Modeling and Additive Manufacturing of Porous Electrodes for Novel High Temperature PEM Fuel Cells
Chemical and Thermal Process Engineering
Metallurgical, Thermal and Thermomechanical Treatment of Materials
Final Report Abstract
Ziel dieses Projekts war es, die Wissensbasis für die Modellierung und Herstellung neuartiger tubularer HT-PEM-BZn zu erweitern. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden von zwei Forschungsinstituten gemeinsam funktionale Brennstoffzellenkomponenten entwickelt: PTW und TVT. Zunächst erfolgte am PTW die Auswahl des Pulverausgangswerkstoffes zur Herstellung poröser, metallischer Trägerelektroden mittels SLM auf der Basis der Korrosionsbeständigkeit. Dabei wurden die beiden Werkstoffe 17-4 PH und 316L unter Betriebsbedingungen von HT-PEMFCs (85 %ige Phosphorsäurelösung, 160 °C und Badzirkulation) gegenübergestellt. Aufgrund des weitaus geringeren Massenverlustes von 316L wurde dieser Werkstoff für alle am PTW generierten Probekörper sowie Trägerelektroden herangezogen. Zur Bestimmung des Versuchsraums für einen DoE wurden die Faktoren Laserleistung, Scan-Geschwindigkeit und Spurabstand variiert und der Bereich definiert in dem poröse aber nicht fragmentierte Probekörper hergestellt werden können. In dem ausgewählten Versuchsraum wurde der Einfluss der SLM-Prozessparameter auf die Porosität nach der theoretischen Methode untersucht. Zur Beschreibung der quantitativen Zusammenhänge zwischen den Faktoren und der Porosität wurde ein statistisch signifikantes Regressionsmodell erstellt. Innerhalb des Versuchsraums kann eine definierte Porosität zwischen 0,11% und 19% eingestellt werden. Eine zuverlässige Vorhersage des Einflusses der Faktoren auf die Porosität konnte durch die Verifikation des Regressionsmodells anhand von zwei Parametersätzen innerhalb des Versuchsraums bestätigt werden. Zur Beschreibung der Größenverteilung poröser Bereiche in dünnwandig, porösen Strukturen wurde die CT und ein Mikroskop im Durchlichtmodus herangezogen. Es wurde aufgezeigt, dass in dünnen Wänden der Wandstärke 250 µm Durchgangsporen nahezu ausschließlich bei Flächenenergiedichten unter 0,70 J/mm2 gebildet werden. Der Einfluss der Stofftransporteigenschaften in Abhängigkeit der Faktoren des DoE wurde ebenfalls anhand der dünnwandig, porösen Strukturen analysiert. Als Zielgröße diente die Permeabilität nach Darcy. Eine maximale Permeabilität von 2258,26 E-12 m2 kann innerhalb des Versuchsraums erzielt werden. Für die Brennstoffzellenanwendung wurden mittels SLM Trägerelektroden hergestellt, in denen dichte und poröse Bereiche kombiniert wurden. Über die Einstellung der Faktorstufenkombinationen des DoE wurden die porösen Bereich mit unterschiedlichen Porositäten gefertigt. Die Trägerelektrode wurde zum Kernstück der mehrschichtigen tubularen HT-PEM-Brennstoffzellenanordnung, die als Wasserstoffgaskanal, Anodengasdiffusionsschicht (poröser Bereich) und Stromkollektor dient. Nach mehreren Vorversuchen, bei denen ein besseres Verständnis der einzelnen Schichten erzielt wurde, wurden funktionale Brennstoffzellen hergestellt und verschiedene Herstellungsprozessparameter über eine elektrochemische Charakterisierung und einen Kurzstabilitätstest in einer kommerziellen Brennstoffzellen-Teststation untersucht. Da die Brennstoffzellenleistung immer noch nicht mit kommerziellen Brennstoffzellen vergleichbar ist, sollen weitere experimentelle Untersuchungen einschließlich des Herstellungsprozesses und der Betriebsparameter durchführen werden. Jede Schicht der entwickelten Brennstoffzelle hat Verbesserungspotenzial. Folgende Untersuchungen sind anzustreben: Beschichtungsverfahren für Katalysatorschichten, Betriebsparametern und neue Gasdiffusionsschichtmaterialien. Letzteres beinhaltet auch Änderungen der Betriebsparameter des SLM-Prozesses, d.h. neue DoE-Durchführung, neues Arbeitsfenster und geänderte Porosität. In Bezug auf die Betriebsparameter kann eine Analyse des wasserstoffreichen Gases als Brennstoff sowie der Parameterwechselwirkungen zu neuen Erkenntnissen führen. Gleichzeitig wurde ein numerisches 2D-Simulationsmodell für die tubulare HT-PEM-Brennstoffzelle entwickelt, das Aktivierungs-, Ohm- und Konzentrationsverluste berücksichtigt. Das Modell verwendet einen neuartigen Dünnschichtansatz zur Modellierung der MEA als einzelne Schnittstelle, der eine Reduzierung der Rechenzeit im Vergleich zu dem entwickelten detaillierteren und komplexeren Modell von Lang garantiert. Das Simulationsmodell wurde unter Verwendung der aufgezeichneten experimentellen Daten aus der Brennstoffzellencharakterisierung validiert, die eine gute Übereinstimmung der Brennstoffzellenleistung mit der Variation von Betriebsparametern zeigte. Zusätzlich wurde ein einfaches zeitabhängiges Simulationsmodell mit besonderem Fokus auf den Stofftransfer und die Strommechanik von Wasserstoff unter Verwendung von drei Porositäten (14, 16 und 16%) entwickelt. Obwohl die Porositätseigenschaften der GDL die Verteilung von Wasserstoff in den Kanälen beeinflussten, war die Auswirkung relativ gering. Der stationäre Zustand konnte in weniger als einer Minute erreicht werden, was bedeutet, dass der Wasserstoff schnell durch die porösen Medien diffundieren kann und in einer Simulation auf Makroebene kaum eine Veränderung zu erkennen sein wird. Für die zukünftige Forschung wird empfohlen, die Phosphorsäure- und Wasserbilanzen in die Simulation auf Makroebene einzubeziehen sowie den Mischpotentialverlust für die Berechnung des Zellpotentials zu addieren. Ebenso wird eine Erweiterung des Modells auf Mikroebene empfohlen, um ein besseres Verständnis des gesamten Prozesses und des Einflusses der Porositätseigenschaften auf die Gesamtleistung zu ermöglichen.
Publications
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(2020) Investigation of Porous Metal-Based 3D-Printed Anode GDLs for Tubular High Temperature Proton Exchange Membrane Fuel Cells. Materials (Basel, Switzerland) 13 (9) 2096
Bermúdez Agudelo, María Catalina; Hampe, Manfred; Reiber, Thorsten; Abele, Eberhard
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(2021) Three-dimensional model for stacks of tubular high temperature proton exchange membrane fuel cells incorporating a thin layer approach for the membrane electrode assembly. International Journal of Hydrogen Energy 46 (21) 11926–11939
Ratschow, Aaron D.; Bermúdez Agudelo, María Catalina; Hampe, Manfred J.
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Development and investigation of tubular HT-PEM-Fuel cells with 3D printed anodic Gas Diffusion Layer, European Fuel Cell Conference. Naples (09. – 11.12.2019)
Bermúdez Agudelo, M. C. and Hampe, Manfred J.
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Tailoring and Investigation of Defined Porosity Properties in Thin-Walled 316L Structures Using Laser Based Powder Bed Fusion, Progress in Additive Manufacturing (2019)
Abele, E. et. al.
