und Befeuchtung

2.3 3-D-Modell des Wasser- und Wärmetransports in PEMFCs bei Verdunstungskühlung und Befeuchtung

Es wurde gezeigt, dass Verdampfung in Gasdiffusionsschichten (GDL) 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 durch numerische Modellierung zu verbessern. Wir untersuchen die dominanten Wärme- und Wassertransportprozesse und analysieren die lokale Sensitivität der Simulationsresultate auf Änderungen der Betriebsbedingungen und Modellparametrierungen.

Mitwirkende: R. Herrendörfer, J. O. Schumacher Partner: SCCER Mobility, Paul Scherrer Institut (PSI) Finanzierung: Innosuisse Dauer: 2014–2020

Die Verdunstungskühlung ist ein vielversprechendes Konzept, um das Wasser- und Wärmemanagement in PEMFCs zu optimieren und dadurch Kosten zu reduzieren. 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 Anoden-Gasdiffusionsschicht basiert, indem die Benetzungseigenschaften lokal von hydrophob zu hydrophil verändert werden. Experimentelle Arbeiten am PSI haben die Anwendbarkeit dieses Konzepts gezeigt [1–2]. Am ICP haben wir ein 3-D, makro-homogenes, nichtisothermes Zweiphasenmodell entwickelt, um die dominanten Wärme- und Wassertransportprozesse während der Verdunstungskühlung und -befeuchtung zu untersuchen (Abbildung 1). Wir lösen Transportgleichungen für Gas, flüssiges Wasser, gelöstes Wasser, Wärme, Elektronen und Protonen. In unserem Referenzmodell einer Testzelle, das hinsichtlich der Betriebsbedingungen und Materialeigenschaften an den Versuchsaufbau am PSI angepasst wurde [1], findet die Verdampfung in der hydrophilen Linie der GDL primär im Kontakt mit dem Gasstrom und zu einem geringeren Anteil im Kontakt mit dem hydrophoben Teil der GDL statt (Abbildung 2b). Der grösste Teil des erzeugten Wasserdampfes wird zum Ausgang des Anoden-Gasstromkanals transportiert und nur ein kleiner Teil des Wasserdampfes diffundiert zur Kathodenseite (Abbildung 2a–b). Der in der Membran gelöste Wassergehalt ist auf der Anodenseite der Membran unterhalb der hydrophilen Linie und des Flüssigwasserkanals am höchsten (Abbildung 2c). Darüber hinaus wird die Rolle des Wasserverdunstungstransferkoeffizienten in Bezug auf die Wasserdampftransportbeschränkungen untersucht. Quellenangabe:

[1] Cochet, M., A. Forner‐Cuenca, V. Manzi, M. Siegwart, D. Scheuble, and P. Boillat. Fuel Cells 18 (5): 619–26, 2018 [2] Cochet, M., A. Forner‐Cuenca, V. Manzi, M. Siegwart, D. Scheuble, and P. Boillat. JEC, 67 (8): 084518, 2020

Abbildung 1: 3-D-Modellaufbau. Anodenströmungsfeld mit je einem Gas- und Flüssigwasserkanal, ein Kathodenströmungsfeld mit zwei Gaskanälen. Die Membranelektrodenanordnung umfasst die hydrophobe Anoden-Gasdiffusionsschicht mit einer hydrophilen Linie.

Abbildung 2: Wassermanagement an der Anodenseite (oben) und Kathodenseite (unten). (a) Relative Feuchte (RH). (b) Verdunstungsrate und Stromlinien des Wasserdampfstroms. (c) Stromlinien des Flüssigwasserflusses und des gelösten Wasserflusses, in der Membran gelöster Wassergehalt ().