Trabajo Fin de Máster
Computational Fluid Dynamics modelling and simulation of a fuel cell: Influence of the Gas Diffusion Layer design on the water management and cell performance
Título alternativo | Modelado de Dinámica de Fluidos Computacional y simulación de una pila de combustible: Influencia del diseño de la capa de difusión gaseosa en el tratamiento del aguay rendimiento de la pila |
Autor/es | González Morán, Laura |
Director | Iranzo Paricio, Jose Alfredo |
Departamento | Universidad de Sevilla. Departamento de Ingeniería Energética |
Fecha de publicación | 2021 |
Fecha de depósito | 2021-07-01 |
Titulación | Universidad de Sevilla. Máster en Ingeniería Industrial |
Resumen | El objetivo principal de este trabajo ha sido estudiar la influencia que tienen distintos parámetros de la capa de
difusión de gases (GDL) en la rendimiento y operación de una pila de combustible de membrana de
intercambio ... El objetivo principal de este trabajo ha sido estudiar la influencia que tienen distintos parámetros de la capa de difusión de gases (GDL) en la rendimiento y operación de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico (PEMFC). Para ellos se han desarrollado una serie de simulaciones CFD con el modelo ANSYS-Fluent PEMFC, comparando GDLs comerciales con diferentes propiedades, observando su influencia en el desempeño final. Se ha estudiado el efecto de la presencia de la capa microporosa (MPL), simulando las GDL con y sin ella. Todas las GDLs estudiadas se encuentran en el mismo rango de grosor 285±30μm, siendo este uno de los criterios para su elección. Se han considerado cuatro GDLs comerciales (AvCarb P-75, SIGRACET 34BC, SIGRACET 34BA y TORAY TGP-H-090), donde los dos primeros incluyen MPL, creando un total de 6 casos. Se ha hecho también un estudio de los datos base que aportaba ANSYS con y sin MPL para comprobar que todo funcionara adecuadamente, añadiendo dos casos más. Las simulaciones se llevaron a cabo variando los voltajes entre 1.05 y 0.35V para tener una serie de ocho puntos IV representativos para crear la curva de polarización. El análisis de los resultados se basó en cuatro tipos diferentes de curvas. El primer tipo se obtuvo directamente de los datos proporcionados por la simulación, creando las curvas de polarización (voltaje vs. densidad de corriente), potencia y eficiencia eléctrica; todas ellas contra la densidad de corriente para todos los casos. La siguiente serie de curvas se obtuvo para todas las GDLs comerciales, midiendo para cada voltaje el contenido el agua, saturación del líquida, fracción másica de oxígeno, temperaturas máximas y medias en el volumen de ciertos componentes de la célula, como son la membrana, GDL, MPL y capa catalítica. Fueron agrupadas en propiedades afines para simplificar la representación. Otra serie de curvas fue creada estudiando la evolución de diferentes variables a lo largo de la coordenada axial de la PEMFC, dibujando dichas líneas en 12 puntos estratégicos, obteniendo la evolución longitudinal de la temperatura, fracción másica de oxígeno, saturación líquida y contenido de agua a lo largo de la célula. Esto fue estudiado para los casos de las GDLs con MPL y sus variaciones sin ésta, para voltaje bajo (0.45V) y medio (0.65V). Finalmente, se crearon una serie de mapas de contorno, creado en plano medio (en la dirección a través del plano) in la PEMFC, representando las distribuciones de temperatura, contenido de agua y el flujo de corriente a través del plano. Se puede concluir que altas conductividades eléctricas y térmicas llevan a un mejor comportamiento de la célula. La MPL contiene permeabilidades más bajas, resultando en una peor actuación, pero su ausencia lleva a problemas de hidratación y degradación. The main objective of this work is to study the influence of different parameters of the Gas Diffusion Layer (GDL) on the performance and operation of a Proton-Exchange Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEMFC). In order to ... The main objective of this work is to study the influence of different parameters of the Gas Diffusion Layer (GDL) on the performance and operation of a Proton-Exchange Polymer Electrolyte Fuel Cell (PEMFC). In order to do so, several CFD simulations have been carried out with the ANSYS-Fluent PEMFC model, comparing real commercial GDLs with different properties, and observing their influence on their performance. The effect of the presence of the Microporous Layer (MPL) has been studied by simulating the same GDL with and without the MPL. All the GDLs studied had approximately the same thickness range of 285± 30μm. Four commercial GDLs have been singled out (AvCarb P-75, SIGRACET 34BC, SIGRACET 34BA and Toray TGP-H-090), two of them including MPL, with a total of 6 cases. The simulations were carried out varying the voltage between 1.05 and 0.35V to a have a set of eight representative IV points to obtain the polarization curve. The analysis of the results was carried out based on four different kind of curves. The first set of curves was obtained directly from the simulation data, obtaining the polarization curves (voltage vs. current density), power and electrical efficiency; all against the current density for all the 6 cases. Secondly, the next set of curves was obtained for all the commercial GDLs, measuring for each voltage the water content, liquid saturation, O2 mass fraction, average and maximum temperatures in the volume of certain cell components (membrane, catalyst layer, GDL, MPL). They were grouped in sets of similar properties to simplify them. For an additional set of results, the evolution of different variables along the axial coordinate of the PEMFC was drawn in 12 strategic locations, obtaining the longitudinal evolution of temperature, O2 mass fraction, liquid saturation and water content along the cell. This was studied for the cases of the GDLs with and without MPL, and for low voltage (0.45V) and medium voltage (0.65V). Finally, contour plots were created at the membrane mid-plane (through-plane direction) on the PEMFC representing the distributions of temperature, water content and through-plane current flux. It can be concluded that higher electrical conductivity and higher permeability lead to a better cell performance. The MPL features a lower permeability, and therefore results in a worse performance, but the lack of it may create cell hydration and degradation issues. |
Cita | González Morán, L. (2021). Computational Fluid Dynamics modelling and simulation of a fuel cell: Influence of the Gas Diffusion Layer design on the water management and cell performance. (Trabajo Fin de Máster Inédito). Universidad de Sevilla, Sevilla. |
Ficheros | Tamaño | Formato | Ver | Descripción |
---|---|---|---|---|
TFM-1981-GONZALEZ MORAN.pdf | 3.711Mb | [PDF] | Ver/ | |