Lattice Boltzmann simulation in components of polymer electrolyte fuel cell

Yu, Junliang; Lehnert, Werner; Schröder, Wolfgang

doi:10.18154/RWTH-2018-229491

Lattice Boltzmann simulation in components of polymer electrolyte fuel cell = Lattice-Boltzmann-Simulation in Komponenten von Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen

Yu, Junliang^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeJunliang Yu

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (ii, 173 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

ISBN978-3-95806-360-0

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich. Reihe Energie & Umwelt ; 438

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Lehnert, Werner (Thesis advisor)^RWTH* ; Schröder, Wolfgang (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-09-17

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229491
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/748565/files/748565.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/748565/files/748565.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Gas Diffusion Layer (frei) ; Lattice Boltzmann Method (frei) ; Polymer Electrolyte Fuel Cell (frei) ; Two-phase flow (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Eine Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzelle (PEFC) ist ein sehr vielversprechendes Energieumwandlungsgerät, das Strom aus Wasserstoff erzeugt. Die Gasdiffusionsschicht (GDL) ist eine der wichtigsten Komponenten der PEFC. An der Kathode wird flüssiges Wasser bei einerr Betriebstemperatur von 70 ∘ C produziert. Das flüssige Wasser fließt durch die GDL und es wird durch das Gas im Brenngaskanal entfernt Damit wird der kontinuierliche Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet. Es ist von großem Interesse, die GDL-Oberfläche detailliert zu untersuchen, wenn das Wasser die GDL verlässt. Der Transport des flüssigen Wassers durch die GDL wird durch das Lattice-Boltzmann (LB) ShanChen Modell simuliert. Der Transportprozess wird durch die Kapillarkraft dominiert, deshalb können die Verhältnisse der Dichte und der Viskosität der zwei Phasen vernachlässigt werden. Die Multi-Relaxation-Ttime-Diskretisierung (MRT) und Exact-Difference-Verfahren (EDM) wurden in dem vorliegenden Modell eingesetzt. Das LB ShanChen MRT-EDM Zweiphasenmodell wurde durch Tests validiert. Unterschiedliche Kräfteschemata wurden mit der Single-Relaxation-Time-Diskretisierung (SRT) als auch MRT in dem durch externe Kraft getriebenen Poiseuille-Durchfluss-Test miteinander verglichen. Die Modelleinschränkungen, z.B. die Abhängigkeit des Gitters und der Relaxationszeit, wurden in den Grenzflächenest diskutiert. Der Tropfentest und der Kontaktwinkeltest können die Modell-parameter bestimmen, die die Phasentrennung und die Material-Benetzbarkeit kontrollieren. Die offene Randbedingung wurde für den Ausgang verwendet, durch den das Wasser die GDL verlässt. Das Modell für den Wassertransport durch die GDL angewandt. Die GDL wurde als vollständig mit hydrophil angenommen. Die grundlegenden Effekte wurden untersucht, z.B. die Größe des Pufferbereichs, Größe der Dömane, Kapillarzahl, Geometrie und Benetzbarkeit. Diese Faktoren beeinflussen das Fließverhalten des Wassers. Unter der Bedingung einer spezifischen Kapillarzahl stimmen die Ergebnisse qualitativ mit der Theorie überein, dass der die Transportprozesse durch die Kapillarkraft dominiert werden. Mit einer fests Strömungsgeschwindigkeit am Eintritt wurde Wassertransport durch die GDL simuliert. Die stochastischen Geometrien der GDL verursachen unregelmäßig geformte Wassertropfen, die an zufällig verteilten Positionen der GDL-Oberfläche austreten. Die Kontaktwinkel und die Abstände der Durchtrittspunkte (BPD) des erzeugten Wassers wurden statistisch analysiert. Die lokalen Kontaktwinkel variieren mit unterschiedlichen Projektionsebenen und Positionen bei verschiedenen Geometrien. Sie sind anders als die idealisierten Kontaktwinkel. Die Verteilung der Abstände wurde durch den Lilliefors-Test statistisch analysiert. Die BPD können durch eine Normalverteilung beschrieben werden kann. Die Kontaktwinkel und die BPD können Informationen für Zellsimulationen liefern. Grundlegender Einfluss von Polytetrafluorethylen (PTFE) auf den Wassertransport wurde untersucht. Unterschiedliche PTFE-Gehalte und PTFE-Verteilungen ( In-Plane und Through-Plane in verschiedenen Abschnitten der GDL) wurden untersucht. Der PTFE-Gehalt und seine Verteilung einen beeinflussen den Wassertransport. Das Wasser fließt bevorzugt durch Bereiche ohne PTFE. Unterschiedliche Wassersättigungskurven entlang der Through-Plane-Richtung wurden bei verschiedenen PTFE-Verteilungen beobachtet.

A polymer electrolyte fuel cell (PEFC) is a very promising energy conversion device that generates electricity from hydrogen. The gas diffusion layer (GDL) is one of the main components in PEFC. On the cathode side, the liquid water is produced under the operating temperature (around 70 ∘ C). The liquid water flows through the GDL and is removed in the gas channel by the gaseous reactant to ensure the fuel cell work continuously. The situation on theGDL surface when water breaking through the GDL is very important to be studied in detail. The liquid water flowing through GDL process is simulated by the lattice Boltzmann (LB) ShanChen model. Because it is a capillary force dominated process the density ratio and viscosity ratio between two phases can be negligible. The multiple-relaxation time (MRT) approach and exact difference method (EDM) force scheme are implemented on the present model. The present LB ShanChen MRT-EDM two-phase model is validated by some tests. Different force schemes with single relaxation time (SRT) and MRT approach are compared in the external force driving Poiseuille flow test. Some model limitations, the lattice and relaxation time dependence are discussed in the flat interface test. The droplet test and contact angle test determine the model parameters to control the phase separation and material wettability. The open boundary condition is implemented on the outlet boundary for water flowing through the GDL simulations. The model is applied on the water flowing through the GDL which is fully covered with hydrophobic material. Some basic effects are studied including buffer space thickness, domain size, capillary number, geometry and wettability effects. It can be concluded that these factors have effects on the water flow behaviors. Under a specific capillary number condition, the results are consistent in quality with the theory of capillary force dominated process. Waterwill break through the GDL due to specified a velocity condition on inlet. The stochastic GDL geometries causes irregular water droplets are randomly formed on the GDL surface. The apparent contact angles and breakthrough point distances (BPD) for the formed water droplets are analyzed statistically. For the local apparent contact angles, they vary with different view directions and positions along different geometries. They are different to the idealized contact angles by symmetric simplification. For the breakthrough point distances, they are analyzed statistically in two ways. The distribution of distances are evaluated statistically by the Lilliefors test. It is concluded that the BPD can be described by the normal distribution with certain statistic characteristics. Information of the apparent contact angle and the shortest neighbour breakthrough point distance can be the input modeling setups on the cell-scale simulations in the field of PEFC simulations. Basic influences of polytetrafluoroethylene (PTFE) on the water flow are studied. Different PTFE content and PTFE distributions (along in-plane and through-plane directions in different sections) are applied on a GDL geometry. It is concluded that the PTFE content and its distribution have impact on the water flow behavior. The water is flowing preferably through the no-PTFE region. Different shapes of water saturation curves along the through-plane direction are observed on different PTFE distributions.

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