Untersuchung des Wassertransportes in Gasdiffusionsmedien für Polymer-Brennstoffzellen

Behrends, Hanno; Stolten, Detlef; Schröder, Wolfgang

doi:HT018612856

Untersuchung des Wassertransportes in Gasdiffusionsmedien für Polymer-Brennstoffzellen = Analysis of liquid water transport in gas diffusion media for polymer fuel cells

Behrends, Hanno

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Hanno Behrends

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

Umfang103 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Prüfungsjahr: 2014. - Publikationsjahr: 2015

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Stolten, Detlef (Thesis advisor) ; Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-12-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-012805
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464442/files/464442.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/464442/files/464442.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Brennstoffzellen (FZ Jülich) (413010)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dissertation (Genormte SW) ; Ingenieurwissenschaften (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Das Ziel dieser Arbeit war es ein GDL-Wasser-Transportmodell auf Basis messbarer materialspezifischer Eigenschaften zu entwickeln. Hierzu wurde das „Moisture- Diffusion“ Modell als Ansatz ausgewählt und die erforderlichen Modellparameter experimentell bestimmt. Die Kapillardruck-Sättigungskurven der untersuchten GDL-Materialien weisen eine breite Hysterese auf. Damit flüssiges Wasser in die Poren der GDL eindringen kann, müssen positive Kapillarkräfte aufgebracht werden. Ist das Wasser einmal in den Poren fixiert, sind negative Kapillardrücke erforderlich, um es wieder vollständig auszutragen. Die Untersuchungen zur effektiven Permeabilität zeigen, dass beim Durchströmen von GDL-Materialien mit typischen Wassermassenströmen der Druckverlust hauptsächlich durch die MPL bestimmt wird. Der Druckverlust im GDL-Material an sich ist eher gering, so dass sich auch eine geringe Flüssig-Wasser-Sättigung einstellt. Neben den ex-situ Versuchen wurden im Rahmen dieser Arbeit auch Messungen an einem Brennstoffzellen-Prüfstand durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass im Zellbetrieb unter feuchten Bedingungen deutlich höhere Sättigungen auftreten, als bei den Permeabilitätsmessungen mit äquivalenten Wasser-Massenströmen. Die höhere Sättigung in den in-situ Versuchen resultiert aus der Kondensation von Wasser in der GDL. Mit den experimentell ermittelten Modellparametern wurden verschiedene Simulationen durchgeführt. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass sich mit dem typischerweise in der Literatur verwendeten Modell-Ansatz nur sehr geringe Sättigungen ergeben, analog zu den Permeabilitätsversuchen. Daraufhin wurde das Modell erweitert, so dass für das kondensierte Wasser anstelle der Füllkurve nun die Austragskurve der Kapillardruck-Sättigungshysterese angewendet wird. Dadurch wird berücksichtigt, dass das Füllen der Poren infolge von Kondensation von innen heraus stattfindet und somit nicht vom Kapillardruck abhängig ist. Die Simulationsergebnisse mit dem modifizierten nicht-isothermen Modell zeigen eine gute Übereinstimmung mit den in-situ gemessenen Sättigungen.

The aim of this work was to develop a GDL water transport model based on measurable material specific properties. Therefore the Moisture Diffusion model was chosen as modelling approach and the required input parameter were determined experimentally. Capillary pressure saturation curves of the analysed materials show a wide hysteresis. Positive capillary pressures are needed to push water into the pores of a GDL. Once the water is fixed inside of a pore negative capillary pressures are required to remove the water completely. The examinations of effective permeability show that pressure drop over GDL thickness is dominated by the micro porous layer if typical liquid water flow rates are applied. The pressure drop in the GDL substrate is very low resulting in a low liquid water saturation. Additional to the ex-situ determinations in-situ tests were conducted. The results show that under wet operating conditions higher liquid water saturations are achieved compared to the ex-situ permeability measurements with equivalent liquid water flow rates. The higher liquid water saturation observed in in-situ tests is caused by condensation of water inside the GDL. The experimentally found data were used to conduct different simulations. The simulation results show that the modelling approach typically used in literature leads to very low saturations, analogue to the permeability measurements. In consequence the model was expanded by the drainage part of the capillary pressure saturation hysteresis which is applied for condensed water instead of the filling curve. This is to reflect that filling of a pore due to condensation occurs from inside out and thus is not depending on capillary pressure. The simulation results based on a modified non-isothermal model agree very well with in-situ measured saturations.

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