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Main Title: Radiographic and tomographic investigation of water transport in operating polymer electrolyte membrane fuel cells
Translated Title: Radiographische und tomographische Untersuchung des Wassertransports in Polymer-Elektrolyt-Membran Brennstoffzellen
Author(s): Alrwashdeh, Saad Sabe'
Advisor(s): Banhart, John
Referee(s): Banhart, John
Roth, Christina
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Fuel cells are foreseen to play a leading role in many future sustainable energy strategies as they allow for environmental friendly and locally pollutant-free energy conversion systems. One of the most important and prevalent types is the polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). One of the key issues of the PEM fuel cell is the water management since efficiency, cell performance and long-term stability crucially rely on the hydration level of the membrane. If the membrane is too dry, the ionic conductivity drops, causes irreversible damage to the membrane and results in a permanent reduction of the cell performance. In contrast, flooding of the gas diffusion layer (GDL) causes blockage of gas transport paths leading to an undersupply of reactant gases to the catalyst. Previous studies have shown that by improving the flow field and the microporous layer (MPL) designs, transport paths are improved, which can enhance the water transport and cell performance. Synchrotron X‐ray radiography and tomography have been applied to investigate the influence of different modifications of cell materials on dynamic water transport processes in operating fuel cells. It was found that the water transport is affected by each of those modifications through the accumulation of liquid water. Also, a quantification of the water distribution in the MPL was conducted by means of phase contrast tomography. Neutron imaging was applied in order to investigate the influence of modifications in the flow field design on the water transport behavior in an operating fuel cell. Several barriers in the channels keep the water at several positions inside the cell and force the gas to flow through the GDL. The modified flow fields were compared to a standard flow field design.
Brennstoffzellen wird eine führende Rolle in einer zukünftigen nachhaltigen Energieversorgung vorhergesagt, da sie umweltfreundliche und lokal abgasfreie Energieumwandlungssysteme ermöglichen. Einer der wichtigsten und verbreitetsten Typen ist die Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (PEMFC). Eines der Hauptprobleme der PEMFC ist das Wassermanagement, da Effizienz, Leistung und Langzeitstabilität entscheidend vom Feuchtegrad der Membran abhängen. Ist die Membran zu trocken, so verschlechtert sich die ionische Leitfähigkeit und die Membran wird irreversibel geschädigt- was in eine dauerhafte Reduktion der Zellleistung resultiert. Im Gegensatz dazu führt eine Flutung der Gasdiffusionsschichten zu blockierten Gastransportwegen, was eine Unterversorgung des Katalysators mit Reaktanten zur Folge hat. Frühere Studien haben gezeigt, dass eine Modifizierung des Flow Fields und der mikroporösen Schichten (MPL) Transportpfade verbessert und den Wassertransport und die Zellleistung erhöht. Synchrotronröntgenradiographie und -tomographie wurden angewandt, um den Einfluss verschieden modifizierter Zellmaterialien auf dynamische Wassertransportprozesse während des Betriebes zu untersuchen. Es wurde gefunden, dass der Wassertransport durch die Modifikationen aufgrund der Ansammlung von flüssigem Wasser beeinträchtigt wird. Mittels Phasenkontrasttomographie wurde darüber hinaus eine Quantifizierung der Wasserverteilung in der MPL vorgenommen. Neutronenradiographie wurde angewandt, um den Einfluss von Modifikationen des Flow Field Designs auf den Wassertransport zu untersuchen. Mehrere Barrieren in den Kanälen halten das Wasser an diesen Positionen in der Zelle und zwingen den Gasstrom dort durch die GDL. Die Beobachtungen wurden mit denen an entsprechenden Flow Field Designs ohne derartige Barrieren verglichen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6652
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-6093
Exam Date: 16-Aug-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 28-Aug-2017
DDC Class: DDC::600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften::600 Technik::600 Technik, Technologie
Subject(s): fuel cell
synchrotron X‐ray radiography
synchrotron X‐ray tomography
neutron imaging
water management
cell performance
Brennstoffzelle
Synchrotronröntgenradiographie
Synchrotronröntgentomographie
Neutronenradiographie
Wassermanagement
Zellleistung
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