Design and testing of an existing proton exchange membrane fuel cell test bench for measurements of automotive-type stacks
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2020-10-19
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
60 + 7
Series
Abstract
Proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is an electrochemical device that produces electricity from hydrogen and oxygen, having heat and water as by-products. PEMFC is an interesting power source for vehicles due to high power density, fast start-up and low to zero emissions. The purpose of this work was to further develop a PEMFC test bench. The reason for the modification was to achieve operating conditions that mimic the real-life application conditions for automotive-type PEMFC. Thus, the main goal in the modification was to enable pressurization of the reactants up to ≈ 1 bar(g). The test bench operation was verified after the modification by testing a 50-cell prototype S2 Powercell PEMFC in it. Two polarization curves were acquired, at low pressure and at high pressure. The aim was to study how the pressurization of the reactants affect 1) the power output of PEMFC and 2) the total efficiency of the system. The power output of PEMFC was increased in pressurized operation. 0.65 bar pressure increase of hydrogen and air resulted in power increase of 0.24 kW and 0.28 kW at load currents of 140 A and 180 A, respectively. The total efficiencies were lower in high pressure than in low pressure. The poorer efficiencies of high pressure operation are explained by increased power consumption of Balance of Plant components, mainly the air compressor. The maximum total efficiencies were 44 % and 38 % for low pressure and high pressure operation, respectively. In high pressure operation, individual cell voltages tended to drop. This was due to water droplets accumulating in the PEMFC. Using a larger air flow rate would help, but the drawback is increased power consumption of the air compressor. In the future, an automated air pressure pulse done by the back pressure regulator could be implemented to the test bench to solve the water accumulation issue.Protoninvaihtopolttokenno (PEMFC) on sähkökemiallinen laite, joka tuottaa sähköä vedystä ja hapesta. Sivutuotteet ovat lämpö ja vesi. PEMFC on kiinnostava tehonlähde ajoneuvoihin, koska se on (lähes) päästötön. Lisäksi se on nopea käynnistymään ja sillä on hyvä tehotiheys. Tämän työn tarkoitus oli kehittää PEMFC testiasemaa. Testiasemaa haluttiin muokata, jotta siinä olisi mahdollista testata ajoneuvoihin tarkoitettuja kennostoja olosuhteissa, jotka vastaavat todellisia käyttöolosuhteita. Päätavoite oli mahdollistaa reaktanttien paineistus noin 1 bar(g) asti. Testiaseman toimivuus varmistettiin muokkauksen jälkeen testaamalla siinä 50-kennoista prototyyppi S2 Powercell PEMFCiä. Tätä varten ajettiin kaksi polarisaatiokäyrää, joista toinen matalassa paineessa ja toinen korkeassa paineessa. Tarkoitus oli tutkia, miten reaktanttien paineistus vaikuttaa 1) kennoston tehontuottoon ja 2) systeemin kokonaishyötysuhteeseen. Kennoston tehontuotto oli korkeampi korkeassa paineessa. Kun vedyn ja ilman painetta nostettiin 0.65 bar, kennoston tehontuotto kasvoi 0.24 kW ja 0.28 kW sähkövirroilla 140 A ja 180 A, vastaavasti. Kokonaishyötysuhteet olivat matalampia korkeassa paineessa kuin matalassa paineessa. Huonommat hyötysuhteet korkeassa paineessa johtuivat tukilaitteiston, lähinnä ilmakompressorin, kasvaneesta tehonkulutuksesta. Maksimihyötysuhteet olivat 44 % matalassa paineessa ja 38 % korkeassa paineessa. Yksittäiset kennojännitteet laskivat korkeassa paineessa. Tämä johtui vesipisaroiden kertymisestä kennostoon. Suurempi ilmavirtaus poistaisi vesipisaroita tehokkaammin, mutta haittana on suurempi ilmakompressorin tehonkulutus. Tulevaisuudessa testiasemaan voisi lisätä takapaineensäätimellä tehtävän automatisoidun ilman painepulssin poistamaan vesipisaroita kennostosta.Description
Supervisor
Santasalo-Aarnio, AnnukkaThesis advisor
Viitakangas, JaanaKeywords
PEMFC, test bench, pressurization, automotive