Numerical study of transport processes in the gas diffusion media of a fuel cell

Abstract

Fuel cells, widely regarded as the 21st century energy-conversion devices, convert chemical energy directly into electricity with high energy density at low operating temperature, good performance operation, and high environment compatibility. Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs), a kind of fuel cell that is considered in this study, are receiving much attention from energy-related researchers and industries world-wide due to its many promising applications in stationary power plants, automobile power systems, and portables power sources. However, the efficient operation of this type of fuel cell requires complex water management into the cathode gas diffusion media because one of its greatest performance/durability limitations is centered mainly on the liquid water transport essentially at the cathode porous media. At the heart of PEMFCs is the membrane electrode assembly (MEA). The MEA is sandwiched by two flow field plates that are often mirrored to make a bipolar plate when cells are stacked in series for greater voltages. The MEA consists of a proton exchange membrane (PEM), two catalyst layers (CLs), and two gas diffusion media (GDM). The cathode GDM, in which this study is focused, is a key component because of its central role in liquid water removal. The present study is focused on the liquid water transport across the PEMFC cathode gas difussion media. The water is presented at the cathode of this type of fuel cell due to the constant production of water at the cathode CL’s surface and the electro-osmotic drag of water across the PEM. In this study, the liquid water saturation distribution profile within a hydrophobic bilayer cathode diffusion media (GDL-MPL) was determined in one- and two- dimensions using Leverett model. Moreover, the 2-D saturation distribution profile through four different types of GDLs considering the effects of active area reduction in the CL also have been determined, but herein using Van Genuchten model. Two second-order non-linear partial differential equations which govern the liquid water transport across the GDM have been discretized in an orthogonal coordinate system using the finite volume method. In this numerical analysis the second order approximation was considered and the saturation term was treated explicitly. The resolution of the domains was 300x300 for the normal and streamwise direction respectively, and the convergence criteria for the iteration method used, maximum residual, set as a tolerance 1x10−6 between the previous value and the calculated value. The results show that the porous media liquid water saturation is significantly decreased at the cathode GDM-CL interface when using a thin and highly hydrophobic micro-porous layer. Thus, the presence of a finer MPL at the cathode side plays a crucial role in improving the cell performance. Conversely, among the four different GDLs which were considered, Toray 120A shows better conditions in the water removal.

Las celdas de combustible, consideradas como los dispositivos de conversión de energía del siglo XXI, convierten energía química directamente en energía eléctrica con densidad de potencia alta a temperaturas relativamente bajas, con alta eficiencia y con poco impacto ambiental. Las celdas de combustible con membrana de intercambios de protones, tipo de celda que se considera en este estudio, están recibiendo mucha más atención por los investigadores y por las industrias en todo el mundo debido a sus prometedoras aplicaciones. Sin embargo, la operación eficiente de este tipo de celda de combustible requiere un manejo complejo del agua en la membrana de difusión de gases, porque uno de sus grandes limitaciones se centrada principalmente en el transporte de agua líquida, esencialmente en la parte del cátodo. Una celda unitaria de combustible con membrana de intercambio de protones está compuesta por dos placas bipolares, dentro de estas dos placas se encuentra el ensamble de membranas. Este ensamble de membranas está compuesto a su vez por: la membrana de intercambio de protones, dos membranas catalizadoras y por dos membranas de difusión de gases. La membrana de difusión de gases de la parte del cátodo, en el cual nuestro estudio está enfocado, es uno de los componentes clave en el estudio de estas celdas debido a su rol central en la remoción de agua. El presente estudio se enfoca en el transporte de agua a través de la membrana de difusión de gases, de la parte del cátodo, de la celda de combustible considerada. La presencia del agua en esta membrana es debido a la reducción del oxigeno y por el arrastre electro-osmótico del agua a través de la membrana de intercambio de protones. En este estudio se determinó la distribución de la saturación del agua en una membrana hidrofóbica de difusión de gases primero en una y luego en dos dimensiones, teniendo en cuenta el modelo de Leverett. Como un segundo punto, también se determinó la distribución en dos dimensiones de la saturación del agua en cuatro diferentes membranas de difusión de gases usando el modelo de Van Genuchten. Para este caso, se tuvo en cuenta la reducción del área activa de la membrana catalizadora. Las ecuaciones diferenciales parciales que gobiernan el transporte de agua liquida en la membrana de difusión de gases fue discretizada con segundo orden de aproximación en un sistema coordenado ortogonal, usando el método de volumen finito. La resolución del dominio fue 300x300 en la dirección “x” y “y” respectivamente. El criterio de convergencia considerado fue el de máximos residuales, en el cual se fija 1x10−6 como tolerancia. Los resultados muestran que la saturación se redujo significativamente en la interface entre las membranas de difusión de gases y la catalizadora cuando se utiliza una micromembrana porosa entre ellas. Así la presencia de esta micromembrana desempeña un papel crucial en la mejora de la eficiencia de este tipo de celda de combustible. Por otro lado, entre las cuatro diferentes membranas de difusión de gases consideradas, Toray 120A muestra mejores condiciones en la remoción de agua.