One-Dimensional Transient Model for Frost Heave in Polymer Electrolyte Fuel Cells

瞬态(计算机编程) 电解质 聚合物 冻胀 霜冻(温度) 材料科学 环境科学 化学工程 化学 地质学 岩土工程 复合材料 工程类 计算机科学 物理化学 电极 操作系统
作者
Suhao He,Matthew M. Mench
出处
期刊:Journal of The Electrochemical Society [Institute of Physics]
卷期号:153 (9): A1724-A1724 被引量:63
标识
DOI:10.1149/1.2216547
摘要

To better understand, control, and mitigate degradation during freezing of a polymer electrolyte fuel cells (PEFCs), a one-dimensional (1D) transient model has been formulated, based on theories of porous media flow and soil frost heave. The model is essentially a modified hybrid of Harlan's hydraulic model and Miller's rigid ice model with additional improvements for suitable application to PEFCs. It is found that the three types of characteristic curves for unfrozen water flow and frost heave modeling can be well unified. Methods to derive the unfrozen water vs temperature characteristic curves for PEFC components are also given. Through the formulated model, it is predicted that ice lens will occur most likely around the catalyst layer, either between catalyst layer and diffusion media, or between catalyst layer and Nafion membrane. Lens formation under the lands is unlikely due to high overburden pressure. Ice lens growth may explain breakthrough observed in carbon paper after freeze-thaw tests. Another phenomenon, the delamination between Nafion and catalyst layer, can possibly be explained by the formation of an ice lens from water expelled from the electrolyte during freezing. The Nafion thickness and initial water content have direct impact on the damage in this mode.

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