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Lattice Boltzmann simulation of liquid water transport in gas diffusion layers of proton exchange membrane fuel cells: Parametric studies on capillary hysteresis

Sarkezi-Selsky, Patrick und Schmies, Henrike und Kube, Alexander und Latz, Arnulf und Jahnke, Thomas (2022) Lattice Boltzmann simulation of liquid water transport in gas diffusion layers of proton exchange membrane fuel cells: Parametric studies on capillary hysteresis. Journal of Power Sources, 535, Seite 231381. Elsevier. doi: 10.1016/j.jpowsour.2022.231381. ISSN 0378-7753.

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8MB

Offizielle URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775322003925

Kurzfassung

Water management is crucial for reliable operation of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells (PEMFC). Here, the gas diffusion layer (GDL) plays an essential role as it has to ensure efficient water removal from and oxygen transport to the catalyst layer. In this study water transport through porous carbon felt GDLs was simulated using a 3D Color-Gradient Lattice Boltzmann model. Simulations were carried out on microstructures of plain and impregnated fiber substrates of a Freudenberg H14. The GDL microstructures were reconstructed from high-resolution X-ray micro-computed tomography ( -CT). For the distinction of carbon fibers and polytetrafluoroethylene (PTFE) in the binarized microstructures an in-house algorithm was developed. The additive was specified heterogeneously in the GDL through-plane direction employing a PTFE loading profile as derived based on -CT image data. In the in-plane direction the additive was furthermore defined in a realistic fashion near carbon fiber intersections. Prior to parametric studies on capillary behavior a sophisticated modeling approach for semipermeable membranes had to be developed to account for experimental boundary conditions. Capillary hysteresis was then investigated by simulation of intrusion and drainage curves and subsequent comparison to testbench data.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/189133/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Lattice Boltzmann simulation of liquid water transport in gas diffusion layers of proton exchange membrane fuel cells: Parametric studies on capillary hysteresis
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Sarkezi-Selsky, PatrickPatrick.Sarkezi-Selsky (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1449-8172NICHT SPEZIFIZIERT
Schmies, Henrikehenrike.schmies (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-6565-1280NICHT SPEZIFIZIERT
Kube, AlexanderAlexander.Kube (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0002-8042-326XNICHT SPEZIFIZIERT
Latz, ArnulfArnulf.Latz (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-1449-8172NICHT SPEZIFIZIERT
Jahnke, ThomasThomas.Jahnke (at) dlr.dehttps://orcid.org/0000-0003-2286-6801NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:2022
Erschienen in:Journal of Power Sources
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:535
DOI:10.1016/j.jpowsour.2022.231381
Seitenbereich:Seite 231381
Verlag:Elsevier
ISSN:0378-7753
Status:veröffentlicht
Stichwörter:PEM fuel cells, X-ray micro-computed tomography, Gas diffusion layers, Heterogeneous PTFE distribution, Lattice Boltzmann method, Liquid water transport
HGF - Forschungsbereich:Energie
HGF - Programm:Materialien und Technologien für die Energiewende
HGF - Programmthema:Chemische Energieträger
DLR - Schwerpunkt:Energie
DLR - Forschungsgebiet:E SP - Energiespeicher
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):E - Elektrochemische Prozesse
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Thermodynamik > Computergestützte Elektrochemie
Institut für Technische Thermodynamik > Elektrochemische Energietechnik
Hinterlegt von: Sarkezi-Selsky, Patrick
Hinterlegt am:21 Okt 2022 17:15
Letzte Änderung:18 Nov 2022 12:44

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