Characterization of transport phenomena in small polymer electrolyte membrane fuel cells
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Faculty of Information and Natural Sciences |
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
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
2008-02-01
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
60, [74]
Series
TKK dissertations, 101
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.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.Description
Keywords
PEMFC, transport phenomena, membrane, water management, free-breathing, polymeeripolttokenno, kuljetusilmiöt, membraani, vedenhallinta, vapaastihengittävä
Other note
Parts
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.