Impact of gas diffusion layer properties on water management of fuel cells for aviation
Creators: name: Li, Min
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: Fuel cells
subject: Gas diffusion layer
subject: Stochastic reconstruction
subject: Brennstoffzellen
subject: Gasdiffusionsschicht
subject: Stochastische Rekonstruktion
subject: Dewey Decimal Classification::000 | Allgemeines, Wissenschaft

description: The gas diffusion layer (GDL) is one of the key components of fuel cells. The optimisation of GDL is crucial for the improvement of fuel cell performance and efficiency. This study focuses on the comprehensive investigation of GDL microstructures, with a particular emphasis on water management and transport properties. Considering the constraints of experimental methodologies, a stochastic reconstruction method is developed, allowing us to explore the structural parameters of the GDL at the mesoscopic level. Numerical methods, such as pore-scale modelling (PSM) and the lattice Boltzmann method (LBM), are used to investigate the transport properties and liquid water transport within the reconstructed GDLs. The impact of binder and polytetrafluoroethylene (PTFE) content is studied, and the optimal percentages are determined. Three GDL mico-structures with uniform, segmented, and gradient porosity distributions are reconstructed and investigated. The impact of the flow channel and land on two-phase flow phenomena within the GDL is considered. To enhance the efficiency of water removal further, through-holes with different arrangements are incorporated into the micro-structures. The results indicate that the incoporation of through-holes beneath the flow channel exhibits the best trade-off performance in terms of gas diffusion, electrical conduction, and water removal. Additionally, the resulting anisotropic transport properties of the GDL with binder and graphite-filled PTFE from PSM and LBM simulations are input into the macroscopic proton exchange membrane fuel cell model. The effects of the GDL properties, porosities, and inlet relative humidity on fuel cell performance are investigated. This study establishes a fundamental comprehension of the interactions among gas, liquid, electrical, and thermal transport within GDLs, and proposes new designs for GDL micro-structures to optimise surface properties, mass transport, and water removal. Furthermore, the findings provide useful insights into how the GDL structure affects fuel cell performance and offer hints for enhancing the durability and efficiency of fuel cells. This study is not only applicable to GDLs of fuel cells but can also be extended to other porous media, such as porous transport layers (PTLs) of electrolysers.
description: Die Gasdiffusionsschicht (GDS) ist eine der Schlüsselkomponenten von Brennstoffzellen. Die Optimierung der GDS ist entscheidend für die Verbesserung der Leistung und des Wirkungsgrads von Brennstoffzellen. Diese Studie konzentriert sich auf die umfassende Untersuchung der GDS-Mikrostrukturen, wobei der Schwerpunkt auf deren Wassermanagement und Transporteigenschaften liegt. Unter Berücksichtigung der Einschränkungen experimenteller Methoden wurde eine stochastische Rekonstruktionsmethode entwickelt, die es ermöglicht, die strukturellen Parameter der GDS auf mesoskopischer Ebene zu untersuchen. Zur Untersuchung der Transporteigenschaften und des Verhaltens von flüssigem Wasser in den rekonstruierten GDS werden numerische Methoden entwickelt, darunter die Porenskalenmodellierung (PSM) und die Lattice-Boltzmann-Methode (LBM). Die Auswirkungen der Zugabe von Bindemittel und Polytetrafluorethylen (PTFE) werden untersucht. Ausgehend hiervon wird deren optimaler Gehalt bestimmt. Drei verschiedene GDS-Mikrostrukturen mit gleichmäßiger, segmentierter und linearer Porositätsverteilung werden rekonstruiert und analysiert. Dabei werden die Auswirkungen der Position von Strömungskanal und Zwischensteg auf die Zweiphasenströmung innerhalb der GDS berücksichtigt. Um die Wirksamkeit der Entwässerung weiter zu verbessern, werden Durchgangslöcher mit unterschiedlichen Anordnungen in die Mikrostrukturen integriert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Einbindung von Durchgangslöchern unterhalb des Strömungskanals den besten Kompromiss in Bezug auf Gasdiffusion, elektrische Leitung und Entwässerung darstellt. Des Weiteren werden die resultierenden anisotropen Transporteigenschaften der GDS mit Binder und graphitgefülltem PTFE aus PSM- und GBM-Simulationen in ein makroskopisches Brennstoffzellenmodell integriert. Die Auswirkungen der GDS-Eigenschaften, der Porositäten und der relativen Eintrittsluftfeuchtigkeit auf die Brennstoffzellenleistung werden eingehend untersucht. Diese Arbeit liefert ein grundlegendes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Gas, Flüssigkeit und elektrisch verursachtem Wärmetransport in GDS und präsentiert neue Designs für GDS-Mikrostrukturen, um die Oberflächeneigenschaften, den Massentransport und die Wasserentfernung zu optimieren. Darüber hinaus bieten die Ergebnisse nützliche Erkenntnisse darüber, wie sich die GDS-Struktur auf die Leistung von Brennstoffzellen auswirkt, und geben Hinweise zur Verbesserung der Haltbarkeit und Effizienz von Brennstoffzellen. Diese Studie ist nicht nur auf GDSs von Brennstoffzellen anwendbar, sondern kann auch auf andere poröse Medien wie poröse Transportschichten (PTSs) von Elektrolyseuren übertragen werden.