Consistent non-equilibrium thermodynamic modeling of hydrogen fuel cells

Abstract

At first, a classical irreversible thermodynamic model of the hydrogen pump is derived in this thesis. The model is then numerically implemented by using the Finite volume method in the VoronoiFVM library in Julia. The numerical implementation is further used to explain the measured experimental data from [1]. The plateau observed in the Voltage-current figure could not be explained in the original work, as the membrane was approximated with a single point. Such a zero-dimensional model did not predict the plateau, and it was believed to originate from some Interfacial effects. This work will focus on the correct implementation of the equations inside the membrane and try to explain the observed effects using no additional assumptions.

V tejto práci je najskôr odvodený nerovnovážne termodynamický model vodíkovej pumpy. Následne je model numericky implementovaný pomocou metódy konečných objemov za použitia knižnice VoronoiFVM v programovacom jazyku Julia. Numerická implementácia sa ďalej používa na vysvetlenie nameraných experimentálnych údajov z článku [1]. V pôvodnej práci sa nepodarilo vysvetliť plató pozorované na Volt-Ampérovej charakteristike vodíkovej pumpy. Dôvodom bolo, že membrána bola aproximovaná jedným bodom. Takýto nula rozmerný model nedokázal predpovedať vznik plata, a preto sa predpokladalo, že je dôsledkom efektov na elektróde. Táto práca sa zameriava na správnu implementáciu rovníc vo vnútri membrány a pokúsi sa vysvetliť merané dáta len za použitia termodynamicky konzistentného modelu membrány a reakcií na okrajoch.