Investigating temperature-driven water transport in cathode gas diffusion media of PEMFC with a non-isothermal, two-phase model

阴极 质子交换膜燃料电池 等温过程 阳极 水运 材料科学 扩散 化学 化学工程 热力学 水流 环境工程 电极 环境科学 物理 工程类 物理化学 生物化学
作者
Yiming Xu,Ruijia Fan,Guofeng Chang,Sichuan Xu,Tao Cai
出处
期刊:Energy Conversion and Management [Elsevier BV]
卷期号:248: 114791-114791 被引量:52
标识
DOI:10.1016/j.enconman.2021.114791
摘要

Temperature distribution affects water transport in the porous medium layer of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) by phase-change-induced (PCI) flow. Thus, it is meaningful to reveal the role of PCI flow in removing water. In the present work, a 1-D, non-isothermal, two-phase model is employed to investigate the water transport in cathode gas diffusion layer (GDL) and micro porous layer (MPL). A dimensionless parameter Ts is also proposed to characterize the relation between PCI flow and capillary-driven (CD) flow. It is found that elevating the operating temperature (from 323.15 K to 363.15 K) can facilitate the PCI flow. The high anode and low cathode relative humidity (RHa90%/RHc50%) case contributes to the optimal output performance, corresponding to the largest Ts number and thermal strain. The thermal strain is insignificant compared with the swelling strain and the hygrothermal strain is influenced by the combination of output performance, water distribution and operating conditions. Furthermore, reducing water saturation (sc) at the GDL/gas channel (GC) interface (from 0.12 to 0.0) is conducive to enhancing the proportion of PCI flow in GDL and MPL. By adjusting the operating temperature, inlet RH and removing water at the GDL/GC interface in time enable enhancement of PCI flow and better performance. This work aims to provide a valuable reference for understanding the water transport process and optimizing water management.
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