Water transport in the diffusion media of a proton exchange membrane fuel cell (PEMCF)

Abstract

The fuel cell is an electrochemical energy conversion device that produces electricity based on an electrochemical reaction. From the diverse types of fuel cell the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) has better performance. Applications for this type of fuel cells are mostly in the transportation area where it serves as alternative power generation system [1]. Several researchers have found that the principal pivotal limitation in the performance in PEMFC is located at the cathode catalyst layer (CL) where oxygen reduction reaction takes place [11-14]. At high electric current density, water vapor, which is the product of this reaction, reach the condensation pressure and precipitate as liquid water reducing the active area of the CL. Gas Diffusion Layer (GDL) is inserted next to the catalyst layer in order to assist the CL with water drainage, trying to maintain the active area free of liquid. The present study will perform an 1-dimensional and 2-dimensional analysis of the water saturation in a GDL based in Darcy`s law macroscopic approach, using the Unsaturated Flow Theory (UFT) and modeling the pressure in terms of water saturation with the experimental correlation called Leverett Function. Additionally, it will analyze in 1-dimension the effect of inserting Multiple Layers such as micro porous layers (MPL) and the influence of its morphological properties in the water transport. This study also takes into account the effect of evaporation occurring close to the gas channel. The two phases are model as singles phases using the assumption that one movement mechanism at the time which was either as liquid water or vapor. It was found that the evaporation thickness increases at higher temperatures and decrease at higher gas channel relative humidity.

Las celdas de combustible son dispositivos electroquímicos que producen energía eléctrica gracias a una reacción electroquímica. Existen una gran variedad de estos dispositivos siendo las celdas de combustibles de membrana de intercambio iónico (PEMFC) las que poseen un mayor desempeño. Aplicaciones para estos dispositivos se encuentran en su gran mayoría en el área de la transportación en donde sirve como un sistema alternativo de generación de electricidad [1]. Algunos investigadores han identificado que la mayor limitación para un mejor desempeño en este tipo de celdas se encuentra en la capa catalítica del cátodo, donde la reacción de reducción del oxígeno ocurre [11-14]. Una mayor limitante en la eficiencia se da a altas densidades de corriente, en dónde; debido al flujo de generación de vapor, la presión del vapor de agua se incrementa igualando la presión de saturación, cambiando de estado de vapor a estado líquido. Esta agua en estado líquido cubre el área activa donde se realiza la reacción limitando el rendimiento de la celda de combustible. La membrana de difusión de gas (GDL) es insertada entre el canal de gas y la capa catalítica, con la función de proveer de oxigeno necesario para la reacción y para ayudar a drenar el agua, y así tratar de mantener el área activa libre de agua. En el presente estudio se desarrolla un modelo numérico en donde se analiza la saturación de agua en una y dos dimensiones para una membrana de difusión de gas (GDL) basado en una aproximación macroscópica, usando la ley de Darcy y la teoría de flujo no saturado (UFT) y modelando la presión en términos de saturación de agua gracias a una correlación experimental llamadas funciones de Leverett. iv También se analizó para una dimensión el efecto de insertar capas adicionales llamadas capas de poros microscópicos (MPL) y la influencia de sus propiedades morfológicas en el trasporte de agua. Este estudio toma en consideración el efecto de evaporación que ocurre cerca del canal de gas en el cátodo. Las dos fases son modeladas como una sola fase asumiendo un solo tipo de movimiento de fluido a la vez. Ya sea líquido o vapor. Se encontró que el frente de vaporación se incrementa a altas temperaturas y se disminuye y altos porcentajes de humedad relativa.