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

Dit onderzoek toont aan dat bij PEM-brandstofcellen met samengestelde schuim-ribstroomvelden (CFRFF) een dunnere kathode-gasdiffusielagen (GDL) de prestaties verbetert door de zuurstofconcentratie te verhogen, terwijl bij conventionele ribvelden (CRFF) een optimale dikte bestaat en bij beide ontwerpen een dunnere anode-GDL de ohmse polarisatie verlaagt door meer opgelost water in de ionomeer.

De kern

De Brandstofcel als een drukke stad: Hoe de "luchtkussen" en de "straten" werken

Stel je een brandstofcel (PEMFC) voor als een drukke stad die elektriciteit produceert. Om deze stad te laten draaien, hebben we twee dingen nodig: waterstof (brandstof) en zuurstof (lucht). Deze moeten elkaar ontmoeten op een speciaal plein (de katalysatorlaag) om elektriciteit te maken. Maar er is een probleem: tijdens dit proces ontstaat er ook water als afval. Als dat water niet wegkomt, verdrinkt de stad en stopt de stroomproductie.

Tussen de "straten" (waar de lucht inkomt) en het "plein" (waar de reactie plaatsvindt) ligt een sponsachtig laagje: de Gas Diffusie Layer (GDL). Je kunt dit zien als een luchtkussen of een drukkend tapijt dat de lucht moet verdelen en het water moet afvoeren.

De onderzoekers van dit artikel hebben gekeken naar twee dingen:

1. Hoe dik dat luchtkussen moet zijn.
2. Wat er gebeurt als we de straten (de kanalen) en de stroken (de ribben) anders vormgeven.

Hier is wat ze hebben ontdekt, vertaald naar alledaagse taal:

1. De oude manier vs. de nieuwe manier

Er zijn twee ontwerpen voor de straten in deze stad:

• De Oude Stad (CRFF): Hier zijn de straten en de stroken (ribben) volledig van vast materiaal. De lucht moet onder de stroken door de spons duwen.
• De Nieuwe Stad (CFRFF): Hier zijn de stroken deels vervangen door metaalschuim (een soort poreus, sponsachtig metaal). Dit werkt als een "open" dak dat lucht en water makkelijker laat bewegen.

2. Het dikte-geheim van het luchtkussen (GDL)

Bij de Oude Stad (CRFF): "Het Gouden Midden"
Stel je voor dat je een dikke deken over je hoofd trekt om te slapen.

• Is de deken te dik? Dan krijg je geen lucht en verstik je.
• Is de deken te dun? Dan kun je je hoofd niet goed beschermen en blijft het water (zweet) onder de deken hangen.
• Conclusie: Bij de oude stad is er een perfecte dikte (ongeveer 130 micron). Als het dunner wordt, stroomt het water onder de vaste stroken vast en verstopt het de luchttoevoer. Als het dikker wordt, is de weg voor de lucht te lang. Het is een zoektocht naar het "gouden midden".

Bij de Nieuwe Stad (CFRFF): "Hoe dunner, hoe beter"
Bij de nieuwe stad met het metaalschuim is het verhaal anders. Omdat het schuim de lucht en het water beter laat bewegen, is er geen "vastgelopen water" onder de stroken.

• Conclusie: Hier geldt: hoe dunner het luchtkussen, hoe beter! Een dunner kussen betekent een kortere weg voor de lucht om bij het plein te komen en voor het water om weg te lopen. De prestaties worden steeds beter naarmate het dunner wordt.

3. De breedte van de stroken (Ribben)

Stel je voor dat je een stad hebt met brede trottoirs (ribben) en smalle straten.

• Bij de Oude Stad: Als je de trottoirs breder maakt, wordt het moeilijker voor de lucht om onder de trottoirs door te komen. Het water stroomt vast onder de brede stroken.

  • Advies: Houd de trottoirs zo smal mogelijk, vooral als het luchtkussen dun is.

• Bij de Nieuwe Stad: Omdat het metaalschuim de lucht toch goed laat passeren, maakt de breedte van de trottoirs niet veel uit voor de luchtstroom. Maar! Een bredere strook helpt wel om de "elektrische draden" (protonen) beter te geleiden.

  • Advies: Je mag de trottoirs hier iets breder maken. Dit helpt de elektrische weerstand te verlagen zonder dat de luchtstroom stopt.

4. De andere kant van de stad (De Anode)

De onderzoekers keken ook naar de kant waar de waterstof binnenkomt.

• Het blijkt dat als je het luchtkussen aan deze kant dunner maakt, de waterstof sneller komt en er meer water in het systeem blijft hangen (wat goed is voor de geleiding).
• Dit verbetert de prestatie een klein beetje, maar het is niet zo'n groot verschil als bij de lucht-kant. Het is alsof je de ingang van de stad iets efficiënter maakt, maar de uitgang (waar het water weg moet) is nog steeds de bottleneck.

5. De weersomstandigheden (Vochtigheid)

• Als het buiten droog is, moet je het luchtkussen dun houden en de luchtvochtigheid in de cel iets verhogen om de "elektrische wegen" vochtig te houden.
• Als het nat is, moet je oppassen dat je niet verdrinkt. Maar de nieuwe stad (CFRFF) kan hier veel beter tegen dan de oude stad.

Samenvatting in één zin

Deze studie laat zien dat als je een slim, schuimachtig ontwerp gebruikt (CFRFF), je het luchtkussen (GDL) dunner kunt maken dan bij traditionele ontwerpen, waardoor de brandstofcel efficiënter werkt, minder vastloopt op water en meer stroom levert. Het is alsof je van een zware, dichte deken overstapt op een licht, ademend net dat perfect werkt.

Technische samenvatting

Titel

Effecten van de dikte van de gasdiffusielagen (GDL) op PEM-brandstofcellen met samengestelde schuim-rib stroomvelden.

1. Het Probleem

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC's) zijn cruciaal voor de waterstofeconomie, maar hun prestaties worden sterk beïnvloed door het water- en gasmanagement. De Gasdiffusielagen (GDL) spelen hierbij een sleutelrol door reactiegassen te transporteren en productwater af te voeren.

• Uitdaging bij conventionele designs: In conventionele rib-stroomvelden (CRFF) leidt de aanwezigheid van vaste ribben vaak tot waterophoping ("flooding") onder de ribben. Dit blokkeert de zuurstoftoevoer naar de katalysatorlaag, wat de concentratiepolarisatie verhoogt en de prestaties beperkt.
• Onzekerheid over GDL-dikte: Hoewel de invloed van de GDL-dikte ($h_{GDL}$) op CRFF-systemen is onderzocht (waarbij een optimale dikte bestaat), is er weinig bekend over hoe deze parameter werkt in combinatie met geavanceerde stroomvelden zoals het Samengestelde Schuim-Rib Stroomveld (CFRFF). Bij CFRFF wordt een deel van de vaste rib vervangen door metalen schuim om de gasstroom en waterafvoer te verbeteren. Het is onduidelijk of de optimalisatiestrategieën voor GDL-dikte bij CRFF ook gelden voor CFRFF.

2. Methodologie

De auteurs hebben een 3D, multiphase, niet-isotherm numeriek model ontwikkeld en gesimuleerd in COMSOL Multiphysics.

• Geometrie: Er zijn twee ontwerpen vergeleken:
  1. CRFF: Conventioneel rib-stroomveld.
  2. CFRFF: Een hybride ontwerp waarbij de vaste rib gedeeltelijk is vervangen door nikkel-metalen schuim (MFR), terwijl de bodem van de rib nog steeds door vaste ribben wordt ondersteund.
• Variabele: De dikte van de kathode-GDL ($h_{c,GDL}$) en anode-GDL ($h_{a,GDL}$) werd systematisch variiëerd tussen 60 en 290 $\mu$m. Ook de ribbreedteverhouding ($\phi_{rib}$) werd onderzocht.
• Validatie: Het model is gevalideerd met experimentele data uit de literatuur voor verschillende ionomeer-volumepercentages, waarbij een goede overeenkomst werd gevonden.
• Analyse: De simulaties analyseerden stroomdichtheid, zuurstofconcentratie, vloeibare waterverzadiging, en polarisatieverliezen (activerings-, ohmse en concentratiepolarisatie).

3. Belangrijkste Bijdragen

• Vergelijking CRFF vs. CFRFF: Het is de eerste studie die de specifieke invloed van GDL-dikte op CFRFF-ontwerpen in detail onderzoekt en vergelijkt met conventionele systemen.
• Ontdekking van tegenstrijdige trends: De studie onthult dat de optimalisatiestrategie voor GDL-dikte fundamenteel verschilt tussen CRFF en CFRFF. Waar CRFF een optimale dikte vereist, presteert CFRFF beter bij dunne lagen.
• Mechanistische inzicht: Het biedt een diepgaand inzicht in hoe metalen schuim de waterafvoer en zuurstoftransport onder de ribben verandert, waardoor de beperkingen van vaste ribben worden opgeheven.

4. Resultaten

A. Invloed van kathode-GDL-dikte ($h_{c,GDL}$)

• CRFF: Toont een optimale dikte van 130 $\mu$m.
  • Bij dunne lagen (<130 $\mu$m) hoopt vloeibaar water zich sneller op onder de ribben, wat de zuurstoftransport blokkeert (hoge concentratiepolarisatie).
  • Bij dikkere lagen (>130 $\mu$m) neemt de diffusieweg toe, wat ook de prestaties vermindert.
• CFRFF: Prestaties verbeteren continu naarmate de GDL dunner wordt (tot 60 $\mu$m).
  • Het metalen schuim voorkomt waterophoping onder de ribben en zorgt voor een uniformere waterverdeling.
  • Een dunnere GDL verkort het transportpad voor zowel zuurstof als water, wat leidt tot een hogere zuurstofconcentratie en lagere concentratiepolarisatie.
  • De CFRFF-overlegging presteert bij alle diktes beter dan CRFF.

B. Invloed van ribbreedte ($\phi_{rib}$) bij dunne GDL

• CRFF: Bij dunne GDL moet de ribbreedte zo klein mogelijk zijn. Een bredere rib vergroot het gebied waar water vastzit, wat de zuurstoftoevoer ernstig belemmert.
• CFRFF: Bij dunne GDL kan de ribbreedte iets groter zijn zonder prestatieverlies.
  • Het metalen schuim compenseert voor de bredere rib.
  • Een bredere rib verhoogt zelfs de hoeveelheid opgelost water in het ionomeer, wat de protongeleiding verbetert en de ohmse weerstand verlaagt, wat de piekvermogensdichtheid met ongeveer 1,9% verhoogt.

C. Invloed van anode-GDL-dikte ($h_{a,GDL}$)

• Het verminderen van de anode-GDL-dikte verbetert de prestaties van beide ontwerpen lichtjes (piekvermogen +1,7% voor CRFF, +2,3% voor CFRFF).
• Dit komt door een korter waterstoftransportpad, wat de protongeleiding verbetert en de hoeveelheid opgelost water in de kathode verhoogt, waardoor de ohmse verliezen dalen. De invloed op concentratiepolarisatie is minimaal.

D. Invloed van relatieve vochtigheid (RHC)

• Voor CFRFF is het raadzaam om te werken met een dunnere GDL en hogere relatieve vochtigheid. Dit maximaliseert de iongeleiding zonder dat het watermanagementprobleem (flooding) optreedt dankzij het schuim.

5. Betekenis en Conclusie

Deze studie heeft significante implicaties voor het ontwerp van hoogrenderende PEM-brandstofcellen:

1. Paradigmaverschuiving: Voor conventionele systemen (CRFF) is er een "sweet spot" voor GDL-dikte. Voor geavanceerde systemen (CFRFF) is "dunner is beter" de leidende regel, mits het watermanagement door het schuim wordt ondersteund.
2. Ontwerprichtlijnen: Bij gebruik van dunne GDL's moet de ribbreedte bij CRFF minimaal worden gehouden, terwijl bij CFRFF een iets bredere rib kan worden gebruikt om de ohmse verliezen te minimaliseren zonder de concentratiepolarisatie te verhogen.
3. Efficiëntie: De CFRFF-technologie biedt een robuustere oplossing voor watermanagement, waardoor het mogelijk is om dunnere GDL's te gebruiken zonder prestatieverlies, wat leidt tot lagere kosten en hogere vermogensdichtheden.

Kortom, het artikel demonstreert dat de optimalisatie van GDL-dikte niet universeel is, maar sterk afhankelijk is van de stroomveldgeometrie, en dat CFRFF een superieur alternatief biedt voor het overwinnen van de beperkingen van traditionele rib-ontwerpen.