DEMAPEM – Development and marketing of proton exchange membrane fuel cell models for transport applications (ex. ACTIF)

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/501764bis

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Das Projekt DeMaPEM zielt auf die Entwicklung numerischer Modelle von Membran-Elektroden- Einheiten (MEAs) für den Einsatz in brennstoffzellenbetriebenen Transportlösungen ab. Es wird ein 1D parametrisiertes MEA-Modell und ein 3D-Einzelzellenmodell entwickelt. Die Vermarktung der Modelle durch ein neu gegründetes Spin-off-Unternehmen wird helfen, neue MEA-Materialien zu finden und die Leistungsdichte von PEM-Brennstoffzellenstapeln zu verbessern.

Kurzbeschreibung (Englisch)

The project DeMaPEM aims at the development and marketing of numerical models for the simulation of membrane electrode assemblies (MEAs) for use in fuel cell powered transport solutions. A 1D parameterized MEA model and a 3D single test cell model will be developed. Marketing of the models by a newly founded spin-off company will help to find new MEA materials, and improve the power density of proton exchange membrane fuel cell stacks.

Schlussbericht (Deutsch)

Das Projekt DeMaPEM zielte auf die Entwicklung und Vermarktung von numerischen Modellen von Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) für Transportlösungen ab. Wir haben 2-D- und 3-D-Einzelzellenmodelle erstellt, um die Verdampfung von Wasser aus der PEMFC zu simulieren. In einer ersten Studie simulierten wir Ex-situ-Experimente zur Verdunstung in Gasdiffusionsschichten von PEMFCs. In einer zweiten Studie analysierten wir den Wasser- und Wärmetransport in Verdunstungskühlzellen. Die Zusammenarbeit mit dem PSI in beiden Studien ermöglichte es uns, unsere Simulationsergebnisse mit experimentellen Daten zu vergleichen und unsere Modellierungsmethode zu verbessern. Die Ergebnisse zeigten den Einfluss der Betriebsbedingungen und der Trägergasspezies auf die Verdampfungsrate und lieferten Einblicke in den Transport von Wasserdampf. Darüber hinaus haben wir gezeigt, wie wichtig es ist, den Wärmetransport zu berücksichtigen, um eine Überschätzung der Verdampfungsraten zu vermeiden. In diesem Abschlussbericht dokumentieren wir auch unsere Fortschritte bei der Vorbereitung des Schweizer Spin-off-Unternehmens namens Isomorph. Zu diesem Zweck haben wir eine neue Website und Webdienste unter isomorph.ch entwickelt, um Berechnungslösungen für zwei verschiedene elektrochemische Durchflusszellentypen zu vermarkten, nämlich PEMFCs und Redox-Flow-Batterien. Für diese Durchflusszellentypen haben wir kundenorientierte Produkt- und Dienstleistungsbeschreibungen ausgearbeitet. Außerdem haben wir eine erste Version eines Businessplans geschrieben. Einige Modelle mit generischen Parametrisierungen wurden zur Verfügung gestellt

 

Schlussbericht (Englisch)

The project DeMaPEM aimed at the development and marketing of numerical models of proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) for transport solutions. We have created 2-D and 3-D single cell models to simulate the evaporative water removal from the PEMFC. In a first study, we simulated ex-situ experiments of evaporation in gas diffusion layers of PEMFCs. In a second study, we analyzed the water and heat transport in evaporative cooling cells. Cooperation with the PSI in both studies allowed us to compare our simulation results to experimental data and to improve our modeling method. Results showed the impact of operating conditions and carrier gas species on the evaporation rate and provided insights into the transport of water vapor. Furthermore, we demonstrated the importance to account for the heat transport to avoid overestimating evaporation rates. In this final report, we also document our progress in the preparation of the Swiss spin-off company named Isomorph. Therefore, we have developed a new website and web services of isomorph.ch to market computational solutions for two different electrochemical flow cell types, that is PEMFCs and redox flow batteries. For these flow cell types, we worked out costumer-oriented product and service descriptions. Furthermore, we wrote a first version of a business plan. Some models with generic parameterisations were made available to.

Herrendörfer, R.; Cochet, M.; Schumacher, J.O. Simulation of Mass and Heat Transfer in an Evaporatively Cooled PEM Fuel Cell. Energies 2022, 15, 2734. https://doi.org/10.3390/en15082734 

Mularczyk, A.; Michalski, A.; Striednig, M.; Herrendörfer, R.; Schmidt, T.J.; Büchi, F.N.; Eller, J. Mass Transport Limitations of Water Evaporation in Polymer Electrolyte Fuel Cell Gas Diffusion Layers. Energies 2021, 14, 2967. https://doi.org/10.3390/en14102967

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 53'573 kB

Schlussbericht (Französisch)

Le projet DeMaPEM visait le développement et la commercialisation de modèles numériques de piles à combustible à membrane d'échange de protons (PEMFC) pour les solutions de transport. Nous avons créé des modèles monocellulaires 2-D et 3-D pour simuler l'élimination de l'eau par évaporation de la PEMFC. Dans une première étude, nous avons simulé des expériences ex-situ d'évaporation dans les couches de diffusion de gaz des PEMFCs. Dans une deuxième étude, nous avons analysé le transport de l'eau et de la chaleur dans les cellules de refroidissement par évaporation. La coopération avec le PSI dans les deux études nous a permis de comparer nos résultats de simulation aux données expérimentales et d'améliorer notre méthode de modélisation. Les résultats ont montré l'impact des conditions de fonctionnement et des espèces de gaz porteur sur le taux d'évaporation et ont fourni des informations sur le transport de la vapeur d'eau. De plus, nous avons démontré l'importance de prendre en compte le transport de chaleur pour éviter de surestimer les taux d'évaporation. Dans ce rapport final, nous documentons également nos progrès dans la préparation de la société spin-off suisse nommée Isomorph. Ainsi, nous avons développé un nouveau site web et les services web d'isomorph.ch afin de commercialiser des solutions de calcul pour deux types de cellules électrochimiques à flux différents, à savoir les PEMFC et les batteries à flux redox. Pour ces types de cellules, nous avons élaboré des descriptions de produits et de services orientées vers le consommateur. En outre, nous avons rédigé une première version d'un plan d'affaires. Certains modèles avec des paramétrages génériques ont été mis à la disposition des utilisateurs.