2.3 3 D Modell des Wasser und Wärmetransports in PEMFCs während der Verdunstungskühlung und befeuchtung

Es hat sich gezeigt, dass die Verdampfung in Gasdiffusionsschichten mit hydrophilen Linien eine gleichzeitige Kühlung und Befeuchtung in Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFCs) ermöglicht. Das Ziel dieser Studie ist es, unser Verständnis der Verdunstungskühlung und -befeuchtung mit Hilfe numerischer Modellierung zu verbessern. Wir untersuchen die vorherrschenden Wärme- und Wassertransportprozesse und analysieren die lokale Empfindlichkeit des Modelloutputs gegenüber Änderungen der Betriebsbedingungen und Modellparametrisierungen.

Mitwirkende: Partner:

Finanzierung: Dauer: R. Herrendörfer, J. O. Schumacher SCCER Mobility: Swiss energy competence center: Efficient technologies and systems for mobility, Paul Scherrer Institute (PSI) Innosuisse 2014–2020

Die Verdunstungskühlung ist ein vielversprechendes Konzept, um das Wasser- und Wärmemanagement in PEMFCs zu optimieren und dadurch Kosten zu senken. Es basiert auf der Verdampfung von Wasser direkt in der Zelle, um eine gleichzeitige Befeuchtung und Kühlung zu ermöglichen. Das PSI hat ein Konzept entwickelt, das ausschließlich auf Modifikationen der Anodengasdiffusionsschicht durch lokale Änderung der Benetzbarkeit von hydrophob zu hydrophil beruht. Experimentelle Arbeiten am PSI haben die Anwendbarkeit dieses Konzepts nachgewiesen [1]. Am ICP haben wir ein makrohomogenes, nicht-isothermes 3-D-Zweiphasenmodell entwickelt, um die dominierenden Wärme- und Wassertransferprozesse während der Verdunstungskühlung und Befeuchtung in einer Einzelzellen-PEMFC zu untersuchen (Abbildung 1). Wir lösen für den Transport von Gas, flüssigem Wasser, gelöstem Wasser, Wärme, Elektronen und Protonen.

Abb. 1: 3D-Modellaufbau. Anodenströmungsfeld mit einem Gas-bzw. Flüssigwasserkanal, ein Kathodenströmungsfeld mit zwei Gaskanälen. Die Membran-Elektroden-Anordnung enthält die hydrophobe Anoden-Gasdiffusionsschicht mit einer hydrophilen Linie.

Im Referenzmodell, das hinsichtlich der Betriebsbedingungen und Eigenschaften an den Versuchsaufbau am PSI angepasst wurde, wird der meiste Wasserdampf, der entlang der hydrophilen Linien erzeugt wird, zum Ausgang des Anodengas

Strömungskanals transportiert und nur ein kleiner Teil des Wasserdampfes diffundiert zur Kathodenseite (Abbildung 2a-b). Während der größte Teil der Verdampfung an der Grenzfläche zwischen dem Gasströmungskanal und der hydrophilen Linie stattfindet, findet ein Teil an den Grenzflächen zwischen der hydro

Abb. 1: Water management at anode side (top) and cathode side (bottom). (a)Relative humidity (RH). (b)Evaporation rate and streamlines of water vapour flux. (c)Streamlines of liqud water flux and dissolved water flux, in addition to dissolved water content ().

philen Linie und der hydrophoben GDL statt (Abbildung 2b). Der in der Membran gelöste Wassergehalt ist auf der Anodenseite der Membran unterhalb der hydrophilen Linie und des Flüssigwasserkanals am höchsten. Quellenangabe: [1] Cochet, M., A. Forner-Cuenca, V. Manzi, M. Siegwart, D. Scheuble, and P. Boillat.Fuel Cells 18 (5): 619–26, 2018.