Multiphysics modelling of PEM fuel cells - with reacting transport phenomena at micro and macroscales

Abstract: Popular Abstract in Swedish Polymermembranbränsleceller (PEM) anses vara en mycket lovande teknik inom fordonsindustrin på grund av dess kompakthet i storlek, höga verkningsgrader samt låga arbetstryck och temperaturer. De senaste åren har tekniken varit fokus för en anseenlig mängd forskning. PEM-bränsleceller har den stora fördelen att energiomvandlingseffektiviteten har potential för att vara betydligt högre än för till exempel en bensin- eller en dieselmotor. En ökad effektivitet leder till en minskad förbrukning av fossila bränslen. Bränslet som används i en PEM-bränslecell är vätgas, som i sin tur kan framställas både från fossila och förnyelsebara bränslen.\vspace'{\baselineskip} PEM-bränsleceller arbetar efter en mycket enkel princip. Vätgasen reagerar vid cellens anod och bildar elektroner och protoner. Protonerna färdas via ett membran till katoden, medans elektronerna färdas till katoden via en extern last. Syrgas reagerar med elektronerna och protonerna vid katoden och vatten bildas som restprodukt. På detta sätt kan elektricitet bildas utan att bränslet genomgår ett förbränningssteg.\vspace'{\baselineskip} Att kombinera vätgas och syrgas, två av de enklaste grundämnen som finns, kan på pappret låta enkelt men vid en närmare undersökning ser man PEM-teknologi inte är lika raktfram som en första anblick kan ge sken av. Problem består bland annat av vattenhantering. Till dags dato har mycket resurser lagts på forskning inom de olika fenomen som är viktiga för bränsleceller. Allt från design av storskaliga stack-system till grundläggande forskning med syfte att förstå hur de elektrokemiska reaktionerna i cellen fungerar har undersökts. Väldigt många framsteg har gjorts, men det finns fortfarande mycket som behöver lösas innan tekniken kan kommersialiseras till fullo. \vspace'{\baselineskip} Ett av de största problemen är bränslecellens katod. Långsam reaktionskinetik och komplicerad vattenhantering vid katoden tillhör de största problemen för förbättrad prestanda i cellen. PEM-bränsleceller arbetar vid låga temperaturer, ofta omkring 80 0C, och det vatten som bildas vid katoden kan därför vid vissa lokala förhållanden kondensera, vilket gör att hänsyn måste tas till fluidflöde i två faser – något som inte förekommer i andra typer av bränsleceller.\vspace'{\baselineskip} I denna avhandling har datorbaserade strömningsberäkningar (CFD) använts för att utföra detaljrika simuleringar av PEM-bränsleceller med syfte att förstå de inre fenomen som sker i cellen så som transport av joner, elektroner, gaser och vätskor, elektrokemiska reaktioner och hur de materiella egenskaperna hos de enskilda materialen som bränslecellen byggs av påverkar dess prestanda. Arbetet är uppdelat i två huvudsakliga delar, mikroskalig och makroskalig simulering. I den makroskaliga simuleringen har alla grundläggande fenomen som sker i cellen kvantiserats med avseende på transportmekanismer och strukturella parametrar för varje enskild process. För att simulera transport av flytande vatten i cellen har ett nytt tillvägagångssätt som är exklusivt framtaget för flöde i de porösa materialen i bränslecellens elektroder använts. \vspace'{\baselineskip} Även om makroskaliga simuleringar resulterar i noggranna resultat gällande cellens övergripande prestanda så är de begränsade såtillvida att det är snudd på omöjligt att skilja på de olika material som cellen består av. Speciellt inne i katalysatorlagret där de elektrokemiska reaktionerna sker kan detta vara ett problem. Katalysatorlagret i en PEM-bränslecell består av kol, platina och Nafion (ett protonledande membranmaterial) samt tomrum. Dessa tre olika material samt tomrummet fyller alla väldigt specifika syften. I den mikroskaliga modelleringen har varje fas i katalysatorlagret genererats och behandlats enskilt så att de processer som sker kan undersökas utifrån de olika fasernas inverkan. På grund av den beräkningskraft som krävs för att göra denna typ av simuleringar har förenklingar gjorts i form av att flödet som simulerats har antagits endast innehålla vatten i gasform. Dessutom har den inre delen av den solida fasen bestående av kol- och platinapartiklar uteslutits ur simuleringarna. Utan dessa förenklingar skulle simuleringarna inte gå att utföra på en enskild dator utan datakluster skulle behöva användas.