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01.06.2015 | Ausgabe 1/2015

Journal of Engineering Mathematics 1/2015

Non-isothermal hydrophobicity-dependent two-phase flow in the porous cathode gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell

Zeitschrift:
Journal of Engineering Mathematics > Ausgabe 1/2015
Autoren:
M. Vynnycky, A. D. Gordon

Abstract

In this paper, we extend a recent one-dimensional isothermal steady-state generalized Darcy model for two-phase flow in the porous cathode gas diffusion layer of a polymer electrolyte fuel cell, so as to include the effect of heat transfer. As for the isothermal case, we arrive at either a fixed- or free-boundary problem, depending on the main problem parameters: inlet temperature (\(T^\mathrm{in}\)), inlet water saturation (\(s^\mathrm{in}\)), inlet relative humidity (RH), porous medium hydrophobicity and cathode overpotential (\(\eta \)). The inclusion of heat transfer is found to limit the range of values of \(\eta ,T^\mathrm{in}\) and RH over which two-phase flow can occur, as compared to that predicted by the isothermal model. The ensuing non-isothermal two-phase flow model equations are then computed numerically, with particular care being required for the treatment of an integrably singular inter-phase mass transfer term.

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