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Water Transport in Gas Diffusion Media for PEM Fuel Cells : Experimental and Numerical Investigation

Roth, Jörg

The water flux in partially saturated hydrophobic carbon fibre paper for polymer electrolyte membrane fuel cell applications is investigated and compared with the frequently used constitutive two-phase flow model based on Darcy's law. Further, the first steps towards a math-based material design for gas diffusion media are explored in this thesis. Two self-developed ex-situ experiments to investigate the liquid water transport are introduced. The first is a newly developed buoyancy-based measurement of the pressure-saturation relationship on thin porous material with an accuracy of 0.5 ~kPa for the pressure and ± 5% for the saturation. The second experiment measures the pressure drop in dependence of flow rates down to magnitudes of µL/s across the partially saturated thin porous material. This flow rate is relevant for the fuel cell application. The liquid water transport through Toray 060 carbon fibre paper, impregnated with 7% and 10% PTFE is investigated at wet and dry boundary conditions. The experiments are also accompanied by analytical and numerical free surface modelling with the consideration of the material morphology and liquid-solid interaction. The imbibing and draining cases of an arrangement of six fibres at varying solid-liquid interaction and boundary conditions are studied with `Surface Evolver'. In order to evaluate the findings of ex-situ and modelling work for applicability to water transport in fuel cell operation, the technique of nuclear magnetic resonance (NMR) imaging is assessed. The focus is on the visualisation of 2D and 3D water distribution in the operating fuel cell. The compatibility of the NMR experiment with fuel cell operation in relation to material selection, operating temperature, and current density is addressed. NMR imaging is employed for different current densities, stoichiometries, and fuel cell arrangements. The fuel cell arrangements differ by the cathode diffusion medium. Plain, hydrophobic, and micro porous layered gas diffusion media arrangements were tested. The dynamic aspects of fuel cell operation are addressed by 2D investigation. The achieved spatial resolutions are 625 µm by 313 µm by 20 µm voxel sizes at a temporal resolution of 2 hrs in 3D, while the spatial 2D resolution is 313 µm by 20 µm at a temporal resolution of 1 min. It is found that the state-of-the-art NMR experiment interferes strongly with fuel cell operation. The operating conditions are limited to near room temperatures (<= 50 °C), low current densities (~0.1 A/cm²) and electrically relatively low conductive gas diffusion media (SGL 21AA). Under such conditions, the findings of the 3D visualisation experiment reveals a high water saturation in the cathode diffusion medium close to the interface with the membrane and at the interfaces with the rib. The saturation stays low in the centre of the diffusion medium at the cathode side. Where the cathode diffusion medium faces a channel, the water saturation is high only at the membrane interface. This result, as well as the finding of the dynamic 2D visualisation indicating that the water transport is temporally discontinuous, are in agreement with the major finding of the ex-situ permeation experiment. It is found in the permeation experiment that the conditions of the interfaces of a thin porous material like the gas diffusion medium are more dominant on the liquid water transport than the bulk properties, especially if a dry low-pressure boundary exists. This is also indicated by the free surface modelling. The work suggests that the classical macroscopic water transport model, based on Darcy's law, is not able to describe water transport in fuel cell gas diffusion media satisfyingly for dry boundary conditions, or in cases where transient phenomena become important. The numerical free surface modelling has the potential to be a useful tool to describe water transport in thin, hydrophobic, partially saturated fibrous structures, either for math-based material design or the development of an improved constitutive water transport model for fuel cell gas diffusion media and other thin porous materials.

Der Transport von flüssigem Wasser in teilgesättigtem, hydrophobem Kohlefaserpapier wird für die Verwendung in Polymerelektrolytbrennstoffzellen untersucht und mit der oft angewandten Zwei-Phasen-Beschreibung, basierend auf Darcys Gesetz, verglichen. Weiterhin werden die ersten Schritte unternommen, die zur modellbasierten Entwicklung von Gasdiffusionsmedien notwendig sind. Für die experimentelle Untersuchung von Flüssigwassertransport werden zwei selbst entwickelte Ex-situ-Verfahren vorgestellt. Bei dem ersten handelt es sich um eine neu entwickelte, auftriebsbasierte Messung der Druck-Sättigungs-Beziehungen in dünnen porösen Materialien mit einer Genauigkeit von 0.5 kPa für die Druckmessung und ± 5 % für die Bestimmung der Sättigung. Das zweite Verfahren dient zur Bestimmung des Druckverlustes in Abhängigkeit des Wasserflusses unter für Brennstoffzellen relevanten Flussraten im Bereich von µl/s. Sowohl nasse als auch trockene Randbedingungen werden an Toray 060 Kohlefaserpapier, imprägniert mit 7 % und 10 % PTFE, untersucht. Begleitet werden die Experimente von analytischer und numerischer Simulation. Dabei werden die Materialstruktur und die Flüssig-Feststoff-Phasen-Wechselwirkung aufgelöst. Es werden einströmendes und ausfließendes Verhalten an einer Geometrie, bestehend aus sechs Fasern mit unterschiedlichen Kontaktwinkeln und Randbedingungen, mit der Software "Surface Evolver" untersucht. Weiterhin wird bildgebende Kernspinresonanz im Hinblick auf die Anwendbarkeit auf In-situ-Brennstoffzellentests diskutiert. Dies dient zur Bewertung der Ergebnisse der Ex-situ- und Simulationsarbeiten. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Bildgebung der Flüssigwasserverteilung in einer in Betrieb befindlichen Brennstoffzelle in 2D und 3D. Die Vereinbarkeit von Kernspinresonanzexperiment und Brennstoffzellenexperiment in Bezug auf Materialauswahl, Betriebstemperatur und Stromdichte wird überprüft. Mit der bildgebenden Kernspinresonanz wird die Flüssigwasserverteilung bei unterschiedlichen Stromdichten, Stöchiometrien und Brennstoffzellen untersucht, die mit unbehandelten, hydrophoben und mit mikroporöser Beschichtung ausgestatteten Diffusionsmedien aufgebaut sind. Mit dem 2D-Verfahren werden die dynamischen Aspekte des Verhaltens der Brennstoffzelle betrachtet. Die erreichte räumliche Auflösung sind Blockgrößen von 625 µm x 313 µm x 20 µm bei einer zeitlichen Auflösung von 2 h in 3D; hingegen ist eine räumliche Auflösung von 313 µm x 20 µm bei einer zeitlichen Auflösung von 1 min beim 2D-Verfahren möglich. Es wird eine starke Beeinflussung der Kernspinresonanz-Verfahren nach Stand der Technik mit dem Brennstoffzellenbetrieb beobachtet. Nur bei einem Betrieb der Brennstoffzelle nahe Raumtemperatur (<= 50 °C), kleinen Stromdichten (~0,1 A/cm²) und Diffusionsmedien mit vergleichsweise geringer elektrischer Leitfähigkeit (SGL 21AA) kann mit der Kernspinresonanz flüssiges Wasser sichtbar gemacht werden. Unter solchen Bedingungen zeigt die 3D-Bildgebung eine große Wassersättigung nahe der Grenzfläche zur Membran sowie nahe des Steges in der Gasverteilerstruktur auf der Kathodenseite. Im Inneren des Diffusionsmediums auf der Kathode ist die Wassersättigung gering. In der Nähe und an der Kontaktzone zwischen dem Diffusionsmedium auf der Kathodenseite sowie dem Gaskanal ist die Sättigung gering und nur nahe der Membran hoch. Sowohl dieses Ergebnis als auch das Resultat der dynamischen 2D-Untersuchung, die ein pulsierendes Wassertransportverhalten anzeigt, sind in übereinstimmung mit den Ergebnissen der Ex-situ-Permeationsuntersuchung. Dabei kommt zu Tage, dass die Bedingungen, die an der Materialgrenzfläche eines dünnen, porösen Materials, wie dem Diffusionsmedium, eine größere Rolle spielen als die Materialeigenschaften im Inneren. Diese Beobachtung wird auch durch die Freie-Oberflächen-Simulation gestützt. Die Untersuchungen zeigen an, dass die klassische, auf Darcys Gesetz beruhende Beschreibung des Wassertransports nicht in der Lage ist, den Wassertransport in Diffusionsmedien für Brennstoffzellen bei trockenen Randbedingungen oder in Fällen, in denen dynamische Aspekte von Bedeutung sind, zu beschreiben. Es hat sich gezeigt, dass die numerische Simulation das Potential besitzt, sowohl die Entwicklung von Diffusionsmedien als auch die Entwicklung einer verbesserten Konstitutivbeziehung zur Beschreibung des Wassertransports in Brennstoffzellen zu unterstützen.

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Roth, Jörg: Water Transport in Gas Diffusion Media for PEM Fuel Cells. Experimental and Numerical Investigation. 2010.

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