Effects of gas diffusion layer thickness on PEM fuel cells with composite foam-rib flow fields

Die Studie zeigt durch numerische Simulationen, dass bei PEM-Brennstoffzellen mit kompositen Schaum-Rippen-Strömungsfeldern eine Verringerung der Kathoden-Gasdiffusionsschichtdicke die Leistung durch verbesserte Sauerstoffkonzentration steigert, während eine dünnere Anodenschicht in beiden Designs den ohmschen Widerstand durch erhöhten Wassergehalt im Ionomer senkt.

Das Wesentliche

Titel: Wie man einen Wasserstoff-Auto-Motor besser macht – Eine Reise durch den „Schwamm" und den „Kamm"

Stellen Sie sich vor, eine Brennstoffzelle ist wie ein hochmodernes Herz, das Wasserstoff und Sauerstoff in sauberen Strom verwandelt. Damit dieses Herz stark schlägt, muss es zwei Dinge perfekt tun:

1. Luft (Sauerstoff) und Treibstoff (Wasserstoff) müssen schnell zu den Stellen gelangen, wo die Reaktion stattfindet.
2. Abfall (Wasser) muss schnell wieder abfließen, sonst erstickt das Herz in seiner eigenen Feuchtigkeit.

In diesem Papier untersuchen die Forscher, wie man das „Herz" optimiert, indem sie zwei Dinge verändern: die Dicke eines speziellen Schwamms (der GDL) und die Form der Kanäle, durch die die Gase fließen.

Hier ist die einfache Erklärung der wichtigsten Entdeckungen:

1. Der Schwamm (GDL) und die zwei Arten von „Kämmen"

Der GDL (Gas Diffusion Layer) ist wie ein poröser Schwamm, der zwischen dem Gas-Kanal und dem eigentlichen Motor liegt. Seine Aufgabe ist es, die Gase zu verteilen und das Wasser abzuführen.

Die Forscher verglichen zwei Designs für die Kanäle (die „Kämme", unter denen der Schwamm liegt):

• Der alte Kamm (CRFF): Ein klassisches Design mit festen, massiven Rippen.
• Der neue Kamm (CFRFF): Ein innovatives Design, bei dem die festen Rippen teilweise durch einen Metallschaum ersetzt wurden. Stellen Sie sich das vor wie einen festen Kamm, bei dem die Zähne teilweise durch einen porösen, schwammartigen Schaum ersetzt wurden.

2. Die große Entdeckung: Dicke des Schwamms

Die Forscher haben herausgefunden, dass die Dicke des Schwamms (GDL) bei den beiden Designs völlig unterschiedlich wirkt:

• Beim alten Kamm (CRFF): „Goldilocks-Prinzip" (Nicht zu dick, nicht zu dünn)
  Bei diesem klassischen Design gibt es eine perfekte Dicke (in der Studie 130 Mikrometer).

  • Warum? Ist der Schwamm zu dick, ist der Weg für den Sauerstoff zu lang, und er kommt nicht mehr rechtzeitig an. Ist er zu dünn, staut sich das Wasser unter den festen Rippen wie in einer Pfütze. Da der Schwamm so dünn ist, kann das Wasser nicht schnell genug abfließen und blockiert den Sauerstoff. Es ist wie ein verstopfter Abfluss.
  • Ergebnis: Man muss die Dicke genau richtig einstellen, um das Beste herauszuholen.

• Beim neuen Kamm (CFRFF): „Je dünner, desto besser!"
  Bei dem neuen Design mit dem Metallschaum gilt eine ganz andere Regel: Je dünner der Schwamm, desto besser läuft der Motor.

  • Warum? Der Metallschaum wirkt wie ein Wunder-Schwamm. Er verhindert, dass sich Wasser unter den Rippen staut. Da das Wasser nicht blockiert, kann der Sauerstoff auch durch einen sehr dünnen Schwamm hindurchströmen. Ein dünnerer Schwamm bedeutet kürzere Wege für den Sauerstoff und weniger Widerstand.
  • Ergebnis: Man kann den Schwamm so dünn wie möglich machen, um maximale Leistung zu erzielen.

3. Die Breite der Rippen (Der Kamm-Zahn)

Die Forscher haben auch geschaut, wie breit die „Zähne" des Kamms sein sollten, wenn der Schwamm sehr dünn ist:

• Beim alten Kamm: Die Zähne sollten so schmal wie möglich sein. Wenn sie zu breit sind, staut sich das Wasser darunter und erstickt die Reaktion.
• Beim neuen Kamm: Hier dürfen die Zähne etwas breiter sein. Der Metallschaum sorgt dafür, dass das Wasser trotzdem gut abfließt. Durch eine etwas breitere Rippe verbessert sich sogar die elektrische Leitfähigkeit, was den Motor noch effizienter macht.

4. Der andere Schwamm (Anode)

Am anderen Ende der Brennstoffzelle (der Anode) ist das Wasserstoff-System. Hier gilt: Je dünner der Schwamm, desto besser. Das liegt daran, dass ein dünnerer Weg für den Wasserstoff auch bedeutet, dass mehr Wasser durch den Motor „mitgeschleppt" wird, was die innere Leitfähigkeit verbessert. Der Effekt ist hier kleiner als beim Sauerstoff, aber immer positiv.

5. Feuchtigkeit ist wichtig

Wie bei jedem Motor ist auch hier die Feuchtigkeit wichtig. Bei hoher Luftfeuchtigkeit läuft der Motor besser, solange er nicht „ertrinkt". Das neue Design (CFRFF) ist jedoch robuster: Es funktioniert auch bei hoher Feuchtigkeit besser als das alte, weil es das Wasser besser kontrollieren kann.

Zusammenfassung für den Alltag

Stellen Sie sich vor, Sie wollen einen Garten bewässern:

• Das alte System (CRFF) ist wie ein Gießkanne mit einem festen, dichten Boden. Wenn Sie zu wenig Erde (dünner Schwamm) nehmen, staut sich das Wasser und die Pflanzen ertrinken. Wenn Sie zu viel Erde nehmen, kommt das Wasser nicht an die Wurzeln. Sie müssen die perfekte Menge Erde finden.
• Das neue System (CFRFF) ist wie ein Gießkanne mit einem porösen, schwammartigen Boden. Hier können Sie die Erde so dünn wie möglich machen. Der Schwamm leitet das Wasser perfekt weiter und verhindert, dass es sich staut. Je dünner die Schicht, desto schneller und effizienter kommt das Wasser zu den Pflanzen.

Fazit der Forscher:
Das neue Design mit dem Metallschaum ist ein Game-Changer. Es erlaubt uns, die Brennstoffzellen dünner, effizienter und leistungsfähiger zu bauen, ohne dass wir uns Sorgen machen müssen, dass das Wasser den Motor erstickt. Es ist ein Schritt in Richtung besserer Wasserstoff-Autos und sauberer Energie.

Technische Zusammenfassung

Technische Zusammenfassung: Einfluss der Gasdiffusionsschicht-Dicke auf PEM-Brennstoffzellen mit kompositen Schaum-Streifen-Strömungsfeldern

1. Problemstellung

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) sind Schlüsseltechnologien für die Wasserstoffnutzung. Ein kritischer Bestandteil ist die Gasdiffusionsschicht (GDL), die für den Transport von Reaktantgasen, die Verteilung der Gase und den Abtransport von Produktwasser verantwortlich ist.

• Herausforderung: Die Dicke der GDL ($h_{GDL}$) ist ein entscheidender Designparameter. Bei herkömmlichen Strömungsfeldern mit festen Rippen (CRFF) führt eine zu dicke GDL zu langen Diffusionswegen (erhöhte Konzentrierungsverluste), während eine zu dünne GDL bei hohen Stromdichten zu einer Ansammlung von flüssigem Wasser unter den Rippen ("Flooding") führen kann, was den Sauerstofftransport blockiert.
• Forschungslücke: Bisherige Studien haben den Einfluss der GDL-Dicke primär bei konventionellen Strömungsfeldern (CRFF) untersucht. Der Einfluss der GDL-Dicke auf neuartige Designs, wie das komposite Schaum-Streifen-Strömungsfeld (CFRFF), bei dem feste Rippen teilweise durch Metall-Schaum ersetzt werden, ist kaum erforscht. Es ist unklar, ob die Optimierungstrends für CFRFF denen von CRFF entsprechen.

2. Methodik

Die Autoren entwickelten ein dreidimensionales (3D), multiphasiges und nicht-isothermes numerisches Simulationsmodell, um die PEMFC-Performance zu analysieren.

• Geometrie: Zwei Designs wurden verglichen:
  1. CRFF: Konventionelles Strömungsfeld mit festen Rippen.
  2. CFRFF: Komposites Design, bei dem die untere Hälfte der festen Rippen durch Nickel-Metallschaum (MFR) ersetzt wurde, während die Gesamthöhe erhalten bleibt.
• Variablen: Systematische Variation der Kathoden-GDL-Dicke ($h_{c,GDL}$) und der Anoden-GDL-Dicke ($h_{a,GDL}$) im Bereich von 60 bis 290 µm. Zusätzlich wurde der Einfluss des Rippenverhältnisses ($\phi_{rib}$) bei dünnen GDLs untersucht.
• Simulation: Die Gleichungen (Massenerhaltung, Impuls, Ladungstransport, Phasenwechsel, elektrochemische Reaktionen) wurden mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) in COMSOL Multiphysics gelöst.
• Validierung: Das Modell wurde durch Gitterunabhängigkeitsstudien und den Abgleich mit experimentellen Daten (verschiedene Ionomer-Volumenanteile) validiert.

3. Hauptbeiträge und Ergebnisse

A. Einfluss der Kathoden-GDL-Dicke ($h_{c,GDL}$)

• CRFF (Konventionell): Es existiert ein optimaler Wert für die GDL-Dicke. Die Studie identifiziert $h_{c,GDL} = 130$ µm als optimal.
  • Mechanismus: Bei dickeren GDLs nimmt der Sauerstofftransport ab (längerer Weg). Bei dünneren GDLs (<130 µm) sammelt sich unter den festen Rippen zu viel flüssiges Wasser an, was den Sauerstoffzugang zur Katalysatorschicht (CL) blockiert und zu starken Konzentrationsverlusten führt.
• CFRFF (Komposit): Im Gegensatz dazu steigt die Leistung der CFRFF-Zelle kontinuierlich an, je dünner die GDL wird.
  • Mechanismus: Der Metall-Schaum in den Rippen verbessert den unter-Rippen-Transport und die Wasserableitung erheblich. Eine dünnere GDL verkürzt den Transportweg für Sauerstoff und Wasser weiter, ohne dass es zu einem kritischen Flooding kommt. Der Sauerstoffkonzentrationsabfall ist bei CFRFF deutlich geringer als bei CRFF.

B. Einfluss der Rippenbreite bei dünnen GDLs

• CRFF: Bei dünnen GDLs (z. B. 60 µm) führt eine Vergrößerung der Rippenbreite zu einer drastischen Leistungsabnahme. Der Grund ist die Vergrößerung des Bereichs unter der Rippe, in dem Wasser ansammelt und den Sauerstofftransport blockiert (erhöhte Konzentrationspolarisation).
  • Empfehlung: Die Rippenbreite sollte so klein wie möglich gehalten werden.
• CFRFF: Hier hat eine Vergrößerung der Rippenbreite einen positiven Effekt auf die Leistung (ca. 1,9% Steigerung der Spitzenleistung).
  • Mechanismus: Da der Metall-Schaum den Sauerstofftransport unter der Rippe nicht blockiert, führt eine breitere Rippe zu einer erhöhten Menge an gelöstem Wasser im Ionomer der Kathode. Dies verbessert die Protonenleitfähigkeit und reduziert den ohmschen Widerstand, was die Leistungssteigerung überwiegt.

C. Einfluss der Anoden-GDL-Dicke ($h_{a,GDL}$)

• Eine Verringerung der Anoden-GDL-Dicke verbessert die Leistung leicht (ca. 1,7–2,3% Steigerung der Spitzenleistung) für beide Designs.
• Mechanismus: Dies verkürzt den Wasserstofftransportweg, verbessert den Protonentransport und erhöht den Gehalt an gelöstem Wasser im Kathoden-Ionomer, was den ohmschen Widerstand senkt. Der Einfluss auf die Konzentrierungsverluste (Sauerstoffseite) ist jedoch gering.

D. Einfluss der relativen Luftfeuchtigkeit (RHC)

• CFRFF zeigt bei allen Feuchtigkeitsbedingungen eine überlegene Leistung gegenüber CRFF.
• Für CFRFF-Zellen wird empfohlen, dünnere GDLs in Kombination mit höherer relativer Feuchtigkeit zu betreiben, um sowohl den ohmschen als auch den Konzentrationswiderstand zu minimieren.

4. Bedeutung und Schlussfolgerung

Die Studie liefert wesentliche Erkenntnisse für das Design von Hochleistungs-PEMFCs:

1. Paradigmenwechsel: Während konventionelle Designs einen optimalen Mittelwert für die GDL-Dicke benötigen, profitieren komposite Schaum-Rippen-Designs (CFRFF) eindeutig von dünneren GDLs.
2. Optimierungsstrategie: Für CFRFF-Zellen können die Rippenbreiten größer gewählt werden, um den ohmschen Widerstand zu senken, ohne die Massentransportverluste zu erhöhen. Dies ist bei CRFF-Designs nicht möglich.
3. Wassermanagement: Der Metall-Schaum in CFRFF-Strukturen löst das Problem des "Flooding" unter den Rippen, das bei dünnen GDLs in konventionellen Designs auftritt.

Diese Ergebnisse bieten eine wichtige Richtlinie für die weitere Optimierung von PEMFCs, insbesondere für Anwendungen, bei denen hohe Stromdichten und effizientes Wassermanagement gefordert sind. Die Kombination aus dünnen GDLs und CFRFF-Strukturen ermöglicht eine höhere Leistungsdichte ohne zusätzlichen Pumpaufwand.