Modeling of Transport Phenomena in Structured Gas Diffusion Layers for Proton Exchange Membrane Fuel Cells
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3022392Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
To reduce CO2 emissions and reach the ambitious goals towards a greener world, it is crucial to develop moreemission-free transport sources. A promising technology for a greener automobile industry is proton-exchangemembrane fuel cells (PEMFC). However, PEMFCs still suffer from high-performance losses and need furtherdevelopment to mitigate these. A critical component that needs development to push the performance of thenext generation PEMFCs is the gas diffusion layer (GDL).
A key challenge for improving the performance of a PEMFC is the water management in GDLs. At highcurrent densities, liquid water accumulation in the GDL decreases the performance of a fuel cell due toreduced oxygen diffusion caused by flooding. Novel work has shown promising results in utilizing orderedstructures to improve the water management. However, numerous assumptions and decisions related tothe state-of-the-art modeling of gas-water dynamics in the GDL are not well documented and the need forimprovements of the state-of-the-art modeling is necessary.
This thesis enlightens these challenges, assumptions and proposes a further developed 2D model, of aGDL/gas-channel (GC) system, that allows for a more realistic depiction of the gas dynamics than thestate-of-the-art modeling techniques. To allow for oxygen circulation through the GDL, source terms areimplemented via UDFs in Ansys Fluent. In addition, an investigation related to the significance of the waterinlet conditions and oxygen conditions and how these affect the potential outcomes when investigating thegas-water dynamics in a 2D model is done.
The impact of oxygen flow in the GC, on the water topology and percolation in the GDL, is negligible.However, the impact of oxygen circulation and consumption in the GDL can provide differences in the watertopology and water percolation and thus is seen as necessary in cases where oxygen entrapment occur nearthe GDL and catalyst layer interface.
The results show that the placement of the water inlets has a significant effect on the developed water pathsthrough the GDL, emphasizing the importance of accurate descriptions of water transport to the GDL.The dependency on water management related to the water inlet conditions shows that the potential ofoptimization of the GDL, through these kind of simulations, are limited. The findings suggests that moreresources and knowledge is required to allow for a more thorough optimization of ordered GDLs, not limitedto specific assumptions and biased by the water inlet conditions. For å redusere CO2-utslipp og nå de ambisiøse målene mot en grønnere verden, er det avgjørende å utvikleflere utslippsfrie transportkilder. En lovende teknologi for en grønnere transportindustri er proton-utvekslingsmembran brenselceller (PEMFC). PEMFCer lider imidlertid av tap ved høy ytelse operasjoner og trengervidere utvikling for å redusere disse. En kritisk komponent som trenger videreutvikling for å presse ytelsentil neste generasjons PEMFCer er gassdiffusjonslaget (GDL).
En sentral utfordring for å forbedre ytelsen til en PEMFC er vannhåndteringen i GDL. Ved høye strømtettheterreduserer akkumulering av flytende vann, i GDL, ytelsen til brenselcellen som en konsekvens av redusertoksygendiffusjon forårsaket av oversvømming. Nytt arbeid har vist lovende resultater med å utnytte ordnedestrukturer for å forbedre vannhåndtering i GDL. Flere antagelser og beslutninger knyttet til dagens modelleringav dynamikken til gass og vann i GDL, er diskutable og ikke godt dokumentert, og det er nødvendigmed for forbedringer av dagens modeller.
Denne oppgaven belyser disse utfordringene, antakelsene og foreslår en videreutviklet 2D-modell, av et GDL/gasskanal system (GC), som gir en mer realistisk beskrivelse av gassdynamikken enn de moderne modelleringsteknikkene. For å tillate oksygensirkulasjon gjennom GDL, implementeres source terms via UDF-er i Ansys Fluent. I tillegg er det gjort undersøkelser tilknyttet betydningen av vanninnløpsforholdene og oksygenforholdene og hvordan disse påvirker potensielle resultat ved simuleringer av gass-vann dynamikken i en 2D-modell.
Oppgaven fremhever viktigheten av˚a gi realistiske vanninnløpsforhold for˚a tillate videreutvikling av strukturerte GDL. Påvirkningen av oksygenstrøm i GC, på vanntopologi og transport i GDL, er ubetydelig. Derimot er påvirkninger av oksygensirkulasjon og forbruk i GDL betydelig og kan gi forskjeller i vanntopologien og vanngjennomtrengningen og anses derfor som nødvendig i tilfeller der innestengning av oksygen forekommer nær kontaktflaten mellom GDL og katalysatorlaget.
Resultatene viser at plassering av vanninntakene har en betydelig effekt på vannveiene gjennom GDL, og understreker viktigheten av nøyaktige beskrivelser av vanntransport til GDL. Vanninløpsforholdenes påvirkningpå vannhåndteringen viser at potensialet for optimalisering av GDL, gjennom denne typen simuleringer, erbegrenset. Funnene peker på at det kreves mer ressurser og kunnskap for å tillate en mer grundig optimalisering av ordnede GDL, som ikke er begrenset til spesifikke antagelser og forutinntatt av vanninnløpsforholdene.