Hydrogen supply in proton exchange membrane fuel cell systems

Abstract

Proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) are a fuel cell type that operate at low temperature and are commonly fueled with hydrogen gas. A PEMFC is seen as a promising power source for various applications including road vehicles, marine vessels, backup power, and grid balancing. Commercial PEMFC products are already available. The main factors limiting their widespread use are the lack of an extensive hydrogen distribution network, their price, and their durability.

To work efficiently, a PEMFC requires a set of components for fuel supply, oxidant supply, and cooling. This set of components is called the balance of plant (BoP). The PEMFC and the BoP together form a PEMFC system. The BoP contributes to a substantial fraction of the total system price and considerably affects system performance and durability.

This thesis examines the hydrogen supply in PEMFC systems with electrical power in the range 5 to 50 kW. In particular, components and methods for realizing hydrogen purge, hydrogen humidification, and hydrogen recirculation are evaluated theoretically and experimentally. Effort is put on examining solutions that improve system efficiency and durability while decreasing cost.

Hydrogen purge is a widely used approach for removing impurities and liquid water from a dead-end anode. In this work, methods for determining PEMFC membrane permeability, fuel purity, as well as the amount and composition of purged gas are developed and demonstrated. These methods can be used as inidicators of fuel supply or PEMFC system malfunctioning. Further, the effects of hydrogen purge on an 8 kW PEMFC system performance are studied by varying the cathode inlet humidity. Results show that PEMFC stack efficiency improves by 0.7% when increasing cathode inlet dew point temperature from 52 °C to 58 °C. The role of the purge shifts at these high-humidity conditions from impurity removal towards liquid water removal.

A humidifier can be employed to increase the anode inlet gas humidity and, consequently, to increase the PEMFC efficiency and durability. In this work, a bubble humidifier for a 50 kW PEMFC pilot plant using PEMFC stack waste heat is modelled and characterized. One commonly cited disadvantage of a bubble humidifier is the high hydrostatic pressure drop. The modelling results suggest that efficient humidification is achieved with only 5 mbar hydrostatic pressure drop.

Hydrogen recirculation is commonly applied to increase the gas flow velocity in a PEMFC. Ejectors have attracted attention because of their low price and high durability compared to mechanical pumps. However, ejector sizing and control still lack established methods. In this work, a 2-dimensional (2D) computational fluid dynamics (CFD) modelling approach for ejectors is validated against experimental data using three different turbulence models. In addition, a discrete control system for ejector is developed. Finally, the low-price and robust combination of a single fixed geometry ejector and a discrete control system is tested with a 5 kW PEMFC system by performing load transients from 2 kW to 4 kW within a fraction of a second.

Protoninvaihtopolttokenno (PEMFC) on polttokennotyyppi, joka toimii matalassa lämpötilassa ja käyttää polttoaineena vetykaasua. PEMFC:tä pidetään lupaavana teholähteenä moneen sovellukseen, mm. tieliikenteeseen, laivoihin, varavoimasovelluksiin ja sähköverkon vakautukseen. Kaupallisia tuotteita on jo saatavilla. Tärkeimmät PEMFC:iden yleistymistä rajoittavat tekijät ovat kattavan vetyjakeluverkoston puuttuminen sekä PEMFC:iden hinta ja kestävyys.

Toimiakseen tehokkaasti, PEMFC tarvitsee joukon komponentteja polttoaineensyöttöön, hapettimensyöttöön ja jäähdytykseen. Näistä komponenteista käytetään englanninkielistä nimitystä balance of plant (BoP). Yhdessä PEMFC:n kanssa BoP-komponentit muodostavat PEMFC-järjestelmän. BoP-komponentit muodostavat merkittävän osan PEMFC-järjestelmän hinnasta ja ne vaikuttavat keskeisesti PEMFC-järjestelmän suorituskykyyn ja kestävyyteen.

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan vedyn syöttöä 5-50 kW PEMFC-järjestelmissä. Erityisesti arvioidaan teoreettisesti ja kokeellisesti komponentteja ja menetelmiä vetyhuuhtelun, vedyn kostutuksen ja vedyn kierrätyksen toteuttamiseksi. Pyrkimyksenä on tarkastella ratkaisuja, jotka parantavat järjestelmän hyötysuhdetta ja kestävyyttä mutta laskevat sen hintaa.

Vetyhuuhtelua käytetään poistamaan epäpuhtauksia ja nestemäistä vettä anodilta umpiperäisissä järjestelmissä. Tässä työssä kehitetään menetelmiä, joilla PEMFC:n membraanin kaasunläpäisevyys, polttoaineen puhtaus sekä vetyhuuhtelun määrä ja koostumus pystytään määrittämään. Näitä menetelmiä voidaan käyttää vedynsyötön tai PEMFC-järjestelmän toimintahäiriön indikaattoreina. Lisäksi, vetyhuuhtelun vaikutuksia 8 kW PEMFC-järjestelmän suorituskykyyn tutkitaan varioimalla syötetyn ilman kosteutta. Tulokset osoittavat että PEMFC kennoston hyötysuhde paranee 0,7 % nostamalla ilman kastepiste 52 °C:sta 58 °C:een. Vetyhuuhtelun päätehtävä muuttuu korkealla kosteustasolla epäpuhtauksien poistamisesta nestemäisen veden poistamiseen.

PEMFC:lle syötettävä vety voidaan kostuttaa kostuttimen avulla ja siten parantaa PEMFC:n hyötysuhdetta ja kestävyyttä. Tässä työssä 50 kW PEMFC-järjestelmälle tarkoitettu ja sen hukkalämpöä käyttävä kuplakostutin karakterisoidaan ja mallinnetaan. Kuplakostuttimen merkittävimpänä haittana pidetään sen korkeaa hydrostaattista painehäviötä. Mallinnustulokset kuitenkin osoittavat, että tehokas kostutus voidaan saavuttaa vain 5 mbar hydrostaattisella painehäviöllä.

Vedyn kierrätystä käytetään PEMFC-järjestelmissä lisäämään kaasun virtausnopeutta virtauska-navissa. Mielenkiinto ejektoreita kohtaan on lisääntynyt sillä ne ovat halvempia ja kestävämpiä kuin mekaaniset pumput. Tässä työssä verrataan 2-uloitteisen numeerisen virtausdynamiikkamallin (CFD) ja kolmen eri turbulenssimallin ennusteita mittaustuloksiin. Lisäksi kehitetään diskreetti ejektorinsäätömenetelmä. Lopuksi diskreetin säätömenetelmän ja ejektorin yhdistelmää kokeillaan 5 kW PEMFC-järjestelmässä nostamalla PEMFC-järjestelmän sähköteho kahdesta neljään kilo-wattiin sekunnin murto-osassa.