Topology Optimization of a Gas Diffusion Layer for Polymer Electrolyte Fuel Cells

Abstract

For å nå det punktet hvor brenselcelleteknologi kan konkurrere økonomisk med og ta markedsandeler fra forbrenningsmotorer og batteridrevne kjøretøy, må energitapene knyttet til drift med høy strømtetthet reduseres. En av komponentene som må optimaliseres for drift med høy strømtetthet er gassdiffusjonslaget (GDL). Tradisjonelt er GDL i en PEMFC laget av vevde karbonfibre. Arrangementet av fibrene er svært heterogent, noe som begrenser muligheten for optimalisering for å redusere energitap i brenselceller.

Nåværende trender i litteraturen [1, 2] diskuterer muligheten for 3D-printing av GDL. Sistnevnte er grunnlaget for denne masteroppgaven der det er brukt matematisk definerte strukturer for numerisk å finne den best ytende strukturen med hensyn til permeabilitet, effektiv elektrisk ledningsevne og mekanisk integritet, ved hjelp av ANSYS-pakken. Hypotesen er at strukturer med høy permeabilitet og effektiv elektrisk ledningsevne reduserer energitap i brenselceller, og høy mekanisk integritet bevarer formen på GDL (porøsitet og kontaktareal). Strukturene Schwarz P, Schwarz P Beam, Schoen Gyroid og Cubic Lattice ble modellert ved bruk av nTopology og Solidworks.

Sammenlignet med tradisjonelle GDL-er har Schwarz P Beam nesten 2.7 ganger høyere permeabilitet (7.5E-12 m^2 @ 0.8 porøsitet [1] sammenlignet med 1.99E-11 m^2 @ 0.81 porøsitet), mens Schwarz P har omtrent 33 ganger effektiv til bulk elektrisk ledningsevne gjennom planet sammenlignet med en tradisjonell GDL (0.133 @ 0.8 porøsitet sammenlignet med 0.004 ved 0.8 porøsitet [1]). Cubic Lattice viste den høyeste stivheten og laveste von Mises spenningen. Den beste kompromissen når man ser på permeabilitet og effektiv elektrisk ledningsevne, er Cubic Lattice.

Resultatene viser at matematisk definerte strukturer kan øke permeabiliteten, effektiv elektrisk ledningsevne og mekanisk integritet av en GDL, betydelig.

To reach the point where fuel cell technology can compete economically with and take market shares from combustion engines and battery-powered vehicles, the losses connected to high current density operation need to be reduced. One of the components that must be optimized for high current density operation is the gas diffusion layer (GDL). Traditionally, the GDL in a PEMFC is made of woven carbon fibers. The arrangement of the fibers is highly heterogeneous, which limits the possibility of optimization for reducing the fuel cell losses.

Current trends in literature [1, 2] discuss the possibility of 3D-printing the GDL. The latter is the foundation of this study where the author used mathematically defined structures to numerically find the best performing structure in regards to permeability, effective electrical conductivity and mechanical integrity, using the ANSYS package. The hypothesis is that highly permeable and electrically conductive structures reduce fuel cell losses, and high mechanical integrity preserves the shape of the GDL (porosity and contact area). The structures Schwarz P, Schwarz P Beam, Schoen Gyroid and Cubic Lattice were modeled using nTopology and Solidworks.

Compared to traditional GDLs the Schwarz P Beam has almost 2.7 times higher through-plane permeability (7.5E-12 m^2 @ 0.8 porosity[1] compared to 1.99E-11 m^2 @ 0.81 porosity), while Schwarz P has approximately 33 times the through-plane effective to bulk electrical conductivity of traditional GDL (0.133 @ 0.8 porosity compared to 0.004 @ 0.8 porosity [1]). The cubic lattice showed the highest stiffness and the lowest stress level at equal porosities. The best trade-off with permeability and electrical conductivity as conflicting properties was found with the Cubic Lattice.

The results show, that mathematically defined structures can significantly increase the permeability, effective electrical conductivity and mechanical integrity of a GDL.