Investigation of the water dynamics and their effect on the dynamic behaviour of the PEM fuel cell

Abstract

The polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC) represents a promising solution foremission-free power generation. Its applications range from providing clean energy for stationary facilities to powering portable devices and vehicles of all kinds. In this work, the waterdynamics and their effect on the dynamic behaviour of the PEMFC were investigated with aone-dimensional model of the membrane electrode assembly (MEA). Controlling the waterdynamics is crucial for ensuring efficient cell operation. Optimal membrane hydration minimizesohmic losses, while excessive humidity can lead to pore flooding. These aspects not only determine the steady-state characteristics of the fuel cell but also play a crucial role in its dynamicperformance. The dynamic response of a PEMFC is a complex phenomenon characterisedby an undershoot of the cell voltage with load increase and an overshoot with load decrease.Multiple studies have explored the mechanisms and factors affecting this transient response,but only a limited range of parameters and operating conditions were investigated, potentiallyoverlooking important cross-influences. The majority of publications have identified the waterdynamics in the membrane of the PEMFC as the primary cause of the observed phenomenon,whereby no consensus has been reached on the particular mechanism.In order to investigate the dynamic behaviour, a one-dimensional, two-phase, transient modelof the PEMFC was developed within this work. In addition to a detailed water model, acomprehensive description of gas transport, heat conduction and electrochemistry was included.A robust and fast simulation program based on the model was implemented in MATLABand validated against experimental data. After parameterisation, the program is capable ofrepresenting physical processes in the MEA with satisfactory accuracy, demonstrating highaccuracy in the transient regions and a mean relative error below 5%. By taking advantage ofthe fast calculation and reliable stability of the program, a transient global sensitivity analysis wasperformed on a wide range of operating conditions and physical properties of the fuel cell. Theanalysis revealed the sensitivity of the parameters for multiple performance indicators, therebyquantifying the interactions within the fuel cell. Besides the confirmation of well-known relations,the analysis identified the particular mechanism behind the dynamic response. The desorptionof water from the ionomer was found to be the decisive factor in the voltage undershoot, withthe speed of water removal determining its extent. In addition, an operational strategy to avoidpronounced undershoots was proposed, underscoring the importance of maintaining sufficienthumidity in the gas supply.

Die Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzelle (PEMBZ) zeigt sich als eine vielversprechendeLösung für die emissionsfreie Stromerzeugung. In dieser Arbeit wurden der Wasserhaushaltund dessen Auswirkungen auf das dynamische Verhalten der PEMBZ mit einem eindimensionalen Modell der Membran-Elektroden-Einheit untersucht. Die Kontrolle des Wasserhaushaltsist entscheidend für einen effizienten Betrieb der Zelle. Eine optimale Hydration der Membranminimiert die ohmschen Verluste, während übermäßige Luftfeuchtigkeit zu Porenflutung führenkann. Diese Facetten bestimmen nicht nur die stationäre Effizienz, sondern spielen auch eineentscheidende Rolle in ihrem dynamischen Betrieb. Das Einschwingverhalten einer PEMBZist ein komplexer Prozess, der durch ein Unterschwingen der Spannung bei Lastanstieg undein Überschwingen bei Lastabnahme gekennzeichnet ist. Mehrere Studien haben die Mechanismen und Faktoren, die das transiente Verhalten beeinflussen, untersucht. Dabei wurdennur eine begrenzte Anzahl von Parametern und Betriebsbedingungen untersucht, wodurchwichtige Quereinflüsse möglicherweise übersehen wurden. Die Mehrheit der Veröffentlichungen hat den Wasserhaushalt der Membran der PEMBZ als Hauptursache für das dynamischeVerhalten identifiziert, wobei keine Einigung über den genauen Mechanismus erzielt wurde.Um das dynamische Verhalten zu untersuchen, wurde in dieser Arbeit ein eindimensionales,zweiphasiges, transientes Modell der PEMBZ entwickelt. Neben einem detaillierten Wassermodell wurde eine umfassende Beschreibung des Gastransports, der Temperaturverteilungund der Elektrochemie integriert. Ein robustes und schnelles Simulationsprogramm, basierendauf dem Modell, wurde in MATLAB implementiert und anhand experimenteller Daten validiert.Nach der Parametrisierung ist das Programm in der Lage, physikalische Prozesse in derPEMBZ mit ausreichender Genauigkeit darzustellen, wobei eine hohe Genauigkeit in dentransienten Regionen und ein mittlerer relativer Fehler von unter 5% erzielt wird. Mit demProgramm wurde eine transiente globale Sensitivitätsanalyse für eine breite Palette von Betriebsbedingungen und physikalischen Eigenschaften der Brennstoffzelle durchgeführt. DieAnalyse berechnete die Sensitivität der Parameter auf mehrere Leistungsindikatoren und quantifizierte dadurch die Wechselwirkungen innerhalb der Brennstoffzelle. Neben der Bestätigungbekannter Zusammenhänge, identifizierte die Analyse den spezifischen Mechanismus hinterdem dynamischen Verhalten. Der Desorptionsmechanismus erwies sich als entscheidenderFaktor für das Unterschwingen der Spannung, wobei die Geschwindigkeit der Wasserabführungseine Charakteristik bestimmt. Darüber hinaus wurde eine Betriebsstrategie vorgeschlagen,um ausgeprägtes Unterschwingen der Spannung zu vermeiden, wobei die Bedeutung vonausreichender Luftfeuchtigkeit in der Gaszufuhr hervorgehoben wird.