Riassunto analitico
Gli effetti della pressione di serraggio sulle prestazioni delle celle a combustibile sono cruciali per una valutazione dettagliata, ma spesso non vengono inclusi nei modelli numerici. In particolare, in applicazioni aeronautiche come il progetto della Flying Fuel Cell di MTU, analisi dettagliate delle prestazioni e del comportamento dei sotto componenti sono essenziali per migliorare l'efficienza delle celle a combustibile. Pertanto, questa tesi presenta un modello multifisico 3D-CFD di una cella a combustibile che tiene conto dell'impatto degli effetti della pressione di serraggio.
Le proprietà del sotto componente influenzate dalla pressione di serraggio includono la porosità, la permeabilità, la conduttività elettrica e termica, nonché le proprietà di contatto, cioè le resistenze di contatto elettrico e termico. Un primo modello è stato impostato per la validazione. Il modello presentato qui prevede qualitativamente il comportamento atteso, con minori perdite nella regione ohmica e maggiori perdite nel regime di trasporto di massa. Le differenze minori rispetto al caso di riferimento, in particolare nelle distribuzioni di acqua liquida, derivano da approcci di modellazione diversi, ad esempio, nel catalyst layer.
Una volta validato il modello, vengono incorporate le due fenomenologie di contatto sopra menzionate. Si osserva che la dipendenza della resistenza di contatto termico dalla pressione di serraggio influisce sul comportamento fisico, aumentando però il costo computazionale. Resistenze di contatto termico più basse, correlate a pressioni di serraggio più elevate, portano a temperature della membrana inferiori. Di conseguenza, l'umidità relativa del GDL e, in particolare, l'umidità della membrana aumentano, mentre la conduttività elettrica complessiva della membrana e la temperatura diminuiscono. Entrambi i parametri sono accoppiati in modo non lineare alla conduttività della membrana, che influisce in modo cruciale sulle perdite ohmiche nella cella a combustibile. Al contempo, la resistenza di contatto elettrico diminuisce con pressioni di serraggio più elevate, portando a una riduzione delle perdite ohmiche.
Dopo aver studiato il modello espanso su una geometria semplice, questo viene trasferito a una geometria più complessa, caratterizzata da un campo di flusso a serpentina con 14 canali. La simulazione rivela che le prestazioni dipendono dalla pressione di serraggio in questa geometria proprio come nella precedente. Un effetto che si manifesta solo con canali paralleli multipli è il bypass del flusso di gas, che avviene attraverso convezione indotta dalla pressione nel materiale poroso del GDL. In definitiva, si suppone che una bassa pressione di serraggio, che garantisca la tenuta dei gas nella cella, sia positiva per le sue prestazioni.
Tuttavia il lavoro effettuato non può essere considerate concluso visto che mancano ancora alcuni aspetti da essere modellati. La verifica sperimentale sul specifico materiale che verrà utilizzato non è ancora stata effettuata e i dati della letteratura mancano di parametri geometrici o di una dichiarazione sulla pressione di serraggio applicata. La modellazione dell'intrusione geometrica del materiale GDL nei canali gassosi e la differenza nella distanza di diffusione che ne deriva è anche un argomento interessante per uno studio futuro. Soprattutto nelle geometrie delle piastre più grandi, possono essere trovate distribuzioni ineguali della pressione di serraggio. Questo è un altro effetto che deve ancora essere incorporato.
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Abstract
The effects of clamping pressure on fuel cell performance are crucial for a detailed evaluation, yet often not included in numerical models. In particular, in aircraft applications such as MTU's Flying Fuel Cell project, detailed performance analyses and subcomponent behavior are essential for enhancing fuel cell performance. Therefore, this thesis presents a 3D-CFD multiphysics model of a fuel cell that accounts for the impact of clamping pressure effects.
The submodel properties affected by clamping pressure include bulk effects porosity, permeability, electrical and thermal conductivity, as well as contact properties, i.e. electrical and thermal contact resistances. A first model, only incorporating the bulk properties, is set up for validation. The model presented here qualitatively predicts the expected behavior with lower losses in the Ohmic region and higher losses in the mass transport regime. Minor differences with respect to the reference case, particularly in the liquid water distributions, originate from different modeling approaches, e.g., in the catalyst layer.
With the model being validated, the two contact phenomena mentioned above are incorporated. It is noted that the clamping pressure dependence of the thermal contact resistance affects the physical behavior while increasing the computational cost. Lower thermal contact resistances correlating to higher clamping pressures lead to lower membrane temperatures. Thus, the GDL relative humidity and particularly, membrane humidity, increase, while instead the overall electrical conductivity of the membrane as well as the temperature decrease. Both parameters are non linearly coupled to the membrane conductivity which crucially affects Ohmic losses in the fuel cell. The electrical contact resistance at the same time decreases with higher clamping pressures, leading to reduced Ohmic losses.
After studying the expanded model on the simple, it is transferred to a more complex geometry. It features a serpentine 14 channel flowfield. A sample numerical test reveals that performance depends on the clamping pressure in this geometry just like in the simpler one. One effect that does only appear with multiple parallel channels is gas flow bypassing the channels by pressure driven convection through the porous GDL material. Those bypass effects are reduced by higher clamping pressure. Despite some effects that can reduce the overall performance (e.g. higher electrical contact resistance), it is assumed that a possibly low clamping pressure ensuring gas sealing of the cell is positive for its performance.
The results of this study do not confirm that the work on clamping pressure is concluded, as further analyses need to be conducted. Experimental verification on a material has not yet been performed and literature data lack exact geometrical and material parameters or a statement on the applied clamping pressure. Modeling the geometric intrusion of the GDL material into the gas channels, and the difference in diffusion distance that comes with it, is also an interesting topic for a future study. Especially in larger plate geometries, inhomogeneous distributions of clamping pressure can be found. That is another effect yet to be incorporated.
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