Mô Hình Mạng Xốp Về Vận Chuyển Nước và Hơi trong Lớp Xốp Vi Mô và Lớp Khuếch Tán Khí của Pin Nhiên Liệu Điện Tử Polyme

Computation - Tập 4 Số 2 - Trang 21
Chao Qin1, S. Majid Hassanizadeh1, Lucas Van Oosterhout1
1Integrated Experimental and Computational Laboratory for Porous Media Research, Department of Earth Sciences, University of Utrecht, Princetonplein 9, P.O. Box 80021, 3508 TA Utrecht, The Netherlands

Tóm tắt

Tại mặt cực âm của pin nhiên liệu điện tử polyme (PEFC), một lớp xốp vi mô (MPL) được thêm vào giữa lớp xúc tác (CL) và lớp khuếch tán khí (GDL) đóng vai trò quan trọng trong quản lý nước. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã sử dụng cả mô hình mạng xốp tĩnh và động để điều tra quá trình vận chuyển nước và hơi trong MPL và GDL. Chúng tôi đã minh họa cách mà MPL cải thiện quản lý nước tại cực âm. Hơn nữa, chúng tôi đã phát hiện ra rằng quá trình vận chuyển nước lỏng động trong GDL rất nhạy cảm với sự hình thành gradient nhiệt dọc theo phương xuyên. Do đó, chúng tôi có thể kiểm soát sự ngưng tụ hơi nước chỉ tại các giao diện GDL bằng cách điều chỉnh hợp lý độ dẫn nhiệt của GDL. Kết quả mô phỏng của chúng tôi có thể cung cấp hướng dẫn cho việc tối ưu hóa cấu trúc lỗ GDL để đạt được quản lý nước tốt.

Từ khóa

#pin nhiên liệu điện tử polyme #lớp xốp vi mô #lớp khuếch tán khí #vận chuyển nước #quản lý nước

Tài liệu tham khảo

Hoogers, G. (2002). Fuel Cell Technology Handbook, CRC Press.

Qin, 2015, Water transport in the gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell: Dynamic pore-network modeling, J. Electrochem. Soc., 162, F1036, 10.1149/2.0861509jes

Qin, 2012, Two-phase flow modeling for the cathode side of a polymer electrolyte fuel cell, J. Power Sources, 197, 136, 10.1016/j.jpowsour.2011.08.095

Qin, 2015, A new approach to modelling water flooding in a polymer eletrolyte fuel cell, Int. J. Hydrog. Energy, 40, 3348, 10.1016/j.ijhydene.2015.01.035

Qin, 2014, Multiphase flow through multilayers of thin porous media: General balance equations and constititive relationships for a solid-gas-liquid three-phase system, Int. J. Heat Mass Transf., 70, 693, 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.11.059

Nam, 2009, Microporous layer for water morphology control in PEMFC, Int. J. Heat Mass Transf., 52, 2779, 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2009.01.002

Morgan, 2014, Understanding the gas diffusion layer in proton exchange membrane fuel cells. I. How its structural characteristics affect diffusion and performance, J. Power Sources, 251, 269, 10.1016/j.jpowsour.2013.09.090

Deevanhxay, 2013, Observation of dynamic liquid water transport in the microporous layer and gas diffusion layer of an operating PEM fuel cell by high-resolution soft X-ray radiography, J. Power Sources, 230, 38, 10.1016/j.jpowsour.2012.11.140

Lee, 2015, Synchrotron investigation of microporous layer thickness on liquid water distribution in a PEM fuel cell, J. Electrochem. Soc., 162, F669, 10.1149/2.0221507jes

Owejan, 2010, Water transport mechanisms in PEMFC gas diffusion layers, J. Electrochem. Soc., 157, B1456, 10.1149/1.3468615

Atiyeh, 2007, Experimental investigation of the role of a microporous layer on the water transport and performance of a PEM fuel cell, J. Power Sources, 170, 111, 10.1016/j.jpowsour.2007.04.016

Pasaogullari, 2004, Two-phase transport and the role of micro-porous layer in polymer electrolyte fuel cells, Electrochim. Acta, 49, 4359, 10.1016/j.electacta.2004.04.027

Kim, 2015, Lattice Boltzmann simulation of liquid water transport in microporous and gas diffusion layers of polymer electrolyte membrane fuel cells, J. Power Sources, 278, 703, 10.1016/j.jpowsour.2014.12.044

Wu, 2010, A pore network study on the role of micro-porous layer in control of liquid water distribution in gas diffusion layer, Int. J. Hydrog. Energy, 35, 7588, 10.1016/j.ijhydene.2010.04.126

Spernjak, 2007, Experimental investigation of liquid water formation and transport in a transparent single-serpentine PEM fuel cell, J. Power Sources, 170, 334, 10.1016/j.jpowsour.2007.04.020

Mukherjee, 2009, Mesoscopic modeling of two-phase behaviour and flooding phenomena in polymer electrolyte fuel cells, Electrochim. Acta, 54, 6861, 10.1016/j.electacta.2009.06.066

Lee, 2014, Liquid water distribution in hydrophobic gas-diffusion layers with interconnect rib geometry: An invasion-percolation pore network analysis, Int. J. Hydrog. Energy, 39, 6646, 10.1016/j.ijhydene.2014.01.206

Lee, 2010, Steady saturation distribution in hydrophobic gas-diffusion layers of polymer electrolyte membrane fuel cells: A pore-network study, J. Power Sources, 195, 130, 10.1016/j.jpowsour.2009.06.076

Qin, 2012, Direct Simulation of Liquid Water Dynamics in the Gas Channel of a Polymer Electrolyte Fuel Cell, J. Electrochem. Soc., 159, B434, 10.1149/2.004205jes

Allen, 2013, Evaporation, two phase flow, and thermal transport in porous media with application to low-temperature fuel cells, Int. J. Heat Mass Transf., 65, 779, 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.06.035

Sinha, 2007, Pore-network modeling of liquid water transport in gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell, Electrochim. Acta, 52, 7936, 10.1016/j.electacta.2007.06.061

Ji, 2012, Pore-level liquid water transport through composite diffusion media of PEMFC, J. Electrochem. Soc., 157, B1753, 10.1149/1.3491359

Sadeghi, 2011, A novel approach to determine the in-plane thermal conductivity of gas diffusion layers in proton exchange membrane fuel cells, J. Power Sources, 196, 3565, 10.1016/j.jpowsour.2010.11.151

Radhakrishnan, A. (2009). Thermal Conductivity Measurement of Gas Diffusion Layer Used in PEMFC. [Master’s Thesis, Rochester Institute of Technology].

Hizir, 2010, Characterization of interfacial morphology in polymer electrolyte fuel cells: Micro-porous layer and catalyst layer surfaces, J. Power Sources, 195, 3463, 10.1016/j.jpowsour.2009.11.032

Allen, 2010, The effect of morphological and wetting properties of porous transport layers on water movement in PEM fuel cells, J. Electrochem. Soc., 157, B1505, 10.1149/1.3474958

Straubhaar, 2015, Water transport in gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell in the presence of a temperature gradient. Phase change effect, Int. J. Hydrog. Energy, 40, 11668, 10.1016/j.ijhydene.2015.04.027

Gostick, 2009, On the role of the microporous layer in PEMFC operation, Electrochem. Commun., 11, 576, 10.1016/j.elecom.2008.12.053

Fazeli, 2015, Investigating inlet condition effects on PEMFC GDL liquid water transport through pore network modeling, J. Electrochem. Soc., 162, F661, 10.1149/2.0191507jes

Wang, 2006, A nonisothermal, two-phase model for polymer electrolyte fuel cells, J. Electrochem. Soc., 153, A1193, 10.1149/1.2193403