Studies on limiting factors of polymer electrolyte membrane fuel cell cathode performance

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Mikkola, Mikko
dc.date.accessioned 2012-02-24T08:16:20Z
dc.date.available 2012-02-24T08:16:20Z
dc.date.issued 2007-05-04
dc.identifier.isbn 978-951-22-8590-7
dc.identifier.issn 1459-7268
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2859
dc.description.abstract Fuel cells are electrochemical devices that convert the chemical energy of fuel into electricity and heat. Polymer electrolyte membrane fuel cells (PEMFCs) are a type of fuel cells which use a proton conducting polymer membrane as the electrolyte. PEMFCs are envisioned to replace conventional power sources in many applications, including transportation, stationary distributed and backup power generation, and portable devices. This work concentrated on the limiting factors of the PEMFC cathode performance, focusing on mass transport and water management. Overpotential of oxygen reduction reaction was outside the scope of this thesis. The main study subject was the porous transport layer (PTL). Physical properties of the PTL have a significant effect on reactant and reaction product transport, as well as electrical and thermal fluxes. PTL research concentrated on three main areas, characterization of PTL media, correlation of PTL physical properties to fuel cell performance, and the effects of inhomogeneous compression distribution. An improved method for PTL characterization was developed and used to investigate the performance of PTL materials under different operating conditions. It was observed that the flooding on the cathode side begins in the PTL, not the electrode itself. A clear relation between PTL properties and fuel cell performance could not be established. Inhomogeneous compression of PTLs was found to cause local variations in the mass transport properties, electrical conductivity and contact resistance at various interfaces. A method for determining the bulk conductivity of the PTL and the contact resistance at the PTL-flow field plate interface as a function of compression was developed. The applicability of titanium sinters as porous transport layers for free-breathing PEMFC was investigated. The mechanical properties of titanium sinters were found acceptable, but due to high hydrophilicity, the sinter was prone to flooding. Furthermore, contact resistance between the sinter and other components was high. The effect of sodium chloride on PEMFC performance was investigated experimentally and found to cause an irreversible performance loss. Sodium ions were found to replace protons in the electrolyte membrane and thus increase resistance. Chloride ions were not observed to interfere with fuel cell operation under the conditions used in the experiments. en
dc.description.abstract Polttokennot ovat sähkökemiallisia laitteita, jotka muuntavat polttoaineen kemiallisen energian suoraan sähköksi ja lämmöksi. Polymeeripolttokenno on polttokennotyyppi, jossa elektrolyyttinä käytetään protonijohtavaa polymeerikalvoa. Polymeeripolttokennojen odotetaan korvaavan perinteiset teholähteet monissa käyttökohteissa, mm. ajoneuvoissa, hajautetussa energiantuotannossa, varavoimanlähteissä ja kannettavissa laitteissa. Tässä työssä tutkittiin polymeeripolttokennon katodin suorituskykyä rajoittavia tekijöitä keskittyen aineensiirtoon ja vedenhallintaan. Hapen pelkistysreaktion häviöt jätettiin tarkastelun ulkopuolelle. Pääasiallisena tutkimuskohteena oli kaasudiffuusiokerros (KDK), jonka ominaisuudet vaikuttavat reaktanttien ja reaktiotuotteiden sekä sähkö- ja lämpövirtojen kulkuun. KDK-tutkimuksessa oli kolme pääaluetta, materiaalien karakterisointi, fysikaalisten ominaisuuksien korrelointi suorituskykyyn sekä epätasaisen puristuspainejakauman vaikutusten tarkastelu. Karakterisointia varten kehitettiin parannettu menetelmä, ja tätä käyttäen tarkasteltiin materiaalien toimivuutta eri olosuhteissa. Mittauksessa havaittiin katodipuolen tulvimisen alkavan kaasudiffuusiokerroksessa eikä itse elektrodilta. Selvää yhteyttä fysikaalisten ominaisuuksien ja polttokennon suorituskyvyn välille ei löydetty. Epätasaisen puristuspainejakauman havaittiin aiheuttavan paikallisia eroja KDK:n aineensiirto-ominaisuuksissa, sähköisessä johtavuudessa sekä kontaktivastuksessa eri rajapinnoilla. KDK:n johtavuuden ja KDK:n ja virtauskanavalevyn välisen kontaktivastuksen määrittämiseen puristuksen funktiona kehitettiin menetelmä. Titaanisintterin toimivuutta polymeeripolttokennon kaasudiffuusiokerroksena tutkittiin vapaasti hengittävässä polttokennossa. Titaanisintterin havaittiin olevan mekaanisilta ominaisuuksiltaan sopivaa, mutta suuren hydrofiilisuuden takia sintteri oli altis tulvimiselle ja kontaktivastus sintterin ja muiden komponenttien välillä oli suuri. Natriumkloridin vaikutusta polymeeripolttokennon katodilla tutkittiin kokeellisesti ja sen havaittiin johtavan peruuttamattomaan suorituskyvyn laskuun. Natriumionit korvaavat protoneita elektrolyyttipolymeerissa ja laskevat johtavuutta. Kloridi-ionilla ei havaittu olevan vaikutusta suorituskykyyn. fi
dc.format.extent 79, [55]
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries Helsinki University of Technology publications in engineering physics. A en
dc.relation.ispartofseries 850 en
dc.relation.haspart Tuomas Mennola, Mikko Mikkola, Matti Noponen, Tero Hottinen and Peter Lund, Measurement of ohmic voltage losses in individual cells of a PEMFC stack, Journal of Power Sources 112 (1) 2002, pp. 261-272. [article1.pdf] © 2002 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Matti Noponen, Tuomas Mennola, Mikko Mikkola, Tero Hottinen and Peter Lund, Measurement of current distribution in a free-breathing PEMFC, Journal of Power Sources 106 (1-2) 2002, pp. 304-312. [article2.pdf] © 2002 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart T. Hottinen, M. Mikkola, T. Mennola and P. Lund, Titanium sinter as gas diffusion backing in PEMFC, Journal of Power Sources 118 (1-2) 2003, pp. 183-188. [article3.pdf] © 2003 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart J. Ihonen, M. Mikkola and G. Lindbergh, Flooding of gas diffusion backing in PEFCs: Physical and electrochemical characterization, Journal of The Electrochemical Society 151 (8) 2004, pp. A1152-A1161. [article4.pdf] © 2004 The Electrochemical Society (ECS). By permission.
dc.relation.haspart Iwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen and Mikko Mikkola, Inhomogeneous compression of PEMFC gas diffusion layer – Part I. Experimental, Journal of Power Sources, accepted for publication, Dec 2006. [article5.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Mikko S. Mikkola, Tommy Rockward, Bryan S. Pivovar and Francisco A. Uribe, The effect of NaCl in cathode air stream on PEMFC performance, Fuel Cells, accepted for publication, May 2006.
dc.subject.other Physics en
dc.title Studies on limiting factors of polymer electrolyte membrane fuel cell cathode performance en
dc.title Tutkimuksia polymeeripolttokennon katodin suorituskykyä rajoittavista tekijöistä fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Engineering Physics and Mathematics en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto fi
dc.subject.keyword PEMFC en
dc.subject.keyword cathode en
dc.subject.keyword porous transport layer en
dc.subject.keyword gas diffusion layer en
dc.subject.keyword water management en
dc.subject.keyword impurities en
dc.subject.keyword polymeeripolttokenno fi
dc.subject.keyword katodi fi
dc.subject.keyword kaasudiffuusiokerros fi
dc.subject.keyword vedenhallinta fi
dc.subject.keyword virrankatkaisu fi
dc.subject.keyword virrantiheysjakauma fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-009175
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.contributor.lab Laboratory of Advanced Energy Systems en
dc.contributor.lab Energiatieteet fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account