Gas Diffusion Layers for PEM Fuel Cells
Characterization, Modeling and Optimization
Tid: Fr 2026-11-13 kl 13.30
Plats: F3 (Flodis), Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Svenska
Ämnesområde: Kemiteknik
Respondent: Marcus Ringström , Tillämpad elektrokemi
Opponent: Professor Jeff Gostick, University of Waterloo
Handledare: Professor Rakel Wreland Lindström, Tillämpad elektrokemi; Professor Göran Lindbergh, Tillämpad elektrokemi; Henrik Ekström, Tillämpad elektrokemi, Comsol AB,Stockholm,Sweden; Doktor Lisa Kylhammar, PowerCell Sweden AB, Gothenburg, Sweden
QC 2026-10-22
Abstract
Protonutbytesmembranbränsleceller (PEMFC) är elektrokemiska energiomvandlare som omvandlar kemisk energi till elektrisk energi. Gasdiffusionsskiktet (GDL) bidrar till reaktanttransport, vattenhantering samt elektrisk och termisk ledning. Materialegenskaperna beror på struktur och kompression, medan deras inverkan på cellprestandan påverkas av flödesfältets geometri och driftförhållandena. Syftet med avhandlingen är att undersöka dessa samband genom experimentell materialkaraktärisering, röntgentomografi, fysikbaserad kontinuummodellering och surrogatbaserad flerobjektivsoptimering.
Avhandlingen bidrar till nykunskap om hur materialets struktur påverkar fördelningen av impregnerad polytetrafluoreten (PTFE). I substratet utan bindemedel återfanns PTFE främst vid fiberkontakter och längs angränsande fiberytor, medan PTFE i substratet med bindemedel huvudsakligen var lokaliserat till det kolbaserade bindemedlet. Den nominella PTFE-halten är därför inte tillräcklig för att beskriva fördelningen i materialet.
Material som undersökts efter cirka 20 000 timmars stackdrift uppvisade skillnader i porstruktur och yttre vätbarhet jämfört med referensmaterialet. Vattenmättnaden var högre i det åldrade materialet vid låga kapillärtryck, medan referensmaterialet uppvisade högre vattenmättnad vid högre tryck. Trots skillnaderna i vattenupptagning observerades inga systematiska skillnader i sambandet mellan relativ gasdiffusivitet och vattenmättnad. Vid samma vattenmättnad var den relativa minskningen av gasdiffusiviteten jämförbar i det åldrade materialet och referensmaterialet. Resultaten visar att gastransporten efter långvarig drift behöver analyseras med hänsyn till både materialets transportegenskaper och sambandet mellan kapillärtryck och vattenmättnad.
Materialkaraktäriseringen visade hur kompressionen påverkade mekaniska egenskaper, elektrisk och termisk ledning samt gastransport. Mätningarna låg till grund för konstitutiva materialsamband som användes i en fysikbaserad kontinuummodell. Kompressionsstyvheten hade störst inverkan på cellprestanda inom det undersökta parameterområdet, medan skjuvstyvhetens betydelse ökade med kanalbredden. De mekaniska egenskapernas inverkan på strömtäthetsfördelningen berodde på flödesfältets geometri. Medelströmtätheten var främst kopplad till syretransporten genom materialets tjocklek, medan transporten under ribborna hade större betydelse för strömtäthetsfördelningens homogenitet.
Optimering av GDL-egenskaper och flödesfältsgeometri kvantifierade avvägningarna mellan hög medelströmtäthet, uniform strömtäthetsfördelning och elektrisk kontaktresistans. Vid ändrade driftförhållanden var den inbördes rangordningen mellan olika kombinationer av materialegenskaper och geometri mer tillförlitlig än prediktionerna av absolut prestanda. För sex av sju undersökta förändringar i driftförhållanden kunde tidigare optimeringsresultat användas efter ett begränsat antal kompletterande simuleringar. Detta bidrog till att minska det totala antalet simuleringar jämfört med fullständiga simuleringskampanjer vid nya driftförhållanden.
Avhandlingen ger en fysikalisk grund för urval av GDL-material och identifierar vilka materialegenskaper som bör prioriteras för en given flödesfältsgeometri. Resultaten tydliggör vilka avvägningar mellan cellprestanda, strömtäthetsfördelning och elektrisk kontaktresistans som behöver beaktas vid val av GDL-material och flödesfältsgeometri.