Development of customized capillary pressure techniques for thin, deformable and complex wettability porous materials

An improved understanding of the capillary properties of gas diffusion layers (GDL) and microporous layers (MPL) is important for improving the performance of polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs). The behaviour of liquid water in both the GDL and MPL is not entirely understood and can cause many problems such as decreased gas phase mass transfer and decreased overall efficiency. This thesis addresses an important need in GDL and MPL research, the ability to generate accurate capillary pressure curves. Two devices have been designed and tested, with the first being used to generate the traditional capillary pressure curves used to assess pore size distributions and the second to study the effect of water wettability in GDLs and MPLs. A method and apparatus for generation of capillary pressure curves between a highly wetting fluid and air in a liquid extrusion system is described. The system is able to vary the capillary pressure and track air saturation within the sample. Capillary pressure is defined as the difference between the non-wetting and wetting phases at equilibrium. This system was designed for the generation of capillary pressure curves at low pressure compared to other techniques, such as mercury intrusion porosimetry, by virtue of a much lower surface tension. The low pressure reduced the chance of sample deformation in the system. A second method and apparatus for generation of capillary curves in an air-water system is also described. In this system capillary pressure is slowly increased to force water into the sample and then decreased to allow it to flow out. The main benefit of this system is the ability to scan over positive and negative capillary pressure ranges, allowing for observations on how GDL and MPL samples act in an air-water system, which is what they will be exposed to within the PEMFC. The results of both systems were compared for better understanding of wettability properties. The results showed that much higher capillary pressure was required to invade the same size pores in the air-water system compared to the liquid extrusion system. The comparison also showed that the MPL is somewhat more hydrophobic than the GDL. Both systems showed permanent hysteresis between the non-wetting phase intrusion and withdrawal.Une meilleure compréhension des propriétés capillaires de couches de diffusion de gaz (GDL) et des couches microporeuses (MPL) est importante pour améliorer la performance des piles à combustible à membrane électrolyte polymère. La conduite de l'eau liquide dans le GDL et MPL est pas entièrement comprise et peut causer de nombreux problèmes tels que la diminution du transfert de masses dans la phase gazeuse et une réduction de performance total. Cette thèse adresse un besoin important dans la recherche des GDL et MPL, la capacité de généré les graphiques de pression capillaire. Deux appareils ont été conçus et testés, le premier étant utilisé pour générer les graphiques de pression capillaire traditionnelle utilisés pour évaluer des distributions de taille des pores, et le deuxième pour évaluer l'effet de la mouillabilité de l'eau dans les GDLs and MPLs.Un procédé et un appareil pour la génération de courbes de pression capillaire entre un fluide très mouillant et de l'air dans un système d'extrusion de liquide est décrite. Le système peut varier la pression capillaire et déterminer la saturation de l'air à l'intérieur de l'échantillon. La pression capillaire est définie comme la différence entre les phases non-mouillantes et mouillantes à l'équilibre. Ce système a été conçu pour la génération de graphique de pression capillaire à basse pression par rapport à d'autres techniques, en vertu d'une tension superficielle beaucoup plus faible. Un second procédé et un appareil pour la génération de graphique de capillaires dans un système air-eau est aussi décrite. La pression capillaire du système est lentement augmentée pour forcer de l'eau dans l'échantillon et ensuite diminuée pour lui permettre d'écouler. L'avantage principal de ce système est la possibilité qui permet pour les observations sur la façon dont les échantillons se comportent dans un système air-eau, comme ils seront exposés à l'intérieur des piles combustible.Les résultats de ces deux systèmes ont été comparés pour une meilleure compréhension des propriétés de la mouillabilité. Les résultats ont montré que la pression capillaire beaucoup plus élevée était nécessaire pour envahir les pores de la même taille dans le système air-eau par rapport au système d'extrusion de liquide. La comparaison a montré également que le MPL est un peu plus hydrophobe que la GDL