Development and characterization of a thermoelectric generator for a fuel cell system
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan 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
2021-05-18
Department
Major/Subject
Chemical and Process Engineering
Mcode
CHEM3043
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
72 + 1
Series
Abstract
This master’s thesis is a part of project European methanol powered fuel cell CHP (EMPOWER) where a methanol fuelled 5 kWe mini-CHP based on high-temperature proton-exchange membrane fuel cell (HT-PEMFC) is developed with a system efficiency aim of >50 %. The goal of this work was to study the feasibility of a thermoelectric generator (TEG) subsystem that could increase the CHP system efficiency by 1.5 percentage points (pp) by utilizing the waste heat generated in the HT PEMFC. Approximately 5 kW of waste heat is to be utilized for the TEG subsystem with a temperature of 170-180 °C. Three commercial TEG module models, 5 units of each, were examined separately by connecting them electrically in series and thermally in parallel. The main selection criteria were kept in low-temperature modules (<200 °C) and in amount of heat flux through the modules. The TEG subsystem was designed for 500 W of waste heat (100 W for a single module), that is 10 % of the waste heat in the 5 kWe mini-CHP unit. The TEG modules were compressed between two aluminium manifolds with counter-current heat carrier flows. Four different types of experiments were carried out for studying the performance of the modules based on the adjustable variable: load resistance, hot side temperature, cold side flow rate, and compression pressure. The obtained output powers did not come up to expected values reported by the manufacturers. The main reason lies in too low applied compression pressure on the modules, which ensued from a defective pair of manifolds, that caused the damage of several TEG modules. A 0.65 pp gain in system efficiency was achieved with 5-TEG-arrays. An increment of 1.45 pp is possible if all modules in the array would function as the best experimented one. Hence, the targeted gain of 1.5 pp (and even higher) seems reachable if a proper compression pressure is applied on the modules. A tenfold and a hundredfold scale-ups of the TEG subsystem were designed with the main weight in proper clamping, compactness, and uniform thermal distribution. The estimated costs were 2000 € & 15 000 €, equalling to 13 % & 30 % of the total cost targets of 5 & 50 kWe CHP units, respectively. As a conclusion, TEGs do not seem to add a significant value in terms of investment cost/output power ratio. However, due to their high reliability, they are cost-effective to operate. TEGs have a big potential in the future, as new effective thermoelectric materials and structures are continuously studied.Tämä diplomityö on osa EMPOWER-projektia (European methanol powered fuel cell CHP), jonka tavoitteena on kehittää 5 kWe:n suuruinen CHP-yksikkö (combined heat and power) korkealämpötilaprotoninvaihtopolttokennoon (HT-PEMFC) perusten yli 50 %:n hyötysuhteella. Tämän työn tavoitteena oli tutkia lämpösähköistä generaattoriyksikköä, joka voisi nostaa järjestelmän kokonaishyötysuhdetta jopa 1,5 %-yksikköä polttokennon hukkalämpöä hyödyntämällä. Hyödynnettävän hukkalämmön määrä on noin 5 kW ja lämpötila 170-180 °C. Kolmea kaupallista TEG moduulimallia, jokaista 5 kappaletta, tutkittiin liittämällä ne sähköisesti sarjaan ja termisesti rinnakkain viiden moduulin pituisina jonoina. Pääasialliset valintakriteerit olivat matalalämpöisissä (<200 °C) moduuleissa sekä moduulien läpi virtaavassa lämpövuossa. TEG-yksikkö suunniteltiin 500 W:n lämpövuolle (100 W yhtä moduulia kohden), joka on 10 %:a 5 kWe CHP-yksikön hukkalämmön määrästä. TEG moduuleja puristettiin asettamalla ne kahden vastakkaisvirtaisen alumiinisen lämmönjakotukin väliin. Valituille moduuleille suoritettiin neljä erilaista koetyyppiä perustuen säädettävään muuttujaan: kuorman resistanssi, kuuman puolen lämpötila, kylmän puolen virtausmäärä sekä puristuspaine. Saavutetut sähkötehot eivät vastanneet odotettuja valmistajien ilmoittamia arvoja. Suurin syy tähän oli alhainen moduuleihin kohdistuva puristuspaine, jonka vaikutus sähkötehon tuottoon aliarvioitiin muutaman rikkoutuneen TEG moduulin takia johtuen lievästi viallisesta lämmönjakotukista. Parhaimmillaan saavutettiin 0,65 %-yksikön kokonaishyötysuhteen parannus viiden TEG moduulin jonoilla. Noin 1,45 %-yksikön parannus olisi mahdollinen, mikäli TEG-jonossa kaikki moduulit suoriutuisivat samoin kuin parhaiten suoriutunut moduuli. Tavoiteltu 1,5 %-yksikön parannus näyttää olevan hyvinkin saavutettavissa, mikäli TEG moduuleja puristettaisiin riittävällä, selvästi suuremmalla voimalla. Työssä käytetty koelaitteisto skaalattiin kymmen- ja satakertaiseksi 5 & 50 kWe CHP-yksikköjä varten. Pääpaino suunnittelussa oli kunnollisessa puristuksessa, kompaktiudessa sekä lämmön tasaisessa jakamisessa. Arvioidut hinnat skaalatulle TEG-järjestelmille ovat 2000 € & 15 000 €, jotka vastaavat 13 % & 30 % koko CHP-yksiköiden tavoitehinnoista. Kaikkiaan, TEGit eivät näytä siis tuovan huomattavaa lisäarvoa, mutta ovat kuitenkin edullisia käyttökustannusten osalta toimintavarmuutensa takia. TEG:eissä on myös paljon potentiaalia tulevaisuudessa, koska uusia ja tehokkaampia lämpösähköisiä materiaaleja sekä rakenteita tutkitaan enenevissä määrin.Description
Supervisor
Alopaeus, VilleThesis advisor
Tallgren, JohanNikiforow, Kaj
Keywords
thermoelectric generator, TEG, Seebeck effect, fuel cell, HT-PEMFC