s c h a r a c t e r i s t i c o f t h e s i z e , s h a p e , a n d p r o p e r t i e s o f t h e m a t e r i a L a s e x p r e s s e d l ) v ' R ; ; : : . . L c u n c l ( 3 . 3 7 ) c r A c o n u l . c t i l l d i s t h e l e n g t h ( e m ) o f t h e c o n d u c t o r , A c o n d i s t h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a ( c m 2 ) o f t h e - : o n d u c t o r . ' " a " i s t h e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y ( o h m - I e m - ! ) . T h e c u r r e n t d e n s i t y . T h e c u r r e n t c l e n s i t y . j , ( A / c m 2 ) . c a n b e d e f i n e d a s j = l I A , , 1 1 ( 3 . 3 R ) j = N c a n i n ' * q * N d r i f t = S ~ \ c e l l i s t h e a c t i v e a r e a o f t h e f u e l c e l L N c a r r i e r s i s t h e n u m b e r o f c h a r g e c a r r i e r s 1 c a r r i e r s / e m ] ) . ' " q " i s t h e c h a r g e o n e a c h c a r r i e r ( 1 . 6 * I 0 - 1 9 C ) , Vc~,;n i s t h e a v e r a g e d r i f t v e l o c i t y ( c m / s ) v v h e r e t h e c h a r g e c a r r i e r s move~ i s t h e e l e c t r i c t i e l d . T h e g e n e r a l e q u a t i o n i ' n r c o n d u c t i v i t y i s : v o - = n q - ; : - < ; ( 3 . 3 9 ) ! h e t e r m v/~ c a n h e d e f i n e d a s t h e m o b i l i t y , u ; . A m o r e s p e c i f i c e q u a t i o n f o r m a t e r i a l c o n d u c t i v i t y c a n b e c h a r a c t e r i z e d b y t w o m a j o r f a c t o r s : t h e n u m b e r o f c a r r i e r s a v a i l a b l e . a n d t h e m o b i l i t y o f t h o s e c a r r i e r s i n t h e m a t e r i a l , w h i c h c a n b e w r i t t e n a s : ( J ' = ( ' I z · I * F ) * ( . * u ' 1 ' 1 1 1 ( 3 . 4 0 ) \ \ h e r e c , i s t h e n u m b e r o f m o l e s o f c h a r g e c a r r i e r s p e r u n i t v o l u m e , u ; i s t h e m o b i l i t y o f t h e c h a r g e c a r r i e r s w i t h i n t h e m a t e r i a l , z ; i s t h e c h a r g e n u m b e r ( v a l e n c e e l e c t r o n s ) f o r t h e c a r r i e r . a n d F i s F a r a d a y ' s c o n s t a n t . I · u e l c e l l r e r f o r m a n c c w i l l i m p r o v e i f t h e f u e l c e l l r e s i s t a n c e i s d e c r e a s e d . T h e f u e l c e l l r e s i s t a n c e c h a n g e s w i t h a r e a . W h e n s t u d y i n g o h m i c l o s s e s , i t i s h e l p f u l t o c o m p a r e 4 0 . o i l n:sistanc~:s o n a p e r - a r e a b a s i s u s i n g c u r r e u t d e n s i t y . O h m i c l o s s e s c a n b e c a l c u l a t e d t r o m c u r r e n t d e n s i t y u s i n g ( 3 . 4 1 ) 1 A ' I l c r c / \ S R u t 1 1 1 1 1 c i s a r e a - s p e c i l i c n : s i s t a n c c o l " t h c f u e l c d l . S i n c e t h e o h m i c o v e r p o t e n t i a l f o r t h e f u e l c e l l i s m a i n l y d u e t o i o n i c r e s i s t a n c e i n t h e e l e c t r o l y t e . t h i s c a n b e e x p r e s s e d a s ( 3 . 4 2 ) W h e r e . . I " i s t h e l e n g t h o r t h i c k n e s s o f t h e m a t e r i a l . T h e f i r s t t e r m i n a p p l i e s t o t h e a n o d e . t h e s e c o n d t o t h e e l e c t r o l y t e . a n d t h e t h i r d t o t h e c a t h o d e . - I n t h e b i p o l a r p l a t e s . t h e " ' l a n d a r e a " " c a n v a r y d e p e n d i n g u p o n f l o w c h a n n e l a r e a . A s t h e l a n d a r e a i s d e c r e a s e d . t h e c o n t a c t r e s i s t a n c e i n c r e a s e s s i n c e t h e l a n d a r e a i s t h e t e r m i n t h e d e n o m i n a t o r o f t h e c o n t a c t r e s i s t a n c e : O h m i c L o s ! ; a s a F u n c t i o n o f F u e l C e l l A 1 e a - ; ~.!" I-~-- ----~,----~---·-~-.,........... - - T - - - - 1 - - - - - - - r - - - - - - - --,-~---------- . : / 1 ~ " ' V ) 0 _ , u . E ~ I 0 . . ; - / r · / _ · · · · · · _ · ! · · - . . . . · : 7 . 7 / . . , . _ _ _ _ _ / L . . / / . - ~--I_ . . L . . . . . . . . . _ ·-~-•---· - - - - - · - I · · - · · - - 1 U ~tJ ~.1] f 3 C I ' " 0 1 - 1 ' J : : ; 1 1 { ! F u e l C e l l A r e a ( e m ' ) F i g u r e 3 . 6 - O h m i c l o s s a s a f u n c t i o n o f f u e l c e l l a r e a . ( 3 . 4 3 ) 4 1 C h a p t e r 4 M o d e l i n g o f P E M F u e l C e l l H e a t a n d P r e s s u r e - L I F u e l C e l l T h e r m o d y n a m i c s I h e r m o d y n a m i c s i s t h e s t u d y o f e n e r g y c h a n g i n g f r o m o n e s t a t e t o a n o t h e r . T h e p r e d i c t i o n s t h a t c a n b e m a d e u s i n g t h e r m o d y n a m i c e q u a t i o n s a r e e s s e n t i a l f o r u n d e r s t a n d i n g a n d m o d e l i n g f u e l c e l l p e r f o r m a n c e s i n c e f u e l c e l l s t r a n s f o r m c h e m i c a l e n e r g y i n t o e l e c t r i c a l e n e r g y . B a s i c t h e r m o d y n a m i c c o n c e p t s a l l o w o n e t o p r e d i c t s t a t e s o f t h e f u e l c e l l s y s t e m . ~uch a s p o t e n t i a L t e m p e r a t u r e . p r e s s u r e . v o l u m e . a n d m o l e s i n a f u e l c e l l . - L l . l E n t r o p y o f H 2 , 0 2 , a n d W a t e r i n t h e P E M f u e l c e l l l . E n t r o p y L n t r o p y c a n b e d e f i n e d l o o s e l y a s t h e a m o u n t o f " " d i s o r d e r ' ' i n a s y s t e m , a n d c a n b e e x p r e s s e d a : - ; : [ 7 l . o Q S 2 - s 1 : : : : : I - · - - T 1 i n t r e v ( ' - 1 . I ) I h i s i s v a l i d f o r a n y r e v e r s i b l e p r o c e s s t h a t l i n k s t w o s t a t e s . E n t r o p y i s c a l c u l a t e d i n t h e s a m e w a y t h a t e n t h a l p y w a s c a l c u l a t e d u s i n g t h e p r o p e r t i e s v , u , a n d h . W h e n d e a l i n g w i t h t \ \ o - p h a s e l i q u i d - v a p o r m i x t u r e s a s i n f u e l c e l l s , t h e s p e c i f i c e n t r o p y c a n b e c a l c u l a t e d i n t h e s a m e m a n n e r a s e n t h a l p y : S = ( 1 - X ) S r + X S g = S r + X ( S g - S r ) ( 4 . 2 ) I i k e e n t h a l p y . t h e v a l u e s f o r v . u , a n d h v a r y o n l y s l i g h t l y \ v i t h c h a n g e s i n p r e s s u r e a t a J ' i x e d t e m p e r a t u r e : t h e r e f o r e . t h e f o l l o w i n g c a n b e a s s u m e d f o r m o s t e n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o n s : S ( T , p ) ~ s 1 ( T ) ( 4 . 3 ) W h e n a p u r e , c o m p r e s s i b l e s y s t e m u n d e r g o e s a n i n t e r n a l l y r e v e r s i b l e p r o c e s s i n t h e a b s e n c e o f g r a v i t y a n d o v e r a l l s y s t e m m o t i o n . a n e n e r g y b a l a n c e c a n b e w r i t t e n a s : o Q i n t r e v = d U + 8 W i n t r e v ( 4 . 4 ) l n a s i m p l e c o m p r e s s i b l e s y s t e m , t h e w o r k c a n b e d e f i n e d a s : 8 W i n t r e v = p . c ! V ( 4 . 5 ) \ u b s t i t u t i n g p r e v i o u s t w o e q u a t i o n s . o n e o b t a i n s : T c ! S = d l J - p d V : : : : : c H I - V c l p ( c L ( ) ) \ \ ' h e n t h e i d e a l g a s m o d e l i s u s e d . t h e s p e c i f i c e n t r o p y d e p e n d s o n l y u p o n t e m p e r a t u r e a n d c a n h e d e r i v e d f r o m a b o v e E q u a t i o n , t h e r e f o r e : - L : . . ( 4 . 7 ) ( 4 . H i D e t e r m i n a t i o n o f t h e a b s o l u t e e n t r o p y o f H 2 , 0 2 . a n d w a t e r ( H 2 0 ) a t t h e p r e s s u r e o f l a t m a t a t e m p e r a t u r e o f 3 0 0 t o 1 0 0 0 K u s i n g i n c r e m e n t s o f 5 0 , u s i n g f o l l o w i n g e q u a t i o n s . P l l ) t t i n g o f t h e h y d r o g e n a n d o x y g e n e n t h a l p y a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e b y C a l c u l a t i o n , ) r t h e a b s o l u t e e n t h a l p y f o r t h e v a p o r a n d l i q u i d f o r m i f a p p l i c a b l e . T h e M A T L A B c o d e c a n b e u s e d t o p l o t t h e h y d r o g e n a n d o x y g e n E n t h a l p y a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e U \ p p e n d i x C - C - 4 ) H y d r o g e n , O x y g e n < 1 n d W a t e r E n t r o p l e $ 2~D . . . . . - - - -----r-----------r-··-----r--~--r--------,---------r=r-=:·-=====--.l 1 1 0 r:-~~:_~_:.:_:_:.:_~~:+~:.:.·:_:_~:.:_:_:._:_:_::_:.;::.:.:.:.: . . : : . . :.:.~: . .:.~.~:.:;~:;.:;.:.:.:.::.co:cc::..:.::.:c:.: . . : . : . : . . :~=~~{'~~------L.=_.:....._=-:_·~'':'.___j = · I ) ] v c , . , - " " ' ) ~ I ' · D : - · - · - - - - - - · ! I M J i - l 1 3 S o o 4rt"-----,,o,r:r 1 -:-o-----,r;:::',o:-:-o-----._:::',.c-:-"J----=sc',:o-----:-"IC:.,ro--:--~,uc"J T e m p e r a t u r e ( 1 \ ) F i g u r e 4 . 1 - H y d r o g e n a n d o x y g e n e n t r o p i e s a s a f u n c t i o n o f t e m p e r a t u r e . - L 2 H e a t T r a n s f e r o f F u e l c e l l I e m p e r a t u r e i n a f u e l c e l l i s n o t a l w a y s u n i f o r m , e v e n w h e n t h e r e i s a c o n s t a n t m a s s t l o v v r a t e i n t h e c h a n n e l s . U n e v e n f u e l c e l l s t a c k t e m p e r a t u r e s a r e d u e t o a r e s u l t o f w a t e r p h a s e c h a n g e . c o o l a n t t e m p e r a t u r e , a i r c o n v e c t i o n , t h e t r a p p i n g o f w a t e r , a n d h e a t p r o d u c e d b y t h e c a t a l y s t l a y e r . I n o r d e r t o p r e c i s e l y p r e d i c t t e m p e r a t u r e - d e p e n d e n t p a r a m e t e r s a n d r a t e s o f r e a c t i o n a n d s p e c i e s t r a n s p o r t , t h e h e a t d i s t r i b u t i o n t h r o u g h o u t t h e s t a c k n e e d s t o b e d e t e r m i n e d a c c u r a t e l y [ ! I ] [ 1 2 ] . T h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e h e a t d i s t r i b u t i o n i n a f u e l c e l l s t a c k i s t o p e r f o r m e n e r g y b a l a n c e s o n t h e s y s t e m . T h e t o t a l e n e r g y b a l a n c e a r o u n d t h e f u e l c e l l i s b a s e d u p o n t h e p o w e r p r o d u c e d , t h e f u e l c e l l r e a c t i o n s , a n d t h e h e a t l o s s t h a t o c c u r s i n a f u e l c e l l . C o n v e c t i v e h e a t t r a n s f e r o c c u r s b e t w e e n t h e s o l i d s u r f a c e a n d t h e g a s s t r e a m s , a n d c o n d u c t i v e h e a t t r a n s f e r o c c u r s i n t h e s o l i d a n d / o r p o r o u s s t r u c t u r e s . T h e r e a c t a n t s , p r o d u c t s , a n d e l e c t r i c i t y g e n e r a t e d a r e t h e b a s i c c o m p o n e n t s t o c o n s i d e r i n m o d e l i n g b a s i c h e a t t r a n s f e r i n a f u e l c e l L a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 2 . 4 3 I 1 l l e r t t i t a ! O u t v u r . r J e l - - - - - H ? c 1 e l . . , . . _ _ _ _ - l - . . 1 _ \ . t w d t > ( , , 1 ' · ( l t J U l H : \ G.1~ C • t t h o d t ( . . v . , ( h~llllHJ F i g u r e 4 . 2 - S t a c k i l l u s t r a t i o n f o r h e a t t l o w s t u d y o~ . . . 1d_u1~ O x c d m : T h e g e n e r a l e n e r g y b a l a n c e s t a t e s t h a t t h e e n t h a l p y o f t h e r e a c t a n t s e n t e r i n g t h e c e l l e q u a l s t h e e n t h a l p y o f t h e p r o d u c t s l e a v i n g t h e c e l l p l u s t h e s u m o f t h e h e a t g e n e r a t e d b y t h e p o w e r o u t p u t , a n d t h e r a t e o f h e a t l o s s t o t h e s u r r o u n d i n g s . T h e b a s i c h e a t t r a n s f e r c a l c u l a t i o n s w i l l a i d i n p r e d i c t i n g t h e t e m p e r a t u r e s a n d h e a t i n o v e r a l l f u e l c e l l s t a c k a n d s t a c k c o m p o n e n t s . T h e r a t e o f h e a t t r a n s f e r i n t h e x - d i r e c t i o n t h r o u g h a f i n i t e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a . A , i s k n o w n a s F o u r i e r ' s l a w . a n d c a n b e e x p r e s s e d a s : ( 4 . 9 ) \ V h e r c k i s t h e t h e r m a l c o n d u c t i v i t y , W / ( m * k ) . - U E n e r g y B a l a n c e s f o r F u e l C e l l L a y e r s E n e r g y b a l a n c e s c a n b e d e f i n e d a r o u n d e a c h o f t h e f u e l c e l l l a y e r s t o e n a b l e t h e s t u d y o f t h e d i f f u s i o n o f h e a t t h r o u g h a p a r t i c u l a r l a y e r a s a f u n c t i o n o f t i m e o r p o s i t i o n . F i g u r e 3 . 9 s h o w s a n e x a m p l e o f a f u e l c e l l l a y e r a s a c o n t r o l v o l u m e . T h i s s e c t i o n d e s c r i b e s t h e m o d e o f h e a t d i f f u s i o n i n e a c h l a y e r . a n d c a l c u l a t e s t h e e n e r g y b a l a n c e s f o r : h e e n d p l a t e . g a s k e t . c o n t a c t . t l m v f i e l d . G D L , c a t a l y s t , a n d m e m b r a n e l a y e r s [ 1 1 ] . T h e e n d p l a t e i s t y p i c a l l y m a d e o f a m e t a l o r p o l y m e r m a t e r i a L a n d i s u s e d t o u n i f o r m l y t r a n s m i t t h e c o m p r e s s i v e f o r c e s t o t h e f u e l c e l l s t a c k . T h e e n d p l a t e m u s t b e m e c h a n i c a l l y s t u r d y e n o u g h t o s u p p o r t t h e f u e l c e l l s t a c k . a n d b e a b l e t o u n i f o r m l y d i s t r i b u t e t h e c o m p r e s s i o n f o r c e s t o a l l o f t h e m a j o r s u r f a c e s o f e a c h l a y e r w i t h i n t h e f u e l c e l l s t a c k . D e p e n d i n g u p o n t h e s t a c k d e s i g n . t h e r e a l s o m a y b e c o n t a c t a n d g a s k e t l a y e r s i n t h e f u e l c e l l s t a c k . T h e g a s k e t l a y e r s h e l p t o p r e v e n t g a s l e a k s a n d i m p r o v e s t a c k c o m p r e s s i o n . T h e c o n t a c t l a y e r s o r c u r r e n t c o l l e c t o r s a r e u s e d t o c o l l e c t e l e c t r o n s f r o m t h e b i p o l a r p l a t e a n d g a s d i f f u s i o n l a y e r ( G D L ) . S i n c e t h e r e i s t y p i c a l l y n o g a s o r l i q u i d f l o w s i n t h e e n d p l a t e s , g a s k e t s . o r c o n t a c t l a y e r s . c o n d u c t i o n i s t h e o n l y m o d e o f h e a t t r a n s f e r . O n e s i d e o f e a c h o f t h e s e l a y e r s i s e x p o s e d t o a n i n s u l a t i n g m a t e r i a l ( o r t h e a m b i e n t e n v i r o n m e n t ) , a n d t h e o t h e r s i d e i s e x p o s e d t o a c o n d u c t i v e c u r r e n t c o l l e c t o r p l a t e o r i n s u l a t i n g m a t e r i a l . 4 4 L a y e r 1 L a y e r 3 T l a y e r l T l a y e r 3 J ; y s t e m ( C o n t r o l V o l u m e ) F i g u r e 4 . 3 - f u d c e l l l a y e r a s a c o n t r o l v o l u m e J ' h c g e n e r a l e n e r g y b a l a n c e f o r t h e e n d p l a t e , c o n t a c t , a n d G D L l a y e r s c a n b e w r i t t e n a s : ) d T L a y e r 2 ( P L a y e r 2 A L a y e r 2 t l a y e r 2 C P L a y e r 2 r~.. = Q L a y e r l + Q L a y e r 3 ( 4 . 1 0 ) \ \ h e r e , p La~ c r 2 i s t h e d e n s i t y o f L a y e r 2 , A L a y e r 2 i s t h e a r e a o f L a y e r 2 , C p L a y c r 2 i s t h e ' p c c i f i c h e a t c a p a c i t y o f L a y e r 2 , Q L m r l i s t h e h e a t f l o w f r o m L a y e r ] , a n d Q L a y c r 3 i s t h e h e a t ' l t t \ \ f l · o m L a y e r 3 . I h e d e r i v a t i v e o n t h e l e f t s i d e i s t h e r a t e o f c h a n g e o f c o n t r o l v o l u m e t e m p e r a t u r e . J l r ' ' ' " ' " / d t ) . T h e h e a t f l o w f r o m L a y e r ] t o L a y e r : ? . i s : C h a y e r l = = U L a y c n A ( ' l ' L a y e r 1 - T L a y e r z ) ( 4 . 1 I ) \ \ h e r e . U I " ' " ' I i s t h e o v e r a l l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r L a y e r ] , A i s t h e a r e a o f t h e l a y e r , r n d T i s t h e t e m p e r a t u r e o f t h e l a y e r . T h e h e a t f l o w f r o m L a y e r 3 t o L a y e r 2 c a n b e : \ p r e s s e d a s : Q L a y e r 3 = U L a y e r 3 A ( T L a y e r 3 - T L a y e r 2 ) ! h e o v e r a l l h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t f o r t h e h e a t c o m i n g f r o m L a y e r 1 a n d l a y e r 3 1 U L u y e r l = l L u y e r Z + t L a y e r l k L a y e , · z k L a y e r l 1 U L u y e r 3 = t L a v c r 3 t L a y e r 2 - - · - + I k L a y c r : l < L u y e r Z ( 4 . 1 2 ) ( 4 . 1 3 ) 4 5 h i ! i a - - · I C e l l · c r J 2 . ! _ a t e r , ~ t _ n u p 1 ; I , · J L l ' · ; · I \ 1 1 ; _ \ \ • . 1 t i I ~kct \ \ ! l d d [ L ' \ ' ' ! i e l d ! C - - - . , l . ; , c t I p l a t e T a b l e 4 . 1 - M . I p I M a t e r i a l T h i c k n e s s ( m ) I I P o l v c a r b o n a t e 0 . 0 1 C o n d u c t i v e 0 . 0 0 1 I r u b b e r i S t a i n l e s s s t e e l 0 . 0 0 0 5 C a r b o n c l o t h / 0 . 0 0 1 P t / C / N a f i o n S t a i n l e s s s t e e l 0 . 0 0 0 5 C o n d u c t i v e 0 . 0 0 1 r u b b e r P o l y c a r b o n a t e 0 . 0 1 U s e d f o r H e a t l f e r C a l A r e a D e n s i t y T h e r m a l S p e c i f i c ( m 2 ) ( k g / m 2 ) C o n d u c t i v i t H e a t y Capaci~- ( W / m - K ) ( . J / k g - K ) 0 . 0 0 6 4 1 3 0 0 0 . 2 1 2 0 0 0 . 0 0 1 7 0 4 1 4 0 0 1 . 2 6 1 0 0 0 ( ) . 0 0 3 3 8 5 8 0 0 0 6 5 5 0 0 0 . 0 0 1 6 1 3 0 0 2 6 8 6 4 0 . 0 0 3 3 8 5 8 0 0 0 - 6 5 5 0 0 0 . 0 0 1 7 0 4 1 4 0 0 1 . 2 6 1 0 0 0 0 . 0 0 6 4 1 3 0 0 0 . 2 1 2 0 0 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - \ l u d c l i n g e x a m p l e : A P E M h y d r o g e n / a i r s i n g l e c e l l f u e l c e l l s t a c k o p e r a t e s a t a n i n i t i a l · , · 1 1 1 r e r a t u r e o f 2 9 8 . 1 5 K . T h e r e a r e s e v e n l a y e r s i n t h e s t a c k : t w o p o l y c a r b o n a t e e n d p l a t e s . \ , 1 r u b b e r g a s k e t s . s t a i n l e s s s t e e l f l o w f i e l d p l a t e s . a n d a n M E A . T h e n e c e s s a r y m a t e r i a l t u p c r t i e s C o r h e a t t r a n s f e r c a l c u l a t i o n s f o r e a c h l a y e r a r e s h o w n i n T a b l e 4 . 1 . U s i n g t h e c J U a t i o n s i n S e c t i o n 3 . 3 . 3 . p l o t t i n g o f t h e c o n d u c t i v e h e a t t r a n s f e r t h r o u g h t h e s t a c k a t 6 0 , T _ 3 0 0 s e c . a n d 1 0 0 0 s e c w i t h o n e a n d 1 0 n o d e s p e r l a y e r i s s h o w n i n f i g u r e 4 . 4 . N e g l e c t c a t g e n e r a t i o n a n d l o s s e s f r o m t h e r m a l r e s i s t a n c e , e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s . a n d m a s s ~-n"s t h r o u g h t h e f u e l c e l l . ( A p p e n d i x C - C - 5 ) . w h e n t = 6 0 s e c T e m p e r a t u r e D i s t r i b u t i o n t h r o u g h t h e S t r a c k a t T = G O s e c o n d s 3 5 0 " J I - I : I I I · I :•:~o 1 - , ' : : < ' I I . . _ . i j ! . . ) J I . . ' . ~ . . ,~: I ~- , _ . r - • I ~ ' Q I E ' • I , _ < m e 1 J O O · - 2 ' 1 0 o ' - - - - - - o - o = ' - o s - - - - - - o . . l : - o - : - 1 - - - - o .. J . . o 1 _ 5 _ _ _ _ o . . J . . o _ 2 _ _ _ _ _ o m s 0 0 3 P a r a m - T h i c k n e s s ( m ) " f ( ) T e m p e r a t u r e D 1 s t n b u t 1 o n T h r o u g h S t r a c k a t T = 1 0 0 0 S e c 5 5 0 : · · - - . - - - - - - - - - - - - • -~-------~--~T--------------r--~~----, - - - - - - - - - - · - - - - - - , - - - - - · - r - - - · - - - - - - ? 4 5 ~ I J - ! 0 ~- ' : ; . : : . . ' 3 i 5 1 } 1 . . . : - ; : ! + " ( t i . : n o . . . • l • Q . " " e < l • 1 - 3~C .~20 ! 3 1 5 - - - - 1 L _ 3 1 0 0 000~ 0 0 1 0 0 1 5 0 0 2 0 . 0 2 5 0 0 3 P a r a m - T h i c k n e s s ( m ) W h e n t = 3 0 0 s e c T e m p e r a t u r e D i s t r i b u t i o n T h r o u g h t h e S t r a c k a t T = 3 0 0 S e c 350~--,----~~~~~-,;-- " " j J ( I ~---- 3 . " ) 0 . : y _ • : U : ; ; ; ! ( 0 ' - - I ] ) : ; ; : o , ; : ; , _ E ( J . . ' f - 3 ! I ) - - - I j i J U j · i 29oL~­ o - - L . 0 0 0 5 0 . 0 1 0 0 1 5 0 0 2 0 0 2 5 0 0 3 P a r a m - T h i c k n e s s ( m ) W h e n l " " I 0 0 0 s e c l · ' i g u r e 4 . 4 - T c m p c r a t u r e p l o t s f o r t ; ; ; ; : 6 0 , 3 0 0 , a n d 1 0 0 0 s e c u s i n g 7 s l i c e s p e r l a y e r . 4 7 4 A M o d e l i n g t h e T e m p e r a t u r e i n t h e I n t e r i o r L a y e r a n d M o d e l i n g t h e G a s U i t J u s i u u L a y e r I h i s s e c t i o n p r e s e n t s t h e d e r i v a t i o n s a n d m o d e l i n g f o r t h e c a t h o d e G D L o f t h e f u e l c e l l c r e a t e d b y B e u s c h e r e t a ] [ 8 ] . T h e m o d e l s i n a r e d e r i v e d f r o m m u l t i p h a s e f l o w i n p o r o u s m e d i a h · o m t h e h y d r o g e o l o g i c a l l i t e r a t u r e . T h e d i f f e r e n c e s b e t w e e n t h e G D L l a y e r a n d t h e m o d e l i n g o f u n s a t u r a t e d s o i l s a r e t h a t t h e G D L i s h y d r o p h o b i c a n d s o i l i s h y d r o p h i l i c . t h e p ( 1 r c s i z e d i s t r i b u t i o n s a r e d i f f e r e n t . a n d t h e G D L i s a n o n h o m o g e n e o u s w e a v e o f c a r b o n l i h e r s . D e s p i t e t h e s e d i f f e r e n c e s , t h e h y d r o g e o l o g i c a l m o d e l s a r e q u i t e u s e f u l f o r f u e l c e l l ( I D L m o d e l i n g . H o w e v e r . i t s o m e t i m e s m a y b e d i f f i c u l t t o u s e t h e s e m o d e l s s i n c e m a n y p r o p e r t i e s s u c h a s t h e t e m p e r a t u r e s . p h a s e s , p r e s s u r e , a n d t h e v e l o c i t y o f t h e s p e c i e s i n a n d s u r r o u n d i n g t h e G D L a r e u n k n o w n p a r a m e t e r s w h i l e t h e f u e l c e l l i s o p e r a t i n g . T h e s i m p l i f i e d g e o m e t r y i s s h o w n i n F i g u r e 4 . 5 . T h e d a s h e d l i n e s a t t h e t o p o f F i g u r e 4 . 5 i I I u s t r a t e t h e p o r t i o n o f t h e c h a n n e l w h e r e t h e g a s i s f l o w i n g t h r o u g h . T h e b o t t o m o f t h e d i a g r a m i s t h e c a t a l y s t s i d e w h e r e h e a t a n d w a t e r a r e a d d e d t o t h e s y s t e m . a n d g a s i s a b s o r b e d . O n t h e u p p e r c h a n n e l s i d e s , g a s i s a d d e d , a n d h e a t a n d w a t e r a r e r e m o v e d . S i n c e h a l f o f t h e u p p e r b o u n d a r y i s t h e s o l i d c a t h o d e m a t e r i a L a n d h a l f i s o p e n c h a n n e l , t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s a r e m i x e d . T h e p o r t i o n w h e r e t h e r e i s n o f l u x i n t o t h e c a t h o d e h a s N e u m a n n b o u n d a r y c o n d i t i o n s , a n d t h e p o r t i o n w h e r e t h e r e i s n o l i q u i d w a t e r i n t h e c h a n n e l s h a s D i r i c h l e t b o u n d a r y c o n d i t i o n s . T h e G D L i n F i g u r e 4 . 5 i s 4 d u n i t ' s l o n g . a n d h u n i t s h i g h . T h e a s p e c t r a t i o i s t h e p e r t u r b a t i o n p a r a m e t e r , a n d c a n b e d e f i n e d a s e = h / d < < I . T h e l o w e r s u r f a c e a b u t s t h e c a t h o d e c a t a l y s t l a y e r , a n d t h e u p p e r s u r f a c e i s c a t h o d e . T h e c h a n n e l s c a n b e a t d i f f e r e n t p r e s s u r e s , a n d a l l q u a n t i t i e s a r e a s s u m e d t o b e s t e a d y - s t a t e . T h e tlm~e-dimensional p l o t i n M A T L A B f o r t h e t e m p e r a t u r e o f t h e i n t e r i o r l a y e r u s i n g t h e e q u a t i o n s d e r i v e d i n A p p e n d i x A a n d C - C - 6 a n d t h e s i m u l a t i o n r e s u l t i s s h o w i n f i g u r e 4 . 6 a n d 4 . 7 . c I N o m a s s J l u x o r p r e s s u r e g r a d i e n t T c ' T m o n c e n t r a t i o n s S p e c i f i e d C o n c e n t r a t i o n s S p e c i f i e d T = ' l T i Y = h L o w P r e s s u r e - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - I I I I ' I I I I d I d d I d I I I I I I I m r e g i o n I I I I I I I I I I h I 1 r c g t o n I I r r e g t o n I I I I I I I I I i I I I I I I I I I I I I I I I I C a t a l y s t S i d e Y = O P o s i t i v e h e a t f l u x , p o s i t i v e v a p o r f l u x , n e g a t i v e o x y g e n f l u x . n o l i q u i d , n o p r e s s u r e g r a d i e n t F i g u r e 4 . 5 - T h e s i m p l i f i e d g e o m e t r y o f G D L · r 4 R T h t e e - d t m e n s 1 o n a ! p l o t o f t h e t e m p e r a t u r e m t h e m t e n a r l a y e r ~ 1 ~ f - -~ 0 l j E ~- ; = 0 5 z - N o o f G r i d s y - I · J o o f G t t d s c 0 ~· c 0 ~ 5 ~ · 4 F i g u r e 4 . 6 - 3 0 p l o t o f T e m p e r a t u r e v a r i a n c e i n I n t e r i o r L a y e r M o d e l i n g t h e G a s D t f f u s t o n L a y e r - C o n t o u r p l o t o f t e m p e r a t u r e ~--- r - - - - --r-~~~---'"1~-- 1 5 , _ 1 · - 5 0 ' 5 0 ~ ! ? ; : - 0 5 L _ _ _ _ j _ 1 - - - . o , L . a = - - - - - = _ o . L . 6 _ _ _ . , . o _ L 4 - - - o " 1 2 = - - _ J _ o _ _ -=-o'=-2--0::L4---,0:-16:---::-o_~1 x - % L e n g t h 1 n x o f t h e c o m p u t a t i o n r e g i o n F i g u r e 4 . 7 - T e m p e r a t u r e v a r i a n c e i n G a s D i f f u s i o n L a y e r 1 8 I . G • _ , I 4 1 2 0 8 0 5 0 4 0 . , 4 9 . . . . . . . l 4 . 5 P t · c s s u r c D r o p i n F l o w C h a n n e l s I n m a n y f u e l c e l l t y p e s . t h e t 1 o w f i e l d s a r e u s u a l l y a r r a n g e d a s a n u m b e r o f p a r a l l e l f l o w . . . : h a n n e l s : t h e r e f c 1 r e . t h e p r e s s u r e d r o p a l o n g a c h a n n e l i s a l s o t h e p r e s s u r e d r o p i n t h e e n t i r e ! l o w f i e l d . I n a t y p i c a l f l o w c h a n n e L t h e g a s m o v e s f r o m o n e e n d t o t h e o t h e r a t a c e r t a i n m e a n v e l o c i t y . T h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e i n l e t a n d o u t l e t d r i v e s t h e t 1 u i d t 1 o w . H y i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e d r o p b e t w e e n t h e o u t l e t a n d i n l e t . t h e v e l o c i t y i s i n c r e a s e d . T h e l l m \ t h r o u g h b i p o l a r p l a t e c h a n n e l s i s t y p i c a l l y l a m i n a r . a n d p r o p o r t i o n a l t o t h e t l o w r a t e . ! h e p r e s s u r e d r o p c a n b e a p p r o x i m a t e d u s i n g t h e e q u a t i o n s f o r i n c o m p r e s s i b l e f l o w i n 1 1 1 p e : - - - z - z " P - f . L e h a n V + I K ' V / . . . j . - - - p - L P - D u 2 2 ( 4 . 1 4 ) W h e r e f i s t h e f r i c t i o n f a c t o r , L e h a n i s t h e c h a n n e l l e n g t h , m . - D H i s t h e h y d r a u l i c d i a m e t e r . m . r i s t h e f l u i d d e n s i t y , k g / m 3 , V i s t h e a v e r a g e v e l o c i t y , m / s , a n d K 1 i s t h e l o c a l r e s i s t a n c e . T h e h y d r a u l i c d i a m e t e r f o r a c i r c u l a r f l o w f i e l d c a n b e d e f i n e d b y : D 4 X J \ H : : : : . - - l [ ) c s P . l 5 l W h e r e A c i s t h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a , a n d P c s i s t h e p e r i m e t e r . F o r t h e t y p i c a l r e c t a n g u l a r ! l o w f i e l d . t h e h y d r a u l i c d i a m e t e r c a n b e d e f i n e d a s : 2 W c d c D H : : : : w + d e c ( 4 . 1 ( ) ) \ \ ' h e r e W e i s t h e c h a n n e l w i d t h , a n d d e i s t h e d e p t h . T h e c h a n n e l l e n g t h c a n b e d e f i n e d a s : _ A c e l i ( 4 . 1 7 ) L e h a n - N ( W + W ) c h c L w h e r e A c c l l i s t h e c e l l a c t i v e a r e a . N c h i s t h e n u m b e r o f p a r a l l e l c h a n n e l s , W e i s t h e c h a n n e l \ \ i d t h . m . a n d W L i s t h e s p a c e b e t w e e n c h a n n e l s , m . T h e f r i c t i o n f a c t o r c a n b e d e f i n e d b y : f : : : : 5 6 ( 4 . 1 8 ) H e T h e w l o c i t y a t t h e f u e l c e l l e n t r a n c e i s : Q s t a c k v = = N c c l l N c h A c h ( 4 . 1 9 ) w h e r e v i s t h e v e l o c i t y i n t h e c h a n n e l ( m / s ) . G s t a c k i s t h e a i r f l o w r a t e a t t h e s t a c k e n t r a n c e . m 3 / s . N c c l l i s t h e n u m b e r o f c e l l s i n t h e s t a c k , N c h i s t h e n u m b e r o f p a r a l l e l c h a n n e l s i n e a c h c e l l . a n d A c h i s t h e c r o s s - s e c t i o n a l a r e a o f t h e c h a n n e l . T h e t o t a l t l o w r a t e a t t h e s t a c k e n t r a n c e i s : 1 S o z f H i n ( 4 . 2 0 ) Q s t a c k : : : : 4 F ' - p p N c e l l r o 2 i n - c p s a t ( T i 1 1 ) w h e r e Q i s t h e v o l u m e t r i c f l o w r a t e ( m 3 / s ) , I i s t h e s t a c k c u r r e n t , F i s t h e F a r a d a y ' s c o n s t a n t . S 0 2 i s t h e o x y g e n s t o i c h i o m e t r i c r a t i o , r 0 2 i s t h e o x y g e n c o n t e n t i n t h e a i r . R i s t h e u n i v e r s a l g a s c o n s t a n t , T i n i s t h e s t a c k i n l e t t e m p e r a t u r e , P i n i s t h e p r e s s u r e a t t h e s t a c k i n l e t . < l l i s t h e r e l a t i v e h u m i d i t y , P s a t i s t h e s a t u r a t i o n p r e s s u r e a t t h e g i v e n i n l e t t e m p e r a t u r e , a n d ~cell i s t h e n u m b e r o f c e l l s i n t h e s t a c k . B y c o m b i n i n g t h e p r e v i o u s e q u a t i o n s , t h e v e l o c i t y a t t h e s t a c k i n l e t i s : 5 0 l S o 2 ( W e + W I J L e h a n R ' / ' v = - - - - ( 4 . 2 1 ) 4 F r 0 2 V l ' c · d c P - 0 P . ; a t l . i q u i d o r g a s f l o w c o n f i n e d i n c h a n n e l s c a n b e l a m i n a r , t u r b u l e n t . o r t r a n s i t i o n a l a n d i s ( h a r a c t e r i z e d b y a n i m p o r t a n t d i m e n s i o n l e s s n u m b e r k n o w n a s t h e R e y n o l d ' s n u m b e r ( R e ) . I h i s n u m b e r i s t h e r a t i o o f t h e i n e r t i a l f o r c e s t o v i s c o u s f o r c e s a n d i s g i v e n b y : P V m D c h V m D c h ( 4 . 2 2 ) R c = --~- = = --~~ ] t v \ \ ' I H . : n : V m i s t h e c h a r a c t e r i s t i c v e l o c i t y o f t h e f l o w ( m / s ) . D c h i s t h e ! l o w c h a n n e l d i a m e t e r ( ) r c h a r a c t e r i s t i c l e n g t h ( m ) , r i s t h e f 1 u i d d e n s i t y ( k g / m 3 ) , m i s t h e n u i d v i s c o s i t y [ k g / ( m * s ( 1 r N * s / m 2 j . a n d n i s t h e k i n e m a t i c v i s c o s i t y ( m 2 / s ) . W h e n R e i s s m a l l ( < 2 3 0 0 ) . t h e f l o w i s i~lllll!lar. I h e J l o w r a t e a t t h e s t a c k o u t l e t i s u s u a l l y d i f f e r e n t t h a n t h e - i n l e t . I f i t i s a s s u m e d t h a t t h e ( ) L l t l c t f l o w i s s a t u r a t e d w i t h w a t e r v a p o r . t h e t l o w r a t e i s : 1 ( S , ) R T o t t t N - _ · _ · ~ - 1 . . c e l l Q s t u c k - 4 F r ' ) P i n - ! : : . ! - ' - ( P P s a t ( T o u t ) o _ ( 4 . 2 : 1 ) I · u e l c e l l g a s s t r e a m s a r e r a r e l y c o m p o s e d o f a s i n g l e s p e c i e s . U s u a l l y , t h e y a r e g a s 1 1 1 i x t u r e s . s u c h a s o x y g e n a n d n i t r o g e n f r o m t h e a i r . T h e f o l l o w i n g e x p r e s s i o n p r o v i d e s a ~ood e s t i m a t e f o r t h e v i s c o s i t y o f a g a s m i x t u r e : N ' \ ' X i ! l i f l n w x = / . . . . . ; ' j } j _ 1 X ; r / J i ) i = l ( 4 . 2 4 ) W h e r e ( I ) i i i s a d i m e n s i o n l e s s n u m b e r o b t a i n e d f r o m _ 1 ( M i ) - 1 1 2 [ ( f - l i ) 1 / 2 ( M i ) t / 4 ] 2 ( , Z ' J i j - - 1 + - 1 + - - J 8 M i f . l ; M i ( 4 . 2 5 ) W h e r e N i s t h e t o t a l n u m b e r o f s p e c i e s i n t h e m i x t u r e , X i a n d X j a r e t h e m o l e f r a c t i o n s o f s p e c i e s i a n d j . a n d M i a n d M i a r e t h e m o l e c u l a r w e i g h t ( k g / m o l ) o f s p e c i e s i a n d j . F o r p o r o u s t 1 o w f i e l d s . t h e p r e s s u r e d r o p i s d e t e r m i n e d b y D a r c y ' s l a w : Q c c l l b . P = ] t - - L c h ; l l l k A c ( 4 . 2 6 ) V . ' h e r c m i s t h e v i s c o s i t y o f t h e f l u i d . O c e l l i s t h e g e o m e t r i c f l o w r a t e t h r o u g h t h e c e l l . m 3 / s . k i s t h e p e r m e a b i l i t y . m 2 , A c i s t h e cross~sectional a r e a o f t h e f l o w f i e l d . m 2 . a n d L e h a n i s ! h e l e n g t h o f t h e t l o w f i e l d . I h e m o d e l i n g o r p r e s s u r e d r o p t h r o u g h a P E M f u e l c e l l c a t h o d e f 1 o w f i e l d o f a s i n g l e g r a p h i t e p l a t e w i t h 1 OO~cm2 c e l l a r e a . T h e s t a c k o p e r a t e s a t 3 a t m a t 6 0 o c w i t h 1 0 0 % s a t u r a t e d a i r . T h e f l o w f i e l d c o n s i s t s o f 2 4 p a r a l l e l s e r p e n t i n e c h a n n e l s 1 m 1 1 1 w i d e . 1 m m d e e p . a n d I 1 1 1 1 1 1 a p a r t . T h e c e l l o p e r a t e s a t 0 . 7 A / c m 2 a t 0 . 6 5 V . t h e r e s u l t o u t p u t i s g i v e n a s : - , h l l w n i n A p p e n d i x C - C - 7 . 5 1 l C h a p t e r 5 P E M F u e l c e l l s p e c i a l F e a t u r e s 5 . 1 C o m p a r i s o n b e t w e e n b a t t e r i e s a n d f u e l c e l l s f o r p h o t o v o l t a i c s y s t e m b a c k u p s I · : t · n e r g y s t o r a g e d e v i c e s . b a t t e r i e s c o n t i n u e t o b e a p p l i e d t o e l e c t r i c p o w e r u t i l i t i e s f o r d 1 : 1 \ \ 1 n g b e n e f i t s o f p e a k s h a v i n g a n d l o a d l e v e l i n g . B a t t e r y e n e r g y s t o r a g e f a c i l i t i e s p r . \ i d e t h e u t i l i t i e s a d d i t i o n a l d y n a m i c b e n e f i t s s u c h a s v o l t a g e q n d f r e q u e n c y r e g u l a t i o n . h 1 l f o l l o w i n g . s p i n n i n g r e s e r v e . a n d p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n [ 2 5 ] [ 2 6 ] . A p p l i c a t i o n s o f t h e s t , , , c t g e b a t t e r i e s t o p o w e r s y s t e m s a r e p r e d i c t e d t o g r o w i n t h e f u t u r e c l u e t o t h o s e b e n e f i t s l ' < · u p l e d v v i t h t h e a b i l i t y t o p r o v i d e p e a k p o w e r . l u , 1 c e l l p o w e r g e n e r a t i o n i s a n o t h e r a t t r a c t i v e o p t i o n f o r p r o v i d i n g p o w e r f o r e l e c t r i c u t l i l i i e s a n d c o m m e r c i a l b u i l d i n g s b e c a u s e o f i t s h i g h e f f i c i e n c y a n d e n v i r o n m e n t a l l y h t · 1 n g n f ' c a t u r e . T h i s t y p e o f p o w e r p r o d u c t i o n i s e s p e c i a l l y e c o n o m i c a l ( i ) w h e r e p o t e n t i a l u~t·r~ a r c b c e d w i t h h i g h c o s t i n e l e c t r i c p o w e r g e n e r a t i o n f r o m c o a l o r o i L ( i i ) w h e r e t i l \ 1 r u n m e n t a l c o n s t r a i n t s a r e s t r i n g e n t . o r ( i i i ) w h e r e l o a d c o n s t r a i n t s o f t r a n s m i s s i o n a n d c l i s t r i h u t i o n s y s t e m s a r e s o t i g h t t h a t t h e i r n e w i n s t a l l a t i o n s a r e n o t p o s s i b l e . P i l ' * ' \ o l t a i c p o v , e r o u t p u t s v a r y d e p e n d i n g m a i n l y u p o n s o l a r i n s u l a t i o n a n d c e l l t e m p e r a t u r e . S i n c e c o n t r o l o f t h e a m b i e n t w e a t h e r c o n d i t i o n s i s b e y o n d h u m a n b e i n g s ' c a p a b i l i t y . i t i s a l m o s t i m p o s s i b l e f o r h u m a n o p e r a t o r s t o c o n t r o l t h e P V p o w e r i t s e l f . T h u s , a P \ ' p o w e r g e n e r a t o r m a y s o m e t i m e s e x p e r i e n c e s h a r p o u t p u t p o w e r f l u c t u a t i o n s o w i n g t o i n t e r m i t t e n t w e a t h e r c o n d i t i o n s . w h i c h c a u s e s c o n t r o l p r o b l e m s s u c h a s l o a d f r e q u e n c y c u n t m L g e n e r a t o r v o l t a g e c o n t r o l a n d e v e n s y s t e m s t a b i l i t y a n a l y s i s . T h e r e i s . t h e r e f o r e . a n c t · d C o r b a c k u p p o w e r f a c i l i t i e s i n t h e P V p o w e r g e n e r a t i o n . B a t t e r i e s a n d f u e l c e l l s a r e t h e m''·~t l i k e l y t e c h n o l o g i e s t o p r o v i d e t h e P V s y s t e m w i t h b a c k u p p o w e r b e c a u s e t h e s e t w o b a c k u p p o w e r s o u r c e s c o n t a i n s o m e d i s t i n c t f e a t u r e s i n c o m m o n . T h o s e c h a r a c t e r i s t i c s a r e l i q c d h e l m \ . A . I a s t L o a d - R e s p o n s e C a p a b i l i t y B . \ l o d u l a r i t y i n P r o d u c t i o n C . I I i g h l y R e l i a b l e S o u r c e s D . F l e x i b i l i t y i n S i t e S e l e c t i o n ( E n v i r o n m e n t a l A c c e p t a b i l i t y ) C l l l l l p a r i s o n b e t w e e n b a t t e r y b a c k u p a n d f u e l c e l l b a c k u p f o r P V p o w e r s u p p l e m e n t i s m a d e i n t h e f o l l o v , i n g s e c t i o n s . I . t r t i c i c n c y 1 \ m e r g e n e r a t i o n i n f u e l c e l l s d i r e c t l y c o n v e r t a v a i l a b l e c h e m i c a l f r e e e n e r g y t o e l e c t r i c a l e n e r g y r a t h e r t h a n g o i n g t h r o u g h h e a t e x c h a n g e p r o c e s s e s . T h u s , i t c a n b e s a i d t h a t f u e l c e l l s a r e a m o r e e f f i c i e n t p o w e r c o n v e r s i o n t e c h n o l o g y t h a n t h e c o n v e n t i o n a l s t e a m - a p p l y i n g p o w e r g e n e r a t i o n s . E l e c t r i c i t y , t h e c o n v e n t i o n a l p o w e r g e n e r a t o r h a s s e v e r a l s t e p s f o r e l e c t r i c i t y g e n e r a t i o n a n d e a c h s t e p r e q u i r e s a c e r t a i n a m o u n t o f e n e r g y l o s s . F u e l c e l l p D \ \ e r s y s t e m s h a v e a r o u n d 4 0 - 6 0 % e f f i c i e n c i e s d e p e n d i n g o n t h e t y p e o f e l e c t r o l y t e s a n d i n d e p e n d e n t o f s i z e . B a t t e r y p o w e r s y s t e m s t h e m s e l v e s h a v e h i g h e n e r g y e f f i c i e n c i e s , b u t t h e i r ( l \ e r a ! ! s y s t e m e f f i c i e n c i e s f r o m r a w f u e l ( m o s t l y c o a l o r n u c l e a r ) t h r o u g h t h e b a t t e r i e s 5 2 l l 1 c o n v e r t e d a c p o w e r a r e r e d u c e d t o b e l o w 3 0 % . T h i s i s b e c a u s e e n e r g y l o s s e s t a k e p l a c e \ \ h e n e v e r o n e e n e r g y f o r m i s c o n v e r t e d t o a n o t h e r . . : C a p a c i t y V a r i a t i o n \ s t h e b a t t e r y d i s c h a r g e s , i t s t e r m i n a l v o l t a g e g r a d u a l l y d e c r e a s e s . T h e f a l l o f t h e t e r m i n a l \ ' U i t a g e o n d i s c h a r g e i s d u e t o i t s i n t e r n a l r e s i s t a n c e . H o w e v e r , t h e i n t e r n a l r e s i s t a n c e o f a b a t t e r y v a r i e s w i t h i t s c e l l t e m p e r a t u r e a n d s t a t e o f d i s c h a r g e . F u e l c e l l s y s t e m s h a v e a g r e a t e r e f f i c i e n c y a t f u l l l o a d a n d t h i s h i g h e f f i c i e n c y i s r e t a i n e d a s l o a d d i m i n i s h e s . s o I n e f f i c i e n t p e a k i n g g e n e r a t o r s m a y n o t b e n e e d e d . 1 F l e x i b i l i t y i n O p e r a t i o n I · u e l c e l l s h a v e a n a d v a n t a g e o v e r s t o r a g e b a t t e r i e s i n t h e r e s p e c t o f o p e r a t i o n a l f l e x i b i l i t y . l~atteries n e e d s e v e r a l h o u r s t o b e t a k e n f o r r e c h a r g i n g a f t e r t h e y a r e f u l l y d i s c h a r g e d . D u r i n g d i s c h a r g e t h e b a t t e r i e s · e l e c t r o d e m a t e r i a l s a r e l o s t t o t h e e l e c t r o l y t e , a n d t h e e l e c t r o d e m a t e r i a l s c a n b e r e c o v e r e d d u r i n g t h e r e c h a r g i n g p r o c e s s . F u e l c e l l s , o n t h e o t h e r h a n d , d o n o t u n d e r g o s u c h m a t e r i a l c h a n g e s . T h e f u e l s t o r e d o u t s i d e t h e c e l l s c a n q u i c k l y h e r e p l e n i s h e d , s o t h e y d o n o t r u n d o w n a s l o n g a s t h e f u e l c a n b e s u p p l i e d . - 1 . l ' o s l T h e h i s t o r y o f f u e l c e l l e q u i p m e n t c o s t s h a s s h o w n t h a t t h e p r i c e o f f u e l c e l l s h a s d r o p p e d : - - i g n i f i c a n t l y a s t h e c o m m e r c i a l m a r k e t g r o w s a n d t h e m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y b e c o m e s m a t u r e . 5 . 2 E f f i c i e n c y a n d h y d r o g e n c o n s u m p t i o n E f f i c i e n c y T h e e f f i c i e n c y o f a f u e l c e l l s y s t e m i s d e f i n e d a s t h e p e r c e n t a g e o f t h e f u e l t h a t i s c o n v e r t e d l l 1 e l e c t r i c e n e r g y . T h i s i s m a d e b y c o m p a r i n g t h e o u t p u t e l e c t r i c e n e r g y w i t h t h e c o n s u m e d c h e m i c a l e n e r g y . T h e c o m m o n v a l u e o f c h e m i c a l e n e r g y i s t h e l o w e r h e a t i n g v a l u e ( L H V ) p f t h e f u e l . H i g h e f f i c i e n c y m e a n s l o w h y d r o g e n c o n s u m p t i o n . A f u e l c e l l s y s t e m t h a t d e l i v e r s 1 0 0 0 W n e t p o w e r w i l l c o n s u m e h y d r o g e n a c c o r d i n g t o t h e t a b l e E f i c i e n c y = E l e c t r i c i t y F 1 1 e l T a b l e 5 . 1 - E f f i c i e n c y a n d h y d r o g e n c o n s u m p t i o n E f f i c i e n c y - ' Y o H v d r o g e n ( n l / m i n ) H y d r o g _ e n ( g / h ) 3 5 1 7 . 1 8 6 . 0 4 0 1 4 . 9 7 5 . 3 - - 1 4 5 1 3 . 3 6 6 . 9 1 s o l l . 9 6 0 . 2 I . ( 5 . 1 ) P r e v i o u s l y s h o w n t h a t i t w a s t h e ' G i b b s f r e e e n e r g y ' t h a t i s c o n v e r t e d i n t o e l e c t r i c a l e n e r g y . I h i s e n e r g y w o u l d b e c o n v e r t e d i n t o e l e c t r i c a l e n e r g y , a n d t h e e f f i c i e n c y c o u l d b e s a i d t o h e 1 0 0 % . H o w e v e r , t h i s i s t h e r e s u l t o f c h o o s i n g o n e a m o n g s e v e r a l t y p e s o f · c h e m i c a l e n e r g y ' a n d c a n b e i n d i c a t e d t h e f o l l o w i n g t h a t i t a l s o c h a n g e s w i t h p r e s s u r e a n d o t h e r f~1ctors. A l l i n a l l . t o d e f i n e e f f i c i e n c y a s E l e c t r i c a l e n e r g y p r o d u c e d E f f i e n c y = - - - - - - - - - - G i b b s f r e e e n e r g y c h a n g e ( 5 . 2 ) 5 3 T h i s i s n o t v e r y u s e f u l , a n d i s r a r e l y d o n e , a s w h a t e v e r c o n d i t i o n s a r e u s e d t h e e f f i c i e n c y l i m i t i s a l w a y s 1 0 0 % . S i n c e a f u e l c e l l u s e s m a t e r i a l s t h a t a r e u s u a l l y b u r n t t o r e l e a s e t h e i r e n e r g y . i t w o u l d m a k e s e n s e t o c o m p a r e t h e e l e c t r i c a l e n e r g y p r o d u c e d w i t h t h e h e a t t h a t ' ' o u l d b e p r o d u c e d b y b u r n i n g t h e f u e l . T h i s i s s o m e t i m e s c a l l e d t h e c a l o r i f i c v a l u e . t h o u g h a m o r e p r e c i s e d e s c r i p t i o n i s t h e c h a n g e i n ' e n t h a l p y o f f o r m a t i o n ' . I t s s y m b o l i s l i h r . A s ' ' i t h t h e G i b b s f r e e e n e r g y . t h e c o n v e n t i o n i s t h a t l i h r i s n e g a t i v e w h e n e n e r g y i s r e l e a s e d . S u t o g e t a g o o d c o m p a r i s o n w i t h o t h e r f u e l - u s i n g t e c h n o l o g i e s . t h e e f f i c i e n c y o f t h e f u e l c e l l i s u s u a l l y d e f i n e d a s 2 . 3 . E l e c t r i c a l e n e r g y p r o d u c e d p e r m o l e o f f u e l E f f i e n c y = - - - - - - - = - - - - - - = - - - - - - - - - - l i h r ( 5 . 3 ) l l c m · e v e r . e v e n t h i s i s n o t w i t h o u t i t s a m b i g u i t i e s , a s t h e r e a r e t w o d i f f e r e n t v a l u e s t h a t w e c a n u s e f o r l i h r . F o r t h e " b u r n i n g ' o f h y d r o g e n 1 H 2 + 2 0 2 - · > 1 1 2 0 ( s t e a m ) - M t r = - 2 4 1 . 8 3 k J m o l - 1 \ V h e r e a s i f t h e p r o d u c t w a t e r i s c o n d e n s e d b a c k t o l i q u i d . t h e r e a c t i o n i s 1 H z + 2 0 2 ~ H 2 0 ( l i q u i d ) l i l i r = - 2 8 5 . 8 4 k J m o l - 1 T h e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e s e t w o v a l u e s f o r l i h r ( 4 4 . 0 1 k J m o l - l ) i s t h e m o l a r e n t h a l p y o f \ · a p o r i z a t i o n o f w a t e r . T h e h i g h e r f i g u r e i s c a l l e d t h e h i g h e r h e a t i n g v a l u e ( H I - I V ) , a n d t h e l o w e r . q u i t e l o g i c a l l y . t h e " l o w e r h e a t i n g v a l u e ' ( L H V ) . A n y s t a t e m e n t o f e f f i c i e n c y s h o u l d s a y w h e t h e r i t r e l a t e s t o t h e h i g h e r o r l o w e r h e a t i n g v a l u e . I f t h i s i n f o r m a t i o n i s n o t g i v e n . t h e L H V h a s p r o b a b l y b e e n u s e d , s i n c e t h i s w i l l g i v e a h i g h e r e f f i c i e n c y f i g u r e . I t i s c l e a r t h a t t h e r e i s a l i m i t t o t h e e f f i c i e n c y a s d e f i n e d i t a s i n e q u a t i o n 2 . 3 . T h e m a x i m u m e l e c t r i c a l e n e r g y a v a i l a b l e i s e q u a l t o t h e c h a n g e i n G i b b s f r e e e n e r g y , s o l i - M a x i m u m E f f i e n c y p o s s i b l e = ~f x 1 0 0 0 ; ( 1 l i h r ( 5 . 4 ) T h i s m a x i m u m e f f i c i e n c y l i m i t i s s o m e t i m e s k n o w n a s t h e ' t h e r m o d y n a m i c e f f i c i e n c y ' . T a b l e 5 . 2 g i v e s t h e v a l u e s o f t h e e f f i c i e n c y l i m i t . r e l a t i v e t o t h e H H V . f o r a h y d r o g e n f u e l c c 1 1 . 5 4 T a b l e - 5 . 2 E f f i c i e n c y L i m i t s f o r P E M F C F o r m o f w a t e r I T e m p e r a t u r e C I L l g r I M a x E M F p r o d u c t 1 . k J m o l - 1 V i ---~--- i · - - - - - / 1 7 ' ) -~ - - · I ' ) - t - - r ' . 2 3 - · E f f i c i e n c y l i m i t o ; ; , i r - F i . l l i U i d L i e - - - ' s o - 2 2 8 . 2 1 . 1 8 8 0 · - - - i l i a ' i a ' i a \ i a ' i a \ ; ~1 ' " s s - - s " " " - - s · - 1 0 0 2 0 0 I 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 I - - - - - - 1 - 2 2 5 . 2 1 . 1 7 7 9 - 2 2 0 . 3 1 . 1 4 7 7 I - 2 1 0 . 3 1 . 0 9 7 4 I - 1 9 9 . 6 1 . 0 4 7 0 - 1 8 8 . 6 0 . 9 8 ! 6 6 - - I - 1 7 7 . 4 0 . 9 2 6 2 ~gr_ . 1 : 1 a x i m u m E~F ( o r r e v e r s i b l e o p e n c i r c u i t v o l t a g e ) . a n d e f f i c i e n c y l i m i t ( H H V [ ' ' a s t c ) t o r h v d r o b o e n f u e l c e l l s i • I I - - - - -·-------·----~---~---------------------------------------.1 ~.3 E f f i c i e n c y a n d t h e F u e l C e l l V o l t a g e · i s c l e a r f r o m T a b l e 2 . 2 t h a t t h e r e i s a c o n n e c t i o n b e t w e e n t h e m a x i m u m E M F o f a c e l l t n d i t s m a x i m u m e f f i c i e n c y . T h e o p e r a t i n g v o l t a g e o f a f u e l c e l l c a n a l s o b e v e r y e a s i l y - : l a t e d t o i t s e f f i c i e n c y . T h i s c a n b e s h o w n b y a d a p t i n g e q u a t i o n 5 . 5 . - L l g t E = - - 2 F ( 5 . 5 ) . I a l l t h e e n e r g y f r o m t h e h y d r o g e n f u e l , i t s ' c a l o r i f i c v a l u e ' , h e a t i n g v a l u e , o r e n t h a l p y o f · , ) r m a t i o n . w e r e t r a n s f o r m e d i n t o e l e c t r i c a l e n e r g y . t h e n t h e E M F w o u l d b e g i v e n b y - M 1 E = 2 F 1 = 1 . 4 8 V i f u s i n g t h e H H V o r 1 . 2 5 i f u s i n g t h e L H V ( 5 . ( J ) , ! J l : s c a r c t h e v o l t a g e s t h a t w o u l d b e o b t a i n e d f r o m a 1 0 0 % e f i i c i e n t s y s t e m , w i t h r e f e r e n c e 1 t h e 1 - I H V o r L H V . T h e a c t u a l e f f i c i e n c y o f t h e c e l l i s t h e n t h e a c t u a l v o l t a g e d i v i d e d b y 1 1 e s e v a l u e s . o r C e l l E f f c i e n c y = . ! . : : _ _ 1 0 0 % ( w i t h r e f e r e n c e t o H H V ) 1 . 4 8 ( 5 . 7 ) · l o \ - \ e v c r . i n p r a c t i c e i t i s f o u n d t h a t n o t a l l t h e f u e l t h a t i s f e d t o a f u e l c e l l c a n b e u s e d , f o r L ' a s o n s d i s c u s s e d l a t e r . S o m e f u e l u s u a l l y h a s t o p a s s t h r o u g h u n - r e a c t e d . A f u e l u t i l i z a t i o n 1 e f l i c i e n t c a n b e d e f i n e d a s m a s s o f f u e l r e a c t e d i n c e l l ~l- = t m a s s o f f u e l i n p u t t o c e l l ( 5 . 8 ) ' h i s i s e q u i v a l e n t t o t h e r a t i o o f f u e l c e l l c u r r e n t a n d t h e c u r r e n t t h a t w o u l d b e o b t a i n e d i f t i I t h e f u e l w e r e r e a c t e d . T h e f u e l c e l l e f f i c i e n c y i s t h e r e f o r e g i v e n b y v E f f c i e n c y , 1 1 = ~lf_c_. 1 0 0 % J 1 . 4 8 ( 5 . 9 ) 5 5 ) A W h y i s t h e e f f i c i e n c y n o t I O O ' X , \ I I e n e r g y c o n v e r s i o n s w i l l l e a d t o a c e r t a i n a m o u n t o f d e g r a d a t i o n o f e n e r g y q u a l i t y . A l l 1 1 p u t e n e r g y w i l l n o t c o m e o u t a s o u t p u t . S o m e o f t h e e n e r g y w i l l b e l o s t a s h e a t . F u e l c e l l k \ e l o p m e n t w o r k a i m s t o m a x i m i z e t h e o u t p u t b y m i n i m i z i n g t h e l o s s e s . T h e l o s s e s c o u l d ' L ' t r a c e d t u e i t h e r t h e s t a c k o r t h e c o m p o n e n t s o f s y s t e m . T h e f u e l c e l l s t a c k c o n v e r t s t h e . h e m i c a l e n e r g y t o e l e c t r i c e n e r g y . T h e e l e c t r o c h e m i c a l p r o c e s s a n d t h e c o n d u c t a n c e o f , u r r e n t w i l l h o w e v e r l e a d t o l o s s e s a n d h e a t g e n e r a t i o n . T h e s e l o s s e s a l w a y s i n c r e a s e a t · 1 i g h c u r r e n t o u t t a k e . S t a c k d e s i g n a n d o p e r a t i n g c o n d i t i o n s c o u l d b e o p t i m i z e d t o r e d u c e · t l L ' l o s s e s . T h e r e a r e t w o k i n d s o f l o s s e s a t s y s t e m l e v e l : F u e l l o s s e s a n d e l e c t r i c l o s s e s . T h e · . : d h y d r o g e n w i l l b e c o n v e r t e d t o e l e c t r i c i t y i n t h e s t a c k . S m a l l a m o u n t s o f h y d r o g e n w i l l · u w e v e r b e p u r g e d o u t o f t h e s y s t e m . T h i s f u e l w i l l r e p r e s e n t a m i n o r l o s s t h a t m u s t b e u n s i d c r e d w h e n e s t a b l i s h i n g t h e e f f i c i e n c y . T h e l a s t t h i n g t o c o n s i d e r i s t h e i n t e r n a l ' ' m p o n e n t s o f t h e s y s t e m . T h e y w i l l c o n s u m e s o m e o f t h e p o w e r d e l i v e r e d f r o m t h e s t a c k . · l l m p o n e n t s l i k e t h e a i r b l o w e r , c o o l i n g p u m p , c o o l i n g f a n s , v a l v e s a n d c o n t r o l c i r c u i t s \ i l l s u p p o r t t h e s t a c k a n d c o n s u m e e l e c t r i c p o w e r . T h e n e t p o w e r d e l i v e r e d f r o m t h e . \ s t e m w i l l b e s l i g h t l y l o w e r t h a n t h e g r o s s p o w e r f r o m t h e s t a c k , b e c a u s e o f t h e i n t e r n a l l ' n s u m p t i o n . T h e o v e r a l l e f f i c i e n c y o f t h e s y s t e m t a k e s a l l t h e s e l o s s e s i n t o a c c o u n t . I n P u t 1 0 0 % F u e l O u t p u t 4 7 i n t e r n a l e l e c t r i c P u r g e d f u e l O h m i c A c t i v a t i o n 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 A c t i v a t i o n : B O h r n i c P u r g e d f u e l ~Internal e l e c t r i c . . · O u t P u t F i g u r e - 5 . 1 T h e o v e r a l l l o s s e s i n P E M F C ' s y s t e m ' \ . 6 I m p l e m e n t a t i o n o f P E M F C s y s t e m ; ; _ 6 . 1 S o l a r H y d r o g e n P E M F u e l c e l l s y s t e m f o r a h o m e h e d e v e l o p m e n t o f a h y d r o g e n e c o n o m y c a n h a v e m a n y b e n e f i t s f o r t h e e n v i r o n m e n t . I t , n t l d p l a y a r o l e i n r e d u c i n g g l o b a l w a r m i n g a n d a i r q u a l i t y p r o b l e m s i n a n d a r o u n d m a j o r ; t J e s . A l a r g e p e r c e n t a g e o f t h e p o l l u t i o n t h a t c o n t r i b u t e s t o t h e s e i s s u e s i s e a s i l y t r a c e d t o ' l ' p m v e r d e m a n d s o f b u i l d i n g s a n d t h e e m i s s i o n s o f v e h i c l e s . P r o v i d e d h y d r o g e n c a n b e ' l w l u c e d f r o m r e n e w a b l e r e s o u r c e s a t r e a s o n a b l e c o s t s , t h e u s e o f h y d r o g e n f u e l c e l l e T h n o l o g y i n b u i l d i n g s a n d v e h i c l e s w o u l d e f f e c t i v e l y e l i m i n a t e a m a j o r c o n t r i b u t i o n t o a i r ' 1 l l u t i o n p r o b l e m s a n d g l o b a l w a r m i n g . ) ( ) . . . . . T a b l e - 5 . 3 T h e P r o e r t i e s o f F u e l c e l l s FucTCell·~---~---!Eiectr~ly~-- Ope;;ti~-~:-1·-Electri~-;.- 1 -FuetOrid~-~tl I T e m p c r a t u r E f f i c i e n c y I • j } . . . ~ - L---~------~ A l k a l i n e F C A F C I P o t a s s i u m · R o o m , 6 0 - 7 0 % I H e . 0 2 I I h y d r o x i d e ( K O H ) I t e m p e r a t u r e t o I I i J s o l u t i o n [ 9 0 C I [ . _ _ _ _ j P r o . t o n E x c h : u . J g e 1 P r o t o n E x c h a n g e j R o o m ~140-60%, ! H c . O c _ A i r I : v l c m h r a n c f C [ m e m b r a n e I t e m p e r a t u r e t o ! i 6\:~;~~;_~leth;-no_I_F_C T i , P r o t o n e x c h a n g e ~~~~111 - - - - 2 - 0 - - 3 - 0 _ o / c _ o · r l C_H_c_O_IU)c~--1 D M F C m e m b r a n e t e m p e r a t u r e t o I A i r 1 1 3 0 C ··-~-----------1-----~ -~-- P h o s p h o r i c a c i d F C I P h o s p h o r i c a c i d I l 6 0 - 2 2 0 C I 5 5 ° 6 > N a t u r a l g a s . I ' A F C i -~1~-lten C a r b o n a t e F C I M o l t e n m i x t u r e o f \ 6 2 0 - 6 6 0 M C F C i a l k a l i m e t a l I I b i o g a s . . I l f , O , , A J r 1 - + - - - . . - - ----~--~------; J 6 5 % , N a t u r a l g a s . 1 I I b i o g a s . C o a l I S o l i d O x i d e F C S O F C I c a r b o n a t e s O x i d e i o n c o n d u c t i n g . c e r a m i c - - - _ _ _ _ j _ _ _ _ _ _ _ _ _ 8 0 0 - 1 o o o c 1 1 G a s . 1 - - ! , 0 c - A t · r _ ~ 6 0 - 6 5 % _ j N a t u r a l g a s . b i o g a s . C o a l - - - - ' - - - - Ga~:..J.:!_.,.o_.,,A_il:___j I h e c o s t o f s o l a r h y d r o g e n p r o d u c t i o n n e e d s t o b e c o m p e t i t i v e w i t h s i m i l a r h y d r o g e n 1 1 W d u c t i o n p r o c e s s e s f o r i t t o b e s u c c e s s f u l i n t h e h y d r o g e n m a r k e t . A s a p r o t o t y p e . , 1 ) n s t r u c t i n g a s y s t e m t o d a y i s r e l a t i v e l y e x p e n s i v e . H o w e v e r . e f f i c i e n t a n d c o s t e f f e c t i v e J c s i g n a n d m a s s p r o d u c t i o n c a n s i g n i f i c a n t l y r e d u c e f u t u r e p r o d u c t i o n c o s t s . T h e p r o j e c t e d c u s t C o r s u c h a s y s t e m \ V i l l b e e v a l u a t e d a n d c o m p a r e d t o s i m i l a r h y d r o g e n p r o d u c t i o n ,~stems. T a b l e 5 . 4 s h o w s t h e c o s t a n a l y s i s o f s o l a r h y d r o g e n P E M f u e l c e l l s y s t e m f o r a , j n g l c h o m e . D u r i n g t h < : d a y P h o t o v o l t a i c p a n e l s p o w e r t h e h o m e A t t h e s a m e t i m e . e x c e s s e n e r g y i s u s e d t o s p l i t w a t e r i n t o h y d r o g e n a n d O x y g e n f o r s t o r a g e u s i n g t h e e f f i c i e n c y a n d c o s t - c t ' k c t i v c c a t a l y s t F i g u r e 5 . 2 - S o l a r h y d r o g e n F u e l c e l l s y s t e m f o r a H o m e 5 7 T a b l e 5 . 4 - C o s t a n a l y s i s o f a s o l a r h y d r o g e n F u e l c e l l s y s t e m f o r a H o m e C P o w e r n e e d e d 1 2 0 0 kwh/~ I F r a c t i o n c o v e r a g e 9 8 % A C o u t p u t n e e d e d 0 . 7 5 k w M o d u l e a r e a 1 5 . 0 0 s q f t I i A r e a n e e d e d 1 8 3 s q f t 1 M o d u l e s 1 2 _ j i P o w e r p e r m o d u l e 6 5 w a t t s I - 1 D C p o w e r 7 9 3 w a t t s I n v e r t e r e f f i c i e n c y 9 4 % _ ! : . _ c ; _ _ p o w e r 7 4 6 wa~ M o d u l e c o s t r a t e $ 2 . 1 0 a t t M o d u l e C o s t $1~666 I n v e r t e r c o s t r a t e $ 0 . 5 0 w a t t s j r - - - - I n v e r t e r c o s t $ 3 9 7 ~lallation c o s t r a t e $ 1 . 0 0 p e r w a t t J 1 I n s t a l l a t i o n c o s t $ 7 9 3 1 F u e l b a c k u p d a y s 2 d a y F u e l s t o r a g e n e e d e d 7 k w h F u e l c e l l c o s t r a t e $ 1 2 5 k w h F u e l c e l l c o s t + G a s S t ' g e + r e l i f e f v a l v e s + ! t u b i n g s $ 3 , 5 0 0 F C r e p l a c e m e n t t i m e 1 5 y r T o t a l c o s t $ 6 , 3 5 6 C a J l a c i t y _ f a c t o r 1 8 % C A e q u i v a r r a y 1 5 7 6 . 8 k w h / y e a r / k w 0 u t p ut_jl~J:'ea r 1 1 7 6 k w h D e g r a d a t i o n r a t e - 0 . 1 0 I % / y r ~-- M a i n t e n a n c e c o s t _ f ) _ e r y e a r _ p _ e r k w $ 1 0 . o o I I M a i n t e n a n c e c o s t p e r y e a r F C - - - - - - - , $ 2 3 3 . 3 3 I I i _ G 1 a i n t e n a n c e c o s t p e r y e a r E _ L t ! : I M a i n t e n a n c e c o s t p~ear w / F C $ 2 4 1 ! y _ r 7 5 I ' _Q_~12ut a f t e r ~ear 2 5 5 0 1 0 0 l ' ! 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R e v e r s i b l e P E M F C c a n a c t a s b o t h e l e c t r o l y z e r m o d e a n d F u e l c e l l m o d e . I h e s o l a r m o d u l e c o n v e r t s r a d i a n t e n e r g y i n t o e l e c t r i c a l e n e r g y t o p o w e r t h e e l e c t r o l y s e r . ! " h e c l e c t r o l y s e r b r e a k s w a t e r i n t o i t s b a s i c c o n s t i t u e n t s o f h y d r o g e n a n d o x y g e n . T h e s e g a s e s a r e s t o r e d i n t h e g r a d u a t e d c y l i n d e r s . W h e n e l e c t r i c a l p o w e r i s r e q u i r e d , t h e P E M f u e l c e l l r e c o m b i n e s t h e s t o r e d g a s e s t o f o r m w a t e r , a n d r e l e a s e h e a t a n d e l e c t r i c i t y . T h e ~\:-;tematic f u e l c e l l u n i t i s s h o w n i n f i g u r e 5 . 3 . · . . \ ,~<~:~~,, < : 3 · · - . _ , _ I I • . . ' I I · , ' - . ' . ' _ , . . 1 " - ; · , r . l ' \ - r - - " " · · \ ' · - ; . . ! . . - { . / : -~ ~- < ~ k _ . . . . ~- ~ q _ _ , e ; ; ; f l t . l \~- . . . . ~>~' . . . . . . . / ' / . """~ _ _ _ . / · · /'~-;..-· -~~~~~~~;::-~/- ~-'~ 0 . . J . - f ) . , , ~<:: " · : . . , 0 ~ . . . til.~ ·~··" . . ~~;;.,·<·····~~·~ <.:~:---:~::c . . . - - ; - : : : : : c - . - - F i g u r e 5 . 3 - F u e l c e l l b a s i c m o d e l ; E l e c t r o l y z e r m o d e - L e f t a n d F C m o d e - r i g h t 5 . 6 . 2 P E M F C S t a c k p r i n c i p l e T a b l e 5 . 5 - P E M F C E x p e r i m e n t a l d a t a L e 1 1 H e i g A r e a N o o f g t l t I t t c m 2 C u r r e n t S t a c k s V o l t a g e P o w e r = V I I I 1 0 . 5 A m p 1 0 . 0 3 V o l t s O . C J J 5 W a t t I ' " ) 2 1 A m p 1 0 . 0 6 V o l t s 0 . 0 6 W a t t ' " ) 2 4 ' " ) A m p 1 0 . 1 2 V o l t s 0 . 2 4 W a t t - " - 4 4 1 6 8 A m p 1 0 . 4 8 V o l t s 3 . 8 4 W a t t 5 5 2 5 1 2 . 5 A m p 1 0 . 7 5 V o l t s 9 . 3 7 5 W a t t 6 6 3 6 1 8 A m p 1 1 . 0 8 V o l t s 1 9 . 4 4 W a t t 5 6 3 0 1 5 A m p 1 0 . 9 V o l t s 1 3 . 5 W a t t 4 6 2 4 1 2 A m p I 0 . 7 2 V o l t s 8 . 6 4 W a t t ' " \ ' " \ 9 4 . 5 A m p 1 0 . 2 7 V o l t s 1 . 2 1 5 W a t t _ ) _ ) 5 9 \ c c u r d i n g t o t h e t a b l e 5 . 5 , t h e f u e l c e l l d i m e n s i o n s a n d i t s c o r r e s p o n d i n g p o w e r o u t p u t i s : . . ! 1 \ e n . I n t h e t h i r d c o l u m n i t s h o w s t h e f u e l c e l l s t a c k a r e a d e p e n d i n g o n i t s l e n g t h a n d h e i g h t . A c c o r d i n g t o t h e s t a c k p r i n c i p l e t h e d a t a i s c a l c u l a t e d . T h e s t a n d a r d s t a c k p r i n c i p l e . . . , g i v e n a s · · o n c e c e l l ( a n o d e + m e m b r a n e c a t h o d e ) c a n d e l i v e r 0 . 6 v o l t a g e s . T o g e t e n o u g h ) \ l \ \ e r o u t o f t h e f u e l c e l L s e v e r a l c a l l s a r e p i l i e d i n a s t a c k . G a s p l a t e s a r e p l a c e d b e t w e e n · l w c e l l s t u d i s t r i b u t e t h e h y d r o g e n a n d o x y g e n g a s t o t h e m e m b r a n e s . T h e a r e a o f t h e • n e m b r a n e g i v e s t h e c u r r e n t . ! c m 2 d e l i v e r s 0 . 5 A m p " . ! a b l e 5 . 6 s h o w s t h e e x p e r i m e n t a l d a t a o f P E M e l e c t r o l y z e r o u t p u t s . T a b l e s h o w s t h e l l y d r o g c n a n d o x y g e n p r o d u c t i o n d u e t o t h e w a t e r e l e c t r o l y z i n g . A l s o i t s h o w s t h e , u m p a r i s o n b e t w e e n r e v e r s i b l e a c t i o n s o f P E M F C . T a b l e 5 . 6 - E l e c t r o l y z e r O u t p u t D a t a [ E l e c - W o r C h a r N o o f P r o d u P r o d E l e ' z e r F C ' z e r g e i n g c e l l s c e d u c e d F C o u t p u t k i n g l i P - 0 / P P o w T i m e i n 0 2 - H 2 - t i m e - e r - U ' i l 1 i n s E / z r c m 3 c m 3 m i n W m i n W m i n -~ l J I 7 . 5 1 5 5 0 0 m W 8 2 4 ' r------~ ~---- - - 1---~---j I , ' \ \ 3 . 7 5 7 . 5 5 0 0 l n W g \ 4 \ ' \ I l 4 I 1 5 3 0 5 0 0 m W 8 4 4 ) I 3 1 1 . 2 5 2 2 . 5 1 5 0 0 m W 2 4 . . . , 3 6 . ) r o . , J 1 5 3 0 1 0 0 0 m W 1 6 4 1 6 1 0 5 0 1 ~ns 3 7 5 0 2 5 0 0 0 m W 4 0 0 5 0 0 1 0 0 0 0 5 . 6 . 3 F u e l c e l l C o n c e p t m o d e l V e h i c l e I h e M o d e l o f a h y d r o g e n c a r w i t h a r e g e n e r a t i v e f u e l c e l l s h o w s i n f i g u r e 5 . 1 2 . T h e F u e l C e l l C a r w o r k s w i t h a r e g e n e r a t i v e f u e l c e l l . T h e c e l l c a n b o t h b e a F u e l C e l l a n d ~lcctrolyser c e l l . T h i s s y s t e m c o n t a i n s f o l l o w i n g c o m p o n e n t s a s s h o w n i n f i g u r e 5 . 1 2 . F i g u r e 5 . 4 - F u e l c e l l C o n c e p t c a r ( ) ( ) l ) l \ \ \ ) c y l i n d e r s w i t h f u e l s t o r i n g c o n t a i n e r s 2 ) R e v e r s i b l e f u e l c e l l : : ; ) C o n t r n l l i n g s y s t e m v v i t h m o t o r - - 1 - ) S \ l l a r m o d u l e : ; ) C o n n e c t i n g t u b e s a n d c o n n e c t o r s ( J n c e t h e s o l a r m o d u l e c o n v e r t s r a d i a n t e n e r g y i n t o e l e c t r i c a l e n e r g y t o p o w e r t h e c l e c t r o l y z e r , i t s t a r t s t o p r o d u c e h y d r o g e n a n d o x y g e n i n t h e s t o r a g e s . R e v e r s i n g o f t h e c ! e c t r o l y z e r i s a F u e l c e l l w h i c h c o n v e r t s b o t h f u e l s i n t o e l e c t r i c i t y . I ~·cllnical d a t a : l \ n v e r 1 W ( e l e c t r o l y z e r m o d e ) , 5 0 0 m W ( f u e l c e l l m o d e ) , G a s s t o r a g e 1 5 c m 3 H 2 ; 1 5 c m 3 0 2 . H x W x D 7 5 x 9 0 x 2 0 0 1 1 1 1 1 1 ( 3 " x 3 1 / 2 " x 7 5 / 6 " ) , W e i g h t : 2 6 0 g , T h i s s y s t e m h a s \ p p r o x i m a t e l y 2 m i n u t e s c h a r g i n g t i m e a n d 8 m i n u t e s r u n n i n - g t i m e . 6 1 C h a p t e r 6 C o n c l u s i o n \ V h i l e f u e l c e l l i s a u n i q u e a n d f a s c i n a t i n g s y s t e m , t h e a c c u r a t e s y s t e m s e l e c t i o n . d e s i g n . a n d m o d e l i n g f o r p r e d i c t i o n o f p e r f o r m a n c e a r e n e e d e d t o o b t a i n o p t i m a l p e r f o r m a n c e a n d . . _ k s i g n . I n o r d e r t o m a k e s t r i d e s i n p e r f o r m a n c e , c o s t , a n d r e l i a b i l i t y . o n e m u s t p o s s e s s a n t n t c r d i s c i p l i n a r y u n d e r s t a n d i n g o f e l e c t r o c h e m i s t r y , m a t e r i a l s . m a n u f a c t u r i n g , a n d m a s s a n d h e a t t r a n s f e r . A c c u r a t e l y m o d e l i n g t h e P E M l a y e r c a n h e l p i m p r o v e t h e p r o p e r t i e s o f f u t u r e m e m b r a n e m a t e r i a l s . ! h e r e a r e m a n y t y p e s o f P E M m o d e l s , a n d c h o o s i n g t h e r i g h t o n e d e p e n d s u p o n t h e e n d g o a l s a n d r e s o u r c e s a v a i l a b l e . I n o r d e r t o h a v e a n a c c u r a t e m o d e L m a s s . e n e r g y . a n d c h a r g e b a l a n c e s m u s t b e w r i t t e n f o r t h e f u e l c e l l m e m b r a n e l a y e r . I n a d d i t i o n t o t h e s e . u s i n g a n e m p i r i c a l r e l a t i o n s h i p f o r m e m b r a n e w a t e r c o n t e n t m a y s a v e t i m e w h e n c r e a t i n g a m o d e l . l h e r e q u i r e m e n t s f o r t h e m e m b r a n e i n c l u d e h i g h i o n i c c o n d u c t i v i t y , a d e q u a t e b a r r i e r t o t h e r e a c t a n t s . a n d c h e m i c a l l y a n d m e c h a n i c a l l y s t a b l e a n d l o w e l e c t r o n i c c o n d u c t i v i t y . T h e r e a t - e m a n y c h o i c e s f o r t h e P E M i n t h e f u e l c e l l , a n d t h e d e c i s i o n r e g a r d i n g t h e t y p e c h o s e n m u s t d e p e n d u p o n m a n y f a c t o r s i n c l u d i n g , m o s t i m p o r t a n t l y , c o s t a n d m a s s m a n u f a c t u r i n g c a p a b i l i t i e s . U n d e r s t a n d i n g t h e r e a c t i o n s a t t h e f u e l c e l l a n o d e a n d c a t h o d e i s c r i t i c a l w h e n m o d e l i n g f u e l c e l l s . l s a g e o f a m a t h e m a t i c a l m o d e l t o d e f i n e t h e u s e f u l t e r m s o f f u e l c e l l a n d i t s c o m p o n e n t s I J e l r s o n e t o d e r i v e t h e u s e f u l l m o d e l i n g f o u n d a t i o n . A c c o r d i n g t h e r e s e a r c h w h i c h i s d o n e , 1 1 1 h y d r o g e n a n d f u e l c e l l d e s c r i b e s u n d e r t h r e e s e c t i o n s a s g i v e n b e l o w . i J T h e c h a p t e r 3 c o v e r e d t h e b a s i c e l e s t r o c h e m i s t r y n e e d e d t o p r e d i c t e l e c t r o d e k i n e t i c s . a c t i v a t i o n l o s s e s . c u r r e n t s . a n d p o t e n t i a l s i n a f u e l c e l l . T h e e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n s c o n t r o l t h e r a t e o f p o w e r g e n e r a t i o n a n d a r e t h e m a i n c a u s e o f a c t i v a t i o n v o l t a g e l o s s e s . T h e a c t i v a t i o n o v e r v o l t a g e i s t h e v o l t a g e l o s s d u e t o o v e r c o m i n g t h e c a t a l y s t a c t i v a t i o n h a r r i e r i n o r d e r t o c o n v e r t p r o d u c t s i n t o r e a c t a n t s . T h e e q u a t i o n s p r e s e n t e d i n t h i s c h a p t e r h e l p t o p r e d i c t h o w f a s t t h e r e a c t a n t s a r e c o n v e r t e d i n t o e l e c t r i c c u r r e n t . a n d h o w m u c h e n e r g y l o s s o c c u r s d u r i n g t h e a c t u a l e l e c t r o c h e m i c a l r e a c t i o n . I . A c c o r d i n g l y d e r i v e d h e r e a r e t h e f o l l o w i n g i s s u e s f o r d e s i g n i n g o f i m p r o v e d a n d b e t t e r f u e l c e l l s . B a s i c a l l y e l e c t r o l y s i s o f w a t e r e f f e c t i v e l y a n y a n d e f f i c i e n t l y i n t o H 2 a n d 0 2 a t l o w c o s t i s s p e c i f i c . I t w a s s o j u s t i f i e d h e r e . I I . B a s i c e l e c t r o k i n e t i c c o n c e p t s h a v e b e e n e s t a b l i s h e d . I - I e r e t h e a c t u a l r e a c t i o n s p r o c e e d t h r o u g h m a n y s t e p s a n d i n t e r m e d i a t e s p e c i e s . A n o d i c r e a c t i o n i s s p e c i f i c . H 2 ~Had+ H a u H a u . _ . , . I - I + + e - 6 2 I I I . A c t i v a t i o n l o s s , O h m i c L o s s a n d V o l t a g e l o s s e s a r e n e x t i m p o r t a n t f~tctors e s t a b l i s h e d . V a c t = - b *log(~) l o R * T w h e r e b = V o h m t c = - ( i * r ) V = E N c n b t + V a c t - + - V o h m i c + V e n n e . \ c c o r d i n g l y s i m u l a t i o n w a s c a r r i e d o u t f o r t h e g i v e n r e a l t i m e d a t a a s s h o w n i n E x a m p l e : 1 . 1 i n p a g e 3 3 . A c c o r d i n g t o t h e a b o v e s i t u a t i o n , i t s u s e f u l t o s t u d y a b o u t t h e e l e c t r o c h e m i s t r y o f f u e l c e l l a s i t h e l p s t o i d e n t i f Y t h e e l e c t r i c a l b e h a v i o r o f F u e l c e l l . T h e - . ; i m u l a t e d p o l a r i z a t i o n c u r v e o f F C v o l t a g e l o s s d e s c r i b e s h o w t h e e l e c t r i c a l e n e r g y i s d r a w n f r o m t h e f u e l c e l L t h e a c t u a l c e l l v o l t a g e d r o p s f r o m - t h e t h e o r e t i c a l v o l t a g e d u e t o .~e\'Cral i r r e v e r s i b l e l o s s m e c h a n i s m s s u c h a s a c t i v a t i o n p o l a r i z a t i o n , o h m i c p o l a r i z a t i o n a n d c o n c e n t r a t i o n p o l a r i z a t i o n . T h e r e f o r e , t h e o p e r a t i n g v o l t a g e o f t h e c e l l c a n b e r e p r e s e n t e d a s t h e d e p a r t u r e f r o m i d e a l v o l t a g e c a u s e d b y t h e s e p o l a r i z a t i o n s . T o d e v e l o p t h e b e t t e r a n d e f f i c i e n t o u t p u t , t h e g a p b e t w e e n o p e r a t i n g v o l t a g e a n d i d e a l v o l t a g e s h o u l d b e r e d u c e d . M o d e l i n g c a t a l y s t l a y e r i s a l s o e s t a b l i s h e d ( T a b l e 3 . 2 ) . t o g e t h e r w i t h t h e f o l l o w i n g p a r a m e t e r s a n d t h e s t e p s a r e g i v e n b e l o w . L i k e w i s e . r e l i a b l e p a r a m e t e r s w e r e e s t a b l i s h e d ! ' o r t h e m o d e l i n g o f c a t a l y s t l a y e r . T h u s , a s s u m p t i o n s a r e a l s o s a t i s f i e d • T h e f i r s t s t e p i s t o c a l c u l a t e t h e N e r n s t v o l t a g e a n d v o l t a g e l o s s e s • T h e p a r t i a l p r e s s u r e o f h y d r o g e n a n d O x y g e n • T h e v o l t a g e l o s s e s w i l l n o w b e c a l c u l a t e d • T h e o h m i c l o s s e s ( s e e C h a p t e r 4 ) a r e e s t i m a t e d u s i n g O h m ' s l a \ v • T h e N e r n s t v o l t a g e c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n c f , l i q R X T / ( ( P H z O ) E = - - - - x I n N e r n s t 2 X F 2 X F p X p l / 2 H z 0 2 • T h e a c t u a l v o l t a g e i s t h e a d d i t i o n o f t h e N e r n s t v o l t a g e p l u s t h e v o l t a g e l o s s e s V o c : E N . : r n s t + V a c t + V n h m i c + V c u n c • T h e c a l c u l a t i o n o f e t T e c t i v c n e s s f a c t o r i s e x t r a c t e d a s a j u s t i f i c a t i o n o f t h e s e a r c h 1 E = 3 0 2 ( 3 0 c o t h ( 3 0 ) - 1 ) \~1odeling o f E f f e c t i v e n e s s f a c t o r d u e t o t h e m a s s t r a n s f e r a n d r e a c t i o n o f H 2 a n d 0 2 v e r s u s c u r r e n t d e n s i t y a l s o s h o w s h o w t h e b e h a v i o r o f e f f e c t i v e n e s s o f H 2 a n d 0 2 w i t h r e f e r e n c e t o t h e c u r r e n t d e n s i t y i s . T h e e f f e c t i v e n e s s f a c t o r d e a l s w i t h t h e a c t u a l r a t e o f r e a c t i o n o f p a r t i c u l a r f u e l w i t h t h e r a t e o f r e a c t i o n w i t h l o s s e s a s m e n t i o n e d a b o v e . T o n o r m a l i z e t h e c t l e c t i v e n e s s f a c t o r s o f f u e l c e l l t h e m o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n a r e h i g h l y h e l p f u l . I n t h e m e a n w h i l e t h e p o w e r c u r v e r e p r e s e n t s t h e a b n o r m a l b e h a v i o r i n t h e i n c r e a s e i n c u r r e n t d e n s i t y . T h a t i s a l s o d u e t o t h e s e v e r a l i r r e v e r s i b l e m e c h a n i s m s i n f u e l c e l l . I t w a s c l e a r l y l l c m o n s t r a t e d h e r e . 6 3 V o l t a g l : l o s s a s a f u n c t i o n o f c e l l a r e a c l e a r l y s h o w s h o w i m p o r t a n t t h e f u e l c e l l m e m b r a n e a r e a i s . A c c o r d i n g t o t h e g r a p h , i t i s c l e a n t h a t v o l t a g e l o s s i s d i r e c t l y p r o p o r t i o n a l t o t h e a r e a o f t h e m e m b r a n e . T o a v o i d t h e v o l t a g e l o s s t h e l e s s a r e a o f f u e l c e l l m e m b r a n e c a n b e u s e d t o g a i n h i g h o u t p u t . : 2 ) T h e s t u d y o f t h e r m o d y n a m i c s a n d i t s r e l a t i o n t o f u e l c e l l s i s v e r y i m p o r t a n t f ( ) J ' p r e d i c t i n g f u e l c e l l p e r f o r m a n c e . T h e d e t e r m i n a t i o n o f f u e l c e l l p o t e n t i a l a n d e f f i c i e n c y d e p e n d s h e a v i l y o n t h e e v a l u a t i o n o f t h e r m o d y n a m i c p r o p e r t i e s . S o m e o f t h e i m p o r t a n t p r o p e r t i e s e x p l o r e d i n t h e c h a p t e r 4 i n c l u d e t h e e n t h a l p y , s p e c i f i c h e a t e n t r o p y . G i b b s f r e e e n e r g y , r e v e r s i b l e v o l t a g e , n e t o u t p u t v o l t a g e , a n d t h e f u e l c e l l e f f i c i e n c y . T h e f o l l o w i n g f a c t o r s f o r m o d e l i n g w e r e s e a r c h e d a n d e s t a b l i s h e d w e r e a s f o l l o w s w i t h t h e h e a t t r a n s f e r c a l c u l a t i o n s g i v e n i n t h e T a b l e 4 . 1 . J . E n t r o p y o f i i 2 , 0 2 , a n d w a t e r i n t h e P E M c e l l 2 . ! - f e a t t r a n s f e r o f f u e l c e l l 3 . E n e r g y b a l a n c e s 1 t ) r f u e l c e l l l a y e r s T h e g e o m e t r i c a l m o d e l f o r G a s D i f f u s i o n l a y e r ( G D L ) i s e x t r e m e l y h e l p e d f o r m o d e l i n g o f i n t e r i o r h e a t d i s t r i b u t i o n . T h e s e t h e r m o d y n a m i c c o n c e p t s a l l o w o n e t o p r e d i c t s t a t e s o f t h e f u e l c e l l s y s t e m , s u c h a s p o t e n t i a l , t e m p e r a t u r e , p r e s s u r e , v o l u m e , a n d m o l e s i n a f u e l c e l l . ! . e a r n i n g a n d a p p l y i n g t h e s e c o n c e p t s a r e t h e b a s e s o f a l l f u e l c e l l m o d e l i n g a n d a n a l y s i s , a n d i s e s s e n t i a l f o r u n d e r s t a n d i n g t h e r e m a i n d e r o f t h i s t h e s i s . I h e b a s i c b e h a v i o r o f h e a t i n s i d e t h e f u e l c e l l i s v e r y c o m p l i c a t e d t o u n d e r s t a n d a s t h e h e a t p r o d u c e d i n F C r e a c t i o n i s n e g l i g i b l e . B u t w h e n t h e F C s y s t e m c o m e s a s a l a r g e , t h e h e a t h e h m · i o r i s c o n s i d e r a b l e . I n s u c h a s i t u a t i o n t h e m o d e l i n g o f h e a t t r a n s f e r i n s i d e t h e f u e l c e l l i s h i g h l y v a l u a b l e . I n F C t e c h n o l o g y t h e o n l y o u t p u t w h i c h c a n b e c o n s i d e r a s n o n e n v i r o n m e n t a l f r i e n d l y i s h e a t . T h e r e f o r e t h e s i m u l a t i o n o f F C i n t e r i o r i s h e l p f u l l t o e l i m i n a t e t h e h e a t d i s t r i b u t i o n i n s i d e i n i t . I n s u c h a s i t u a t i o n s e x t e r n a l c o o l i n g s y s t e m s o r - ; e l r c o o l i n g a g e n t s c a n b e i n t r o d u c e d f o r b e t t e r o u t p u t . 1 ) I n m a n y f u e l c e l l t y p e s , t h e t 1 o w f i e l d s a r e u s u a l l y a r r a n g e d a s a n u m b e r o f p a r a l l e l f l o w c h a n n e l s : t h e r e f o r e , t h e p r e s s u r e d r o p a l o n g a c h a n n e l i s a l s o t h e p r e s s u r e d r o p i n t h e e n t i r e t 1 o w f i e l d . I n a t y p i c a l f l o w c h a n n e l , t h e g a s m o v e s f r o m o n e e n d t o t h e o t h e r a t a c e r t a i n m e a n v e l o c i t y . T h e p r e s s u r e d i f f e r e n c e b e t w e e n t h e i n l e t a n d o u t l e t d r i v e s t h e f l u i d f l o v . . . . B y i n c r e a s i n g t h e p r e s s u r e d r o p b e t w e e n t h e o u t l e t a n d i n l e t , t h e v e l o c i t y i s i n c r e a s e d . I n s u c h a s i t u a t i o n s t h e m o d e l i n g o f F C c h a n n e l p r o p e r t i e s . t h e p r e s s u r e d r o p c a n b e s i m u l a t e d t o i d e n t i f y t h e t 1 o w f i e l d s . F u e l f l o w i n g m a n n e r i n s i d e t h e c h a n n e l i s h i g h l y i m p o r t a n t i n F C o u t p u t . I n s u c h a s i t u a t i o n t h e e x t e r n a l p r e s s u r e c o n t r o l l i n g u n i t c a n h e i n t r o d u c e d t o c o n t r o l a n d r e g u l a t e t h e f u e l t l o w . T h e p r e s s u r e d r o p c a l c u l a t i o n a s a j u s t i f i c a t i o n i s d o n e w i t h t h e f o l l o w i n g e q u a t i o n e x t r a c t e d . w i t h t h e h e l p o f r e l e v a n t p a r a m e t e r s . L V L A f J _ 1 . c h a n - 1 D - - - p - - D 1 1 2 ~ i / 2 L I < u J - - ; ; - " ' 6 4 . . . -~ 1 T h e c h a p t e r 5 h i g h l i g h t s t h e r e a l w o r l d a p p l i c a t i o n s a n d e x p e r i m e n t a l d a t a . U n d e r t h i s c h a p t e r b a s i c p r o t o n e x c h a n g e m e m b r a n e f u e l c e l l s t a c k p r i n c i p l e i s d i s c u s s e d \ V i t h t h e r e a l t i m e e x p e r i m e n t a l d e t a i l s a l o n e w i t h t h e s o l a r h y d r o g e n F C b a s i c m o d e l a n d F u e l c e l l c o n c e p t m o d e l v e h i c l e . C o s t e s t i m a t i o n f o r s o l a r h y d r o g e n f u e l c e l l b a s i c m o d e l f o r h o m e i s d i s c u s s e d . ! h : b a s i c F C c o n c e p t i s n e w t o t h e S r i l a n k a a s w e l l a s t o t h e s o u t h e r n r e g i o n o f A s i a . I t i s 1 c a l l y i m p o r t a n t t o i d e n t i f y t h e r e a s o n s w h y t h e F C t e c h n o l o g y i s n o t a b s o r b e d b y t h i s r e g i o n . A c c o r d i n g t o t h e n a t u r e o f e n v i r o n m e n t a l c o n d i t i o n i n s o u t h e r n r e g i o n o f A s i a . i t i s ' ' b \ i o u s t h a t t h e i n p u t r e s o u r c e c a n b e g e n e r a t e d e a s i l y . T h e m a j o r i n p u t r e s o u r c e : h y d r o g e n c a n b e e a s i l y e l e c t r o l y z e d b y u s i n g t h e s o l a r p o w e r o r w i n d p o w e r . T h e r e f o r e t h e o n l y i m p c 1 s s i b l c t a r g e t i s t h e m e m b r a n e m a t e r i a l ( N i f i o n ) . A s t h e N i t i o n i s a c h e m i c a l p o l y m e r i t 1 s s o c o s t l y t o p r o d u c e o r b u y . O t h e r t h a n t o t h a t t h e d e v e l o p e r c a n t u r n i n t o t h e p o s s i b l e : - ; u b s t i t u t e f o r t h e s a i d m a t e r i a l . E s t a b l i s h e d h e r e a r e t h e f o l l o w i n g f~1ctors f o r t h e ~·,1mparison b e t w e e n b a t t e r i e s a n d f u e l s c e l l s • F u e l c e l l p l ) \ \ C r s y s t e m s h a v e a r o u n d 4 0 - 6 ( ) 1 % e f f i c i e n c i e s d e p e n d i n g o n t h e t y p e o f e l e c t r o l y t e s a n d i n d e p e n d e n t o f s i z e . B a t t e r y p o w e r s y s t e m s t h e m s e l v e s h a v e h i g h e n e r g y e f f i c i e n c i e s . b u t t h e i r o v e r a l l s y s t e m e f f i c i e n c i e s f i · o m r a w f u e l ( m o s t l y c o a l o r n u c l e a r ) t h r o u g h t h e b a t t e r i e s t u c o n v e r t e d a c p o w e r a r e r e d u c e d t o b e l o w 3 0 < % . T h e a c t u a l e f f i c i e n c y o f t h e c e l l i s t h e n t h e a c t u a l v o l t a g e d i v i d e d b y t h e s e v a l u e s . o r v C e l l E f f c i e n c y : : : : : : _ c _ 1 0 0 % ( w i t h r e f e r e n c e t o H H V ) 1 . 4 8 T h e F i g u r e 5 . 1 s h o w s w h y t h e F u e l c e l l e f f i c i e n c y d o c s n o t r e a c h I 0 0 % . • F u e l c e l l s h a v e a n a d v a n t a g e o v e r s t o r a g e b a t t e r i e s i n t h e r e s p e c t o f o p e r a t i o n a l i 1 e x i b i l i t y . B a t t e r i e s n e e d s e v e r a l h o u r s t o b e t a k e n f o r r e c h a r g i n g a f t e r t h e y a r e f u l l y d i s c h a r g e d . F u e l c e l l s . o n t h e o t h e r h a n d . d o n o t u n d e r g o s u c h m a t e r i a l c h a n g e s . T h e f u e l s t o r e d o u t s i d e t h e c e l l s c a n q u i c k l y b e r e p l e n i s h e d , s o t h e y d o n o t r u n d o w n a s l o n g a s t h e f u e l c a n b e s u p p l i e d • T h e h i s t o r y o f f u e l c e l l e q u i p m e n t c o s t s h a s s h o w n t h a t t h e p r i c e o f f u e l c e l l s h a s d r o p p e d s i g n i f i c a n t l y a s t h e c o m m e r c i a l m a r k e t g r o w s a n d t h e manui~tcturing t e c h n o l o g y b e c o m e s m a t u r e . I L 1 s i n g o n t h e a b o v e i s s u e s m a t h e m a t i c a l l y , t h e p r a c t i c a l m o d e l w a s d e s i g n e d b a s i c a l l y t o l U s t i l y t h a t t h e f u e l c e l l s y s t e m i s p o s s i b l e p a r t i a l l y a s a s u b s t i t u t e f o r f u e l c r i s i s i n \ V o r l d . { J 5 lh·fen~nces: ( u m m i t t e e o n A l t e r n a t i v e s a n d S t r a t e g i e s f o r F u t u r e H y d r o g e n P r o d u c t i o n a n d U s e . · . . t t i o n a l R e s e a r c h C o u n c i L 2 0 0 4 . " T h e H y d r o g e n E c o n o m y : O p p o r t u n i t i e s . C o s t s . B a r r i e r s . ' 7 d R & D . V e e d s . ' T h e N a t i o n a l A c a d e m y P r e s s . W a s h i n t o n D C . ' I I n t e r n a t i o n a l E n e r g y A g e n c y , a n d O r g a n i z a t i o n f o r E c o n o m i c C o - o p e r a t i o n a n d ' ' ' - ' \ e l o p m e n t . 2 0 0 8 . W o r l d E n e r g y O u t l o o k . ; I L l e n a . C ' . a n d E n e . H . 1 9 9 6 . · c o m p u t a t i o n a l f l u i d c z v n a m i c s ana~rsis o l a P I : ' M f i u : l I I 1 r s t e m f h r p o w e r g e n e r a t i o n ' N a t i o n a l R e s e a r c h I n s t i t u t e f o r I s o t o p i c & C r y o g e n i c , , h n o l o g i e s . R m V a l c e a . R o m a n i a M a t h e m a t i c a l I n s t i t u t e . R o m a n i a n A c a d e m y o f " ' i e n c e s . B u c h a r e s t . R o m a n i a . - ~I P i c r g i o r g i o . A . M a s s i m o G . a n d F e d e r i c o . M . 2 0 0 5 . · A c o u p l e d e l e c t r o - c h e m i c a l m o d e l ' " d i r e c t m e t h a n o l f i t e l c e l l f o r p o r t a h l e e l e c t r o n i c d e v i c e s ' D i p a r t i m c n t o d i I n g e g n e r i a i c t t r i c a . U n i v e r s i t a ' d i P a d o v a . P a d o v a . l t a l v . ' I E n e r g y I n f o r m a t i o n A d m i n i s t r a t i o n , I n t e r n a t i o n a l E n e r g y O u t l o o k 2 0 0 8 . W a s h i n g t o n • 1 ' , • ( N o . D O E / E I A - 0 4 8 4 ) . R e t r i e v e d J a n u a r y 2 5 . 2 0 0 9 . ) l l l y d r o g e n ~Facts S h e e t . 2 0 0 8 . " l v f i n i h y d r o g e n ' D e n m a r k . I B a t e s . B . C . K u n d z e w i c z . Z . W . W u S . a n d P a l u t i k o t : J . P . 2 0 0 8 , " C l i m a t e C h a n g e 1 1 d J Y a t e r · T e c h n i c a l P a p e r o f t h e I n t e r g o v e r n m e n t a l P a n e l o n C l i m a t e C h a n g e . I P C C ' · c ' l T C t a r i a t . G e n e v a , 2 1 0 p p . R e t r i e v e d F e b r u a r y 8 , 2 0 0 9 . ' \ I I k g c r L G . C . / \ v i e r s F . W . B r a c o n n o t , P . G i l l e t t , N . P . L u o . Y . J . A . M a r e n g o . 0 . ' , ! c h o l l s . N . a n d S t o t t . P . A . 2 0 0 7 . · U n d e r s t a n d i n g a n d A t t r i b u t i n g C l i m a t e C h a n g e ' • 1 ( ' l i m a t e C h a n g e . N e v v Y o r k . 1 1 S p i e g e l . C . S . 2 0 0 7 . " D e s i g n i n g a n d B u i l d i n g F u e l C e l l s ' M c C r r a w - 1 - l i l L N c v v · y o r k . i l l S p i e g e L C . S . 2 0 0 8 . " P E M F u e l C e l l , M o d e l i n g a n d S ' i m u l a t i o n U s i n g M A T ! . A ! J " i - , l ' \ i e r S c i e n c e . N e w y o r k . 1 1 / a w o d z i n s k i . T . A . D e r o u i n . C . R a d z i n s k i . S . S h e r m a n , R . J . S m i t h . V . T . S p r i n g e r . I : . a n d G o t t e s f e l d . S . 1 9 9 3 , " W a t e r u p t a k e b y a n d t r a n s p o r t t h r o u g h N a t i o n 1 1 7 ·~mbranes. · J o u r n a l o / t h e E l e c t r o c h e m i c a l S ' o c i e t y ' 1 4 0 ( 4 ) . 1041~1047. 2 1 l { a r b i r . F . l 9 9 9 . F u e l c e l l p o w e r e d u t i l i t y v e h i c l e s . P m c e e d i n g s o f t h e E u r o p e a n F u e l , , , ; F o r u m P o r t a h l e F u e l C e l l s C o n f e r e n c e , L u c e r n e . ) I C h a s e . M . W . 2 0 0 2 , · . J A N A F T h e r m o c h e m i c a l T a b l e s ' 3 1 " c d , A m e r i c a n C h e m i c a l • c i c t v a n d t h e A m e r i c a n I n s t i t u t e f o r P h v s i c s . " . f . P h y s i c a l a n d C h e m i c a l R e f e r e n c e D a t a · " ' . , 1 • • l l . 1 4 . S u p p l e m e n t I . + I ( ' h e n . R . a n d Z h a o . T . S . 2 0 0 5 . M a t h e m a t i c a l m o d e l i n g o f a p a s s i v e f e e d D M F C w i t h . ~It t r a n s f e r e f f e c t . ' J P r m e r S o u r c e s . ' V o l . 1 5 2 . ( ) ( ) l l ~;I h q , : ! h r i , . \ . a m i ( i u u , / . . ~005, ( ' l w l k n g c s a n d P p p u r t u n i l ! . : s u l t h n l l l < d l l l • m a g t : t t h : t l i i s s u e s r e l a t e d t o f u e l c e l l t e c h n o l o g y a n d n w d e l i n g . I n t . . f . J i e a t k f a s s T r a n s f e r . V o l . 4 8 . ! U > l S a m u t : L T . D . l \ t A . i 9 9 i , : E s t i m a t i o n o f G l o b a l R a d i a t i o n f o r S r i L a n k a . , \ ' o l u r F n e r g ) ' r l ( 5 ) : J J 3 - 3 3 7 . I I 7 j S ; m w d . T . D . ~vi. / \ . a n d S r i k a u t h a n J \ . S o l a r R a d i a t i o n E s t i m a t i u n f c • r S n l . a n k < t . ! c J 8 : : : ' . T r o n s o c t i o n s o / t l i e I n s t i t u t i o n o f F n g i n c e r i n g . S r i r u n k o . I I ; ; 1 \ l a x w e l l , L . L . l 9 9 g , ~>IETSTAT - T h e : : , u l a r r a d i a t i o n m o d e l u s e d i n t h e p r o d u c t i o n o f t h e N S R D U . ' . \ o / a r J , _ · n c r g y . · [ i ' ) j f v L u i n n , \ V . a n d ( i e o r g e , R . C a l c u l a t i o n o f s o i a r r a d i a t i o n u s i n g a n l t · t h o d o l o g y v v i t h w o r l d w i d e p o t e n t i a l . 2 0 0 1 ' . \ o l u r E n e r g y ' i . ' . i l J f v l a r i o n . W . a n J l J r b a u , K . I ' N S . U s e r ' s m a n u a l f o r T M Y 2 s - l y p i c a l m e t e o r o l o g i c a l y e a r s d e r i v e d f r o m t h e 1 9 6 1 - 1 9 9 0 N a t i o n a l S o l a r R a d i a t i o n D a t a B a s e . N R E L I S P - 4 6 3 - 7 h 6 R . N a t i n n a l R e n e w a b l e E n e r g y L a b o r a t o r y . G o l d e n , C o l a r a d o . 1 2 1 1 . · , \ ' r i I A m l w I V i m l R e s o u r c e A t l a s ' N R E L / T P - 5 0 0 - 3 4 5 1 8 . N a t i o n a l R e n e w a b k E n e r g y I : 1 h n r a t o r y . G o l d e n , C o l o r a d o . 2 0 0 3 . [.:.~] · F e u s i h i l i t y . \ ' r u d 1 · . f ( J r a 3 M W P i l o t $ V i n d F a r m i n .~'ri l . u n k u · R L A C o u s u l t i n g . I n c . . l~uthcll. \ V a s h i n g t o n . M a r c h 1 0 9 7 . 1 2 1 j h : r n a n d u K . S . K a n y a w a s a m P . L . U . A l v v i s A M A . 2 0 0 2 , I V i 1 1 d f , _ ' n e r g y R e s o u r c e l s \ e . I ' . \ 1 7 7 C I 1 f - J > u t t u l u m a n d C e n t m f R e , l ! , i o n s o l S r i I . a n k a . C e y l o n E l e c t r i c i t y B o a r d . C u l o m b o . S r i L a n k a . t . ? . · t I · L u n g T e r m f ' r u n s m i s s i o 1 1 D e v e l o p m e n t S t u d i e s ] 0 0 2 l~tl r = 0 d z t J x Z ( J y 2 A - 1 5 / \ - 1 ( J A - 1 7 A - 1 8 I o r t h e c a s e o f n o l i q u i d . n o c o n v e c t i o n a n d c o n s t a n t f l u x . t h e t r a n s p o r t w i l l n o w j u s t h e i i c k i a n . a n d t h e p r e s s u r e i s c o n s t a n t . T h e r e f o r e : , r J 2 u . r J 2 H . • - - - t - - - - = . c ( ) r J x 2 i!y~ ' ) D 2 v r J 2 v ( ) " ' " - - + - = ' - < . u x 2 r ) y 2 A - 1 9 6 9 \ \ h e l l e x a m i n i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s w i t h c o n s t a n t p r e s s u r e , t h e r e g i o n s o f p o s i t i v e . m d n e g a t i v e x a r e s y m m e t r i c a b o u t x = 0 . I f t h e r e g i o n f r o m ~ 2 < x < 0 i s u s e d . t h e . , , i L l ! l d a n c o n d i t i n n s a r e a s f o l l o w s : I / ' I i i ··~-( ( l _ y ) c . ( ) ( } . \ ' ) ' " ' ( ) ~,~(O.'r) = - • t . l . . - \ . - J v ' " . . - _ - ( O . ' r l = 0 c ! X A - : ? . 0 \ t t h e c a t h o d e c a t a l y s t l a y e r i n t e r f a c e , c o n s t a n t t l u x i s a s s u m e d . O x y g e n t l o w o u t o f t h e g a s J i ! T u s i o n l a y e r . t h e r e f o r e T h e w a t e r v a p o r a n d t e m p e r a t u r e t 1 u x e s a r e g i v e n b y : , 1 r h i , _ ' / , - = - q l i · " - d n a v - ~ - a t - ~ D v - - ( X , 0 ) = - q v k c - ( X , 0 ) = - q r J y J y \ u h s t i t u t i n g E q u a t i o n A - 1 8 i n t o E q u a t i o n s A - 2 0 t h r o u g h A - 3 1 : I ) ! - ! : . ! _ i J u ( X O ) = - a u ( X O ) = E 2 E 2 = q u h 1 1 I t r ! Y ' C / u ' r ) Y ' C / u · C / u 0 1 1 U 1 u < J u ) ~- 1 ) , _ 1 _ - : - ( X , 0 = - q u " I t , ) y - ' / ' 1 · · ' I ' m r J T ( ) ( ( ) ) = - ( [ 7 : / , - - " ' . , , 1 , a v a u ( X , O ) = - q v E z i l Y . ' I ( / v / t • C ! v E - = D p r 1 A - : ? . I A - 2 2 A - 2 : 1 A - 2 4 l s i n g E = 0 . 2 a s t h e p e r t u r b a t i o n p a r a m e t e r . t h e d e p e n d e n t v a r i a b l e c a n b e w r i t t e n a s : r ( X , Y , E ) = T 0 ( X , Y ) + O ( E ) \ . . , l \ \ s u b s t i t u t i n g E q u a t i o n A - 2 3 i n t o A - 3 8 " ' i J 2 7 . · a z T . 0 ( , · ) ~() r _ ) z T - 0 ' - + - ' E - - - - ,)_-'(~: ( ) y 2 J y 2 l ~ing t h e f o l l o w i n g b o u n d a r y c o n d i t i o n s : J T ' " , i J T r r J T 1 • - - - - d ) Y ) = 0 , - ( X 0 ) = - q r . - ( - 2 Y ) = 0 , I X ' ' c } y ' i J X ' I n t e g r a t i n g a n d u s i n g t h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s : l r ; = - q T Y + f ( X ) F ' ( - 2 ) = ( ( 0 ) = 0 ' \ u \ \ t h e p r o b l e m h a s t w o d i f f e r e n t r e g i o n s : 1 1 1 1 ( X , Y ) = q T ( 1 - Y ) + 1 - 2 : S X : S - 1 1 1 ; 1 1 ( X , Y ) = C i T ( 1 - Y ) - 1 : S X : S 0 , \ n i n t e r i o r l a y e r v a r i a b l e i s i n t r o d u c e d t o a c c o u n t f o r t h e d i s c o n t i n u i t y a t \ 0 : z = X + l T ( X , Y ) = C / r ( 1 - Y ) + T i ( z , Y ) \ \ h e r e T 1 i s t h e i n t e r i o r t e m p e r a t u r e . S u b s t i t u t i n g A - 5 0 i n t o A - 2 3 , A - 3 7 , a n d J - ' T . ' + a 2 T ' = 0 , T i ( Z , 1 ) = 1 Z < 0 , J z - a y z , r i c z , 1 ) = o z > o \ i u w m a t c h i n g t h e o u t e r s o l u t i o n : i f 7 · ( 1 - Y ) + T 1 ( - 7 : , Y ) = T 1 ( - 1 - , Y ) = C / r C l - Y ) + 1 T 1 ( - x , Y ) = 1 i h ( l - Y ) + T i ( - - Y , Y ) = T 1 7 1 ( - 1 + , Y ) = q T ( l - Y ) T 1 ( - x . Y ) = 0 \ s e t o f t r a n s f o r m a t i o n s a r e n o w i n t r o d u c e d : A - 2 5 A - 2 6 A - 2 7 A - 2 ! \ A - 2 9 A - 3 0 A - 3 1 A - 3 2 A - 3 3 A - 3 4 A - 3 5 7 0 / j . . : : I ! t V / . j L ~' e x p { I I . I J ) ' r i ~.: !~+;· . J ' I f . J c : : ~· I . : . I . J U t f J · ) · . ' L 7 l . . • \ . • J . : \ ) ( ) T h e s o l u t i o n i s t h e n : T i = = 9U~ ' ' r A - 3 7 M o d e l i n g t h e d i f f u s i o n l a y e r Ill~ d~rivation o f t h c oxyg~n conc~ntration i s a n a l o g o u s t o t h e temperatur~ d e r i v a t i o n ~~~::: 0 r J y~ F u r t h e l e n r e g i o n : I ) l l I . ' ) - - ( X . 0 ) = = ( / . r~ ' ' . . I I " ' lnt~grating o n c e : ~5.: = = / ( X ) l i y N m v t h e p r o b l e m h a s t w o d i f f e r e n t r e g i o n s : 7 ' 1 ( X , Y ) = 1 - q 1 1 E 2 ( 1 - Y ) - 2 s ; X s ; - 1 u m ( X , Y , £ ) = = u 0 m ( X , Y ) · - · E < : U 1 1 1 2 ( X , Y ) + 0 ( 1 ) - 1 s ; X s ; 0 i l " ( u " ' + u . " ' ) r J " ( u " l + l l · m ) c:~ ( ) ' 2 + 0 ' 2 = 0 a x " n v · N o \ \ m a t c h i n g t h e o u t e r s o l u t i o n : u ' l . m ( - l , Y ) = 1 , U 0 1 1 1 = f ( X ) T i l e b o u n d a r y c o n d i t i o n s ar~: / ; ) ( - 1 ) = 1 J \ ( 0 } = = ( ) . , ( I l l ) u " l l o = ( ) a v · · " ( ! I t ) a·~ ( X , 0 ) = C l u c ] y t J 2 u ! u 2 " ~ = -j~)(X) V U 1 1 1 · " i J u 1 1 1 ' " • - 2 = - j 0 ( X ) ( Y - 1 ) , - i J 2 ( X , 0 ) = f o ( X ) = C f u r ! y y ( u n t i n u i n g t o s i m p l i f y : f r : = - - = q u X n t _ . _ . ( 1 - X 2 ) . u 0 ( X , Y ) - / 0 - 1 - q u - z - S u b s t i t u t i n g a f t e r i n t e g r a t i n g : i l / 1 1 0 { , Y ) = C f 1 1 ( Y · - ~ 2 ) +/~(X) A - 3 8 A - 3 9 A - 4 0 A - 4 ! A - 4 2 J \ - 4 3 A - 4 4 A - 4 5 A - 4 6 ' ' h e r e J 2 ( x ) i s d e t e r m i n e d l l · o m t h e n e x t o r d e r i n t h e p e r t u r b a t i o n e x p a n s i o n . I f e - - + 0 i n t h e S 1 1 l u t i o n s . t h e n : u ( X , Y ) : : : : 1 + E u i ( z , Y ) A - 4 7 I d k i n g c - - • 0 , a n d s u b s t i t u t i n g A - 7 2 i J J t o J \ - 2 4 a n d A - 3 3 : r - J . : _ u 1 ( ) 2 u 1 ~---· + - = = 0 ( ) ;~ 2 r ] y : . . : ; \ - 4 8 ' \ J m \ m a t c h i n g t h e o u k r s o l u t i o n : 7 1 ·It~' ( / - l / ) : : . : _ C l u · - . J • , j f : " ' f \ . - 4 l ) T h e s o l u t i o n s k l r w a t e r v a p o r c o n c e n t r a t i o n a r e a g a i n a n a l o g o u s t o t h o s e c o m p u t e d f ( ) r T a n d u : v I \ ' ) ( y ) : : : : : 1 + C f E ' 2 . ( 1 - Y ) ' - 2 < X < - 1 - · ' u - - V 1 1 1 ( X , Y , E ) = V 0 m ( X , Y ) + V / 1 1 ( X , Y ) + 0 ( 1 ) - 1 ~X~ 0 m · _ , _ (1-X;~) V I I ( ) . , Y ) - - J - C f u - ; : - 1 - ' - , i i l ( ) ( Y ) = q ( . y - y z ) + g - . ( X ) . / _ J - v 2 . . . . V ( X , Y ) = 1 + [ ! 1 1 ( / : , Y ) . J c u ' a " v i - - + - : : : : : 0 t J L c i ) y 2 ( J v l -~- ( z , O ) = 0 ( } j ' A - 5 0 A - 5 1 A - 5 2 J ( 1 d e t e r m i n e t h e r e g i o n s t h a t a r e o v e r s a t u r a t e d . t h e f o l l o w i n g v a r i a b l e n e e d s t o b e d e f i n e d : I r ~~ · 0 . l i q u i d \ \ a l l ' r w i l l b e p r e s e n t . V s u t ( ' I ' ) A - 5 3 7 2 A P P E N D I X - B : U s e f u l F u e l C e l l E q u a t i o n s B 1 . 1 l n t n H i u c t i o u I n t h i s a p p e n d i x , m a n y u s e f u l e q u a t i o n s a r e d e r i v e d . T h e y r e l a t e t o • ( ) x y g e n u s a g e r a t e • A i r i n l e t f i o v , r a t e • A i r e x i t 1 1 o w r a t e • l l y d r o g e n u s a g e , a n d t h e e n e r g y c o n t e n t o f h y d r o g e n • R a t e o f w a t e r p r o d u c t i o n • ! ! c a t p r o d u c t i o n . \ n m;J.n~ c ' l l t h e s e c : t \ c m . s t h ; J . t \ a \ \ c w . . ; , t h e \ e n n s t o i c h i o m e t r i c \ s u s e c l . \ i . s n 1 e a n \ n ' S c : a u \ l \ ' D e d e f i n e d a s ' j u s t t h e r i g h t a m o u n t ' . S o , f o r e x a m p l e , i n t h e s i ! n p l e f u e l c e l l r e a c t i o n : 2 1 1 : 2 + 0 : 2 - ; - : 2 1 1 : 2 0 e x a c t l y · t w o m o l e s o f h y d r o g e n w o u l d b e p r o v i d e d f o r e a c h m o l e o f o x y g e n . T h i s w o u l d p r o d u c e e x a c t l y 4 F o f c h a r g e , s i n c e t w o e l e c t r o n s a r e t r a n s f e r r e d f o r e a c h m o l e o f h y d r o g e n . N o t e t h a t e i t h e r o r b o t h t h e h y d r o g e n a n d o x y g e n a r e o f t e n s u p p l i e d a t g r e a t e r t h a n t h e s t o i c h i o m e t r i c r a t e . T h i s i s e s p e c i a l l y s o f o r o x y g e n i f i t i s b e i n g s u p p l i e d a s a i r . I f i t w a s s u p p l i e d a t e x a c t l y t h e s t o i c h i o m e t r i c r a t e , t h e n t h e a i r l e a v i n g t h e c e l l \ V o t d d b e c o m p l e t e l y d e v o i d o f o x y g e n . N o t e a l s o t h a t r e a c t a n t s c a n n o t b e s u p p l i e d a t l e s s t h a n t h e s t o i c h i o m e t r i c r a t e . T h i s s t o i c h i o m e t r y c a n b e e x p r e s s e d a s a v a r i a b l e , a n d t h e s y m b o l ) i s n o r m a l l y u s e d . I t s u s e c a n b e p u t l i k e t h i s . I f t h e r a t e o f u s e o f a c h e m i c a l i n a r e a c t i o n i s · n m o l e s p e r s e c o n d . t h e n t h e r a t e o f s u p p l y i s X n m o l e s p e r s e c o n d . T o i n c r e a s e t h e u s e f u l n e s s o f t h e f o r m u l a s , t h e y h a v e b e e n g i v e n i n t e r m s o f t h e e l e c t r i c a l p o w e r o f t h e w h o l e f u e l c e l l s t a c k P e , a n d t h e a v e r a g e v o l t a g e o f e a c h c e l l i n t h e s t a c k V c . T h e e l e c t r i c a l p o w e r w i l l n e a r l y a l w a y s b e k n o w n , a s i t i s t h e m o s t b a s i c a n d i m p o r t a n t i n f o r m a t i o n a b o u t a f u e l c e l l s y s t e m . I f V c i s n o t g i v e n , i t c a n b e a s s u m e d t o b e b e t w e e n 0 . 6 a n d 0 . 7 V , a s m o s t f u e l c e l l s o p e r a t e i n t h i s r e g i o n . I f t h e e f f i c i e n c y i s g i v e n , t h e n V c c a n b e c a l c u l a t e d u s i n g e q u a t i o n 2 . 5 . I f n o f i g u r e s a r e g i v e n , t h e n u s i n g V c = 0 . 6 5 V w i l l g i v e a g o o d a p p r o x i m a t i o n . E s t i m a t e s o m e w h a t h i g h e r i f t h e f u e l c e l l i s p r e s s u r i s e d . B 1 . 2 O x y g e n a n d A i r U s a g e F r o m t h e b a s i c o p e r a t i o n o f t h e f u e l c e i L w e k n o w t h a t f o u r e l e c t r o n s a r e t r a n s f e r r e d f o r e a c h m o l e o f o x y g e n . S o c h a r g e = 4 F x a m o u n t o f 0 2 D i \ i d i n g b y t i m e . a n d r e a r r a n g i n g ( ) 2 u s a g e = I I 4 F m o l e s s - 1 T i l i s i s f o r a s i n g l e c e l l . F o r a s t a c k o f n c e l l s 0 : 2 u s a g e = l n / 4 F m o l e s s - 1 B - l l l m v e v c r . i t w o u l d b e m o r e u s e f u l t o h a v e t h e f o r m u l a i n k g s - 1 . w i t h o u t n e e d i n g t o k n o \ \ ' t h e n u m b e r o f c e l l s , a n d i n t e r m s o f p o w e r , r a t h e r t h a n c u r r e n t . I f t h e v o l t a g e o f e a c h c e l l i n t h e s t a c k i s V c . t h e n P o w e r . J > c = V c x I x 1 1 S o . P c I r · c x 1 1 7 , _ ) S u b s t i t u t i n g t h i s i n t o e q u a t i o n A 2 . 1 g i v e s < ) 2 u s a g e = P e I 4 · V c · F m o l e s s - 1 C h a n g i n g f r o m m o l e s s - 1 t o k g s - 1 0 2 u s a g e = 3 2 x 1 0 - 3 · P e I 41~"cF k g s - 1 = 8 . 2 9 x 1 0 - 8 x P e I V c k g s - 1 B - 2 B - 3 T h i s f o r m u l a a l l o w s t h e o x y g e n u s a g e o f a n y f u e l c e l l s y s t e m o f g i v e n p o w e r t o b e c a l c u l a t e d . I f V c i s n o t g i v e n . i t c a n b e c a l c u l a t e d f r o m t h e e f f i c i e n c y . a n d i f t h a t i s n o t g i v e n . t h e f i g u r e o f 0 . 6 5 V c a n b e u s e d f o r a g o o d a p p r o x i m a t i o n . H o w e v e r . t h e o x y g e n u s e d v , · i l l n o r m a l l y b e d e r i v e d f r o m a i r . s o w e n e e d t o a d a p t e q u a t i o n A 2 . 2 t o a i r u s a g e . T h e m o l a r p r o p o r t i o n o f a i r t h a t i s o x y g e n i s 0 . 2 L a n d t h e m o l a r m a s s o f a i r i s 2 8 . 9 7 x 1 0 - 3 k g m o l e - 1 . S o . e q u a t i o n A 2 . 2 b e c o m e s A i r u s a g e = 2 s r n x 1 0 · - 3 x P e I 0 . 2 1 x 4 x V c x F k g s - 1 ~~ 3 . 5 7 : x : 1 0 - 7 x P e I V c k g s - 1 H o w e v e r . i f t h e a i r w a s u s e d a t t h i s r a t e . t h e n a s i t l e f t t h e c e l l i t w o u l d b e c o m p l e t e l y d e \ o i d o f a n y o x y g e n - i t w o u l d a l l h a v e b e e n u s e d . T h i s i s i m p r a c t i c a L a n d i n p r a c t i c e t h e a i r f l o w i s w e l l a b o v e s t o i c h i o m e t r y . t y p i c a l l y t w i c e a s m u c h . I f t h e s t o i c h i o m e t r y i s ) . . t h e n t h e e q u a t i o n f o r a i r u s a g e b e c o m e s , A i r u s a g e = 3 . 5 7 x 1 0 - 7 x )~ x P c I V c k g s - 1 1 3 - 4 T h e k i l o g r a m p e r s e c o n d i s n o t . i n f a c t a v e r y c o m m o n l y u s e d u n i t o f m a s s t l o w . T h e f o l l o w i n g c o n v e r s i o n s t o · v o l u m e a t s t a n d a r d c o n d i t i o n s r e l a t e d ' m a s s t l O \ v u n i t s w i l l b e f o u n d u s e f u l . T h e m a s s f l o w r a t e f r o m e q u a t i o n A 2 . 4 s h o u l d b e m u l t i p l i e d b y o 3 0 5 0 t o g i v e f l o w r a t e i n s t a n d a r d m 3 h - 1 o 1 7 9 5 t o g i v e t l o w r a t e i n S C F M ( o r i n s t a n d a r d f t 3 m i n - I ) • 5 . I X I 0 4 t o g i v e n o w r a t e i n s 1 m ( s t a n d a r d L m i n - 1 ) • 8 4 7 t o g i v e l l o v ; r a t e i n s i s ( s t a n d a r d L s - 1 ) 7 4 A P P E N D I X - C : M A T - L a b P r o g r a m s f o r M o d e l i n g a n d s i m u l a t i o n o f P E M F C C - 1 C a l c u l a t i n g t h e V o l t a g e L o s s e s f o r a P o l a r i z a t i o n C u r v e , i ) ~~ ' -~ ~ 4 : J \ _ ·~ H ' - U ; ' < ' , , ~ ] ) ; I~ ' l ~< ; , : . _ ~ p L L l = . : ) ; h : r ; h , - , J -~ r J . O f i 1 J ; l U / ' - 0 - . l~; . : ) ; l q -~ H l ~/ 0 ; Id~::d l ·~letS ' - ' o n s t . _ J n t 1 ,J/!r~olr) ; . _ , r a u a y ' . < : : : : c o n s t o . n t r\~01JLowbs • c , t u r e : ' _ ; t dec~ H y c 1 1 0 0 2 1 1 ;;t~s~ure l l 1 ~trn J J p r t _ ' - ' i n a c n r . . I C : c - 1 L ' t - _ - _ : _ 1 l - l 1 l : r , t , e r ' - ' [ ( _ : e J . l : : . : I 1 1 t e r r : a l H e . s i s t c t n c e ( O h r n - c m " ' 2 ) T r a n s f e r c o e f f i c i e n t A m p l i f 1 c a t i o n c o n s t a n t E x c h a n q e C u r r e n t D e n s i t y ( A / e m " ' Lirn1ti~y c:Jrr~t~t c l e r i s i t y ( A / c m : J C i b b o f t l l l C t i o n i n l i q u t c i f o r m (~J/ntol) Constri~t: k u s e d i n m a s s tlill1S[JO~t , - - i t : < ( I t ' : : f ' : S C t - : - > : 7 : , • ~ ' J ; 1 e r 1 t J : ~.. ' : : L ' 1 _ 1 i ; l c u l a t l u r : n i l - ' . : : t l t 1 d 1 r r c : :~.;:-.-; u 1 e - : : , ~~1Jl~tio:1 o f ~;clttJratiOJ1 t J r e s s u r e o f w a t e r o : : ~ . = : . l " 7 c _ ; 4 + C ' ~J ~ 3 . * T c - : : 1 • 1 d 3 7 . " ' ( l 0 . " - - 5 ) * ~ T ( _ ' . A 2 I + 1 . 4 4 5 · 1 . * ( l D . A - 7 ) . * ( / - 3 , 1 i ( l c . r : u l c u l a t l o n o r p c i L t 1 a l p r E . · . s . s u r e o f h y d r o q e n II.~~ U . C l I ( P _ H 2 ) . / ( C < < p ( l . 6 5 3 . * ~./!Tk.Al.3341 1 - P l - 1 2 0 ) J r · u ] d t l O n o f ! ' J d i t l C t } p r e s . < : > u r e o f o x y g e n l,.l 1 J~ i / I ' T k . ' ' l . ] ] 4 l - P IJ~U - - - - h * J . o r r ~(l i : t . / i o ) i T a f e l e q u a t i o n . · ' " L , _ : · : : ; S C = - J T.::::c::~n~p01t (l-~l./il}); : ; t e r m > U · . ; , _ · u r : c : : : . . A l p h d l ( i o A k l * l o g i l - i 1 . I i l I I ; • J ; :~.\..t~at;c.Jt : J f U~:-·rJl.St v o l t a c J e 'j,•:_n~:;- ~(;i l 1 q . . * F ' , 1 ( F * T k ) -~l-·~J}o::,t~ J L , - , f C:~lt-1-=-:-'.Jt v o l t d ' J e E : 1 c : . ' J o h r u i . _ _ : · · . . / a c t + \ } ~:.·rjnc; . L l J - l ! : l ~ ~) :)~ l , - t J . z i . _ l i · ) ; t : : . . . : . k ' , ~ . ' ' l l l l t · ' E ' u e l c · e l l pol~rlzcltiui1 c u r v e ' ) : : : ' C u r c c n t d c · n s i t y ! A / c m A 2 ) ' 1 ; ,-tl)t~ l : l p u r v o l t - : l ' J C ! V o l t ' 3 I ' . 1 ; 1 , ' ' . ' _ _ _ c u t , ' * ' :~j! 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