Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEMFC) können in Elektrofahrzeugen und Schiffsstromversorgungen eingesetzt werden.
Der Elektrolyt in der HT-PEMFC ist jedoch konzentrierte Phosphorsäure, die während des Brennstoffzellenbetriebs von der Kathode zur Anode wandert, zu einer Umverteilung der Phosphorsäure führt und dadurch den mehrphasigen Stoffaustausch und die elektrochemische Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle beeinflusst.
Kürzlich hat eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Sun Gongquan und Prof. Wang Suli vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) ein neuartiges Mehrkomponenten-Mehrphasenmodell entwickelt, um die Verteilung von Phosphorsäure und Wasser vorherzusagen in HT-PEMFC, die helfen können, die Auswirkungen von Materialien, Strukturen und Betriebsbedingungen auf den Mehrphasentransport von Wasser und Phosphorsäure besser zu verstehen.
Die Studie wurde veröffentlicht in AIChE-Journal am 9. April.
Die Forscher untersuchten den Transportmechanismus von Wasser und Phosphorsäure innerhalb der HT-PEMFC und seine Auswirkungen auf die Brennstoffzellenleistung, indem sie ein dreidimensionales, nicht isothermes, mehrphasiges HT-PEMFC-Modell auf der Grundlage eines sphärischen Agglomerat-Untermodells einer katalytischen Schicht konstruierten.
Dieses Modell könnte die Leistung der Brennstoffzelle vorhersagen. Es umfasste den Mehrkomponenten-Mehrphasentransport von Phosphorsäure und Wasser, das sphärische Agglomeratmodell der katalytischen Schicht, das Potentialtransportmodell und das Energietransportmodell.
Die Simulationsergebnisse zeigten, dass die Phosphorsäurekonzentration in der Anode höher war als die in der Kathode, und etwa 20 % des von der Kathode erzeugten Wassers in Form einer flüssigen Phase zur Anode diffundierte.
„Diese Studie liefert eine theoretische Grundlage für die Optimierung des Designs von Materialien, Strukturen und Betriebsbedingungen“, sagte Prof. Sun.
Mu Sun et al, Untersuchung des Phosphorsäure- und Wassertransports in Hochtemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen unter Verwendung eines Mehrphasenmodells, AIChE-Journal (2022). DOI: 10.1002/aic.17708