Οι κυψέλες καυσίμου αποκτούν αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον ως εναλλακτική
πηγή καθαρής και βιώσιμης ενέργειας για να αντικαταστήσουν τα ορυκτά καύσιμα.
Στην αυτοκινητοβιομηχανία, επικρατούν οι κυψέλες καυσίμου μεμβράνης ανταλλαγής
πρωτονίων (Proton Exchange Membrane, PEM) λόγω της υψηλής πυκνότητας ισχύος
και των χαμηλών θερμοκρασιών λειτουργίας. ́Ενα από τα συστατικά στοιχεία της
κυψέλης καυσίμου που έχει εξαιρετική επιρροή στην απόδοση είναι το Στρώμα Διάχυσης
Αερίου (Gas Diffusion Layer, GDL) λόγω των ποικίλων φαινομένων που λαμβάνουν
χώρα εκεί.
Σε αυτήν τη διπλωματική εργασία, το GDL μίας κυψέλης καυσίμου PEM μοντελοποιεί-
ται και βελτιστοποιείται ως προς το πορώδες του. Πρόσφατες έρευνες έχουν μελετήσει
καινοτόμους τρόπους για τον έλεγχο της κατανομής πορώδους του GDL κατά την
κατασκευή. Το πορώδες που χρησιμοποιείται σήμερα στο GDL είναι σταθερό. Είναι
σημαντικό, επομένως, να μελετηθεί αριθμητικά εάν μια μη-σταθερή κατανομή πορώδους
θα είχε ευνοϊκή επίδραση στην απόδοση της κυψέλης καυσίμου.
Το μαθηματικό μοντέλο ανάλυσης μιας δεδομένης κυψέλης καυσίμου PEM επιλέγε-
ται από τη βιβλιογραφία. Αποτελείται από τις εξισώσεις Navier-Stokes που έχουν
τροποποιηθεί ώστε να ληφθούν υπόψη τα διάφορα ηλεκτρικά, θερμικά και χημικά φαινό-
μενα, μια επιπλέον εξίσωση που αντιστοιχεί στη διφασική ροή που λαμβάνει χώρα και
μια επιπλέον εξίσωση για τη διατήρηση των χημικών στοιχείων. Το μοντέλο αναπτύσ-
σεται και προσομοιώνεται σε περιβάλλον OpenFOAM.
Η βελτιστοποίηση πραγματοποιείται, στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό
EASY του ΕΜΠ το οποίο βασίζεται σε εξελικτικούς αλγορίθμους. Η κατανομή πορώ-
δους που χρησιμοποιείται είναι γραμμική και στις τρεις κατευθύνσεις ώστε να είναι
ρεαλιστικά κατασκευάσιμη ακόμη και με έλεγχο του πορώδους κατά την κατασκευή.
Αποδεικνύεται ότι οι κατανομές πορώδους είναι πράγματι ευνοϊκές και το πορώδες και
στις τρεις κατευθύνσεις επηρεάζει την απόδοση. Ωστόσο, οι προτιμώμενες κατανομές
εξαρτώνται σημαντικά από τις συνθήκες λειτουργίας.
Το μεγαλύτερο τμήμα αυτής της διπλωματικής εργασίας πραγματοποιήθηκε στις εγκαταστά-
σεις της Toyota Motor Europe στις Βρυξέλλες του Βελγίου κατά τη διάρκεια εξαμη-
νιαίας πρακτικής άσκησης.
(EL)
Fuel cells are gaining increasing research interest as an alternative clean and sus-
tainable energy source to replace fossil fuels. In the automotive industry, proton
exchange membrane (PEM) fuel cells are prevailing due to the high power density
and low working temperatures. One of the components of the fuel cell that signifi-
cantly affects its performance is the Gas Diffusion Layer (GDL), due to the various
phenomena that take place there.
In this diploma thesis, the GDL of a PEM fuel cell is modeled and optimized with
regards to its porosity. Nowadays, research is focusing on innovative ways to control
the porosity distribution of the GDL. Porosity currently used in the GDL is con-
stant. It is important, therefore, to numerically study whether a varying porosity
distribution has a significant positive effect on the fuel cell performance.
The CFD model that is used for the PEM fuel cell is selected from the literature,
after an appropriate survey. It consists of modified Navier-Stokes equations to also
account for the various electrical, thermal and chemical phenomena, an extra equa-
tion accounting for the two-phase flow that takes place, and an equation for the
conservation of chemical species. The model is developed and simulated in the
OpenFOAM environment.
On the other hand, the optimization is performed using the evolutionary algorithm
based optimization software EASY of NTUA. The porosity distribution that is used
is linear in all three directions to be realistically manufacturable even with porosity
controlling manufacturing. It is shown that porosity non-constant distributions are
indeed favorable and the porosity along all three directions has an impact on perfor-
mance. The preferred distributions however depend significantly on the operating
conditions.
Major part in this diploma thesis was carried out in the premises of Toyota Motor
Europe in Brussels, Belgium, during a 6 month long internship.
(EN)
National Technical University of Athens
