Characterization of transport phenomena in small polymer electrolyte membrane fuel cells

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Himanen, Olli
dc.date.accessioned 2012-02-24T09:00:59Z
dc.date.available 2012-02-24T09:00:59Z
dc.date.issued 2008-02-01
dc.identifier.isbn 978-951-22-9147-2
dc.identifier.issn 1795-4584
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2992
dc.description.abstract In small fuel cell systems, energy consumption and size of auxiliary devices should be minimized. One option is to use passive controlling methods that rely on material and structural solutions. Therefore it is important to understand transport phenomena occurring in the cells. In this thesis, charge, mass, and heat transport phenomena related to small PEMFCs were studied experimentally and by modeling. A new method was developed for the characterization of water transport properties of polymer electrolyte membrane under realistic operating conditions. The method was used to evaluate the diffusion coefficient of water in the membrane. Due to channel-rib structure, cell components are inhomogeneously compressed. Charge and mass transport parameters were experimentally evaluated as a function of compression. The effect of inhomogeneous compression on cell operation was studied by modeling. Inhomogeneous compression does not significantly affect the polarization behavior of the cell, but it creates uneven current and temperature distributions inside the cell. This affects both cell performance and life-time and should not be ignored in cell design and modeling. The operation of a free-breathing PEMFC was studied at subzero temperatures. To be able to operate at low temperatures, current density must be high enough to avoid freezing of reactant product water inside the cell. Start-up at cold temperatures requires active heating. To maximize fuel efficiency, the operation of a free-breathing PEMFC in dead end mode was investigated. Dead ended operation with periodic purging enables high fuel utilization rate and the test cell operated without significant water management problems or performance loss. en
dc.description.abstract Pienissä polttokennojärjestelmissä on tärkeää minimoida oheisjärjestelmien koko ja energiankulutus, jonka vuoksi kennon ohjauksessa pyritään käyttämään passiivisia järjestelmiä. Passiivinen ohjaus perustuu materiaali- ja rakenneratkaisuihin, joten suunnittelu- ja kehitystyön kannalta kennossa tapahtuvien kuljetusilmiöiden tunteminen on tärkeää. Tässä työssä tutkittiiin polymeeripolttokennossa tapahtuvia aineen-, varauksen- ja lämmönsiirtoilmiöitä kokeellisesti ja mallintamalla. Elektrolyyttinä käytettävän polymeerimembraanin vedenkuljetusominaisuuksien tutkimiseen kehitettiin uusi menetelmä, jonka tuloksena ominaisuudet pystytään määrittämään todellisissa toimintaolosuhteissa. Menetelmällä määritettiin veden diffuusiokerroin polymeerimembraanissa. Polymeeripolttokennon virtauskanaviston rakenne aiheuttaa kennon komponentteihin epätasaisen puristuksen. Aineen- ja varauksensiirtoa kuvaavien parametrien riippuvuus puristuksesta määritettiin kokeellisesti ja ilmiön vaikutukset kennon toimintaan selvitettiin mallintamalla. Epätasainen puristuma ei vaikuta merkittävästi kennon polarisaatiokäyttäytymiseen, mutta aiheuttaa epätasaiset virta- ja lämpötilajakaumat kennon sisälle. Ilmiöllä on tärkeä merkitys kennon suorituskyvyn ja eliniän kannalta ja se täytyy huomioida kennosuunnittelussa ja mallintamisessa. Vapaastihengittävän polymeeripolttokennon toimintaa tutkittiiin kylmissä olosuhteissa. Kennon toiminta kylmässä edellyttää riittävän suurta virrantiheyttä ja lämmöntuottoa estämään veden jäätyminen kennon sisällä. Kylmäkäynnistys edellyttää matalassa lämpötilassa erillistä kuumennusjärjestelmää. Vapaastihengittävän kennon toimintaa testattiin korkealla polttoaineen käyttöasteella hyötysuhteen maksimoimiseksi. Kenno toimi korkeilla polttoaineen käyttöasteilla ilman merkittäviä vedenhallintaongelmia tai suorituskyvyn alenemista. fi
dc.format.extent 60, [74]
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 TKK dissertations en
dc.relation.ispartofseries 101 en
dc.relation.haspart Olli Himanen, Tero Hottinen, Mikko Mikkola, Ville Saarinen, Characterization of membrane electrode assembly with hydrogen–hydrogen cell and ac-impedance spectroscopy Part I. Experimental, Electrochimica Acta 52, pp. 206-214, 2006. [article1.pdf] © 2006 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Olli Himanen, Tero Hottinen, Characterization of membrane–electrode assembly with hydrogen–hydrogen cell and ac-impedance spectroscopy Part II. Modeling, Electrochimica Acta 52, pp. 581-588, 2006. [article2.pdf] © 2006 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Olli Himanen, Tero Hottinen, Saara Tuurala, Operation of a planar free-breathing PEMFC in a dead-end mode, Electrochemistry Communications 9, pp. 891-894, 2007. [article3.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Tero Hottinen, Olli Himanen, Peter Lund, Performance of planar free-breathing PEMFC at temperatures below freezing, Journal of Power Sources 154, pp. 86-94, 2006. [article4.pdf] © 2006 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Iwao Nitta, Tero Hottinen, Olli Himanen, Mikko Mikkola, Inhomogeneous compression of PEMFC gas diffusion layer Part I. Experimental, Journal of Power Sources 171, pp. 26-36, 2007. [article5.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Tero Hottinen, Olli Himanen, Suvi Karvonen, Iwao Nitta, Inhomogeneous compression of PEMFC gas diffusion layer Part II. Modeling the effect, Journal of Power Sources 171, pp. 113-121, 2007. [article6.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.relation.haspart Tero Hottinen, Olli Himanen, PEMFC temperature distribution caused by inhomogeneous compression of GDL, Electrochemistry Communications 9, pp. 1047-1052, 2007. [article7.pdf] © 2007 Elsevier Science. By permission.
dc.subject.other Chemistry en
dc.subject.other Energy en
dc.title Characterization of transport phenomena in small polymer electrolyte membrane fuel cells en
dc.title Pienten polymeeripolttokennojen kuljetusilmiöiden karakterisointi fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.school Faculty of Information and Natural Sciences en
dc.contributor.school Informaatio- ja luonnontieteiden tiedekunta fi
dc.contributor.department Department of Engineering Physics en
dc.contributor.department Teknillisen fysiikan laitos fi
dc.subject.keyword PEMFC en
dc.subject.keyword transport phenomena en
dc.subject.keyword membrane en
dc.subject.keyword water management en
dc.subject.keyword free-breathing en
dc.subject.keyword polymeeripolttokenno fi
dc.subject.keyword kuljetusilmiöt fi
dc.subject.keyword membraani fi
dc.subject.keyword vedenhallinta fi
dc.subject.keyword vapaastihengittävä fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-011207
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en


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