Development and commissioning of a proton exchange membrane electrolyzer stack test station
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Sustainable Energy Conversion Processes
Mcode
ENG3069
Degree programme
Master's Programme in Advanced Energy Solutions (AAE)
Language
en
Pages
73
Series
Abstract
The goal of the master’s thesis is to develop and commission a proton exchange membrane electrolyzer stack test station, and the thesis consists of four parts. However, the test station was not commissioned within the time of the thesis. The first part is a literature review that presents the operation of the proton exchange membrane electrolysis cell, the relationship between voltage and electric current, the transport of hydrogen, oxygen, and water between the cell's anode and cathode. It also presents a general proton exchange membrane electrolysis configuration and information about hydrogen safety. The second part presents the process parts of the test station and the proton exchange membrane electrolyzer stacks. The process parts of the test station are the hydrogen production line, the oxygen production line, the ultra-pure water supply line, the power supply and the nitrogen supply line. Two identical 0,6 kW proton exchange membrane stacks will be tested in the test station. The third part presents legislation, design calculations, and testing of a condensation storage tank on the hydrogen production line which is a pressure vessel. For the design calculations, fabrication and testing of the pressure vessel, parts 1, 2, 3, 4 and 5 of the European standard EN 13445 for unfired pressure vessels were applied and mechanical engineering design books. The wall thickness calculations were calculated without the influence of welded sockets or pipes. The pressure vessel was constructed from 3,6 mm thick DN65 pipe and two 3,0 mm thick Kloepper end caps. The pressure vessel was tested by a visual inspection, a radiographic inspection, a liquid penetrant inspection and a liquid pressure test. A liquid pressure test proceeded at 60 bar for more than 30 min without any signs of deformation or plastic yielding. The fourth part presents the test plan for the proton exchange membrane electrolyser stack test station's commissioning tests. According to the test plan, the tests are to be performed in a safety and station-saving sequence. The final commissioning test is a polarisation curve test on stacks. The station can be considered commissioned when the polarisation curve characterisation test is performed without hazards.Työn tavoite on kehittää ja käyttöönottaa protoninvaihtomembraanielektrolyyserikennostotestiasema, ja työ koostuu neljästä osasta. Testiasemaa ei saatu diplomityön aikana käyttöönotettua. Ensimmäinen osa on kirjallisuuskatsaus, joka esittelee sen protoninvaihtomembraanielektrolyyserikennon toimintaa ja jännitteen sekä sähkövirran välistä suhdetta. Kirjallisuuskatsaus esittelee myös vedyn, hapen ja veden kulkeutumista kennon anodin ja katodin välillä, vetyturvallisuutta ja tyypillistä protoninvaihtomembraanielektrolyyserin prosessia sekä kokoonpanoa. Toinen osa esittelee testiaseman prosessinosat ja protoninvaihtomembraanielektrolyyserikennostot. Testiaseman prosessinosat ovat vedyn tuotanto, hapentuotanto, vedensyöttö, tehonsyöttö ja typensyöttö. Testiasemalla testataan kahta identtistä 0,6 kW protoninvaihtomembraanikennostoa. Kolmas osa esittelee aseman painesäiliön, joka toimii kondenssiveden säiliönä vedyntuotantolinjalla. Osiossa käsitellään painesäiliöön liittyvää lainsäädäntöä, suunnittelua ja testausta. Painesäiliön suunnitteluun, rakentamiseen ja testaukseen hyödynnettiin lämmittämättömien painesäiliöiden kansainvälisen standardin EN 13445 osia 1, 2, 3, 4 ja 5 sekä kahta konetekniikan kirjaa. Painesäiliösuunnittelussa on laskettu seinämän paksuus säiliön sylinterimäiselle kuorelle sekä säiliön päille ilman hitsattujen muhvien tai putkien vaikutusta seinämän paksuuteen. Säiliö rakennettiin 3,6 mm paksusta DN65 putkesta sekä kahdesta 3,0 mm paksuisesta Kloepper-muotoisesta putkipäädystä. Painesäiliö tarkastettiin visuaalinen tarkastusksella, radiografisella tarkastuksella, tunkeumanestetarkastuksella sekä nestepainetekokeella, joka toteutettiin 60 baarin paineessa yli 30min ajan ilman muodonmuutoksia. Neljäs osa esittelee testisuunnitelman protoninvaihtomembraanielektrolyyserikennostotestiaseman käyttöönottotesteille. Testisuunnitelman mukaan testit tulee suorittaa turvallisuutta priorisoivassa sekä asemaa säästävässä järjestyksellä. Käyttöönottotestien viimeiseksi suoritetaan kennoille polarisaatiokäyrätesti. Asema on käyttöönotettu, kun polarisaatiokäyräkarakterisointi-testi ilman häiriöitä.Description
Supervisor
Himanen, OlliThesis advisor
Saxelin, SanteriWong Hämäläinen, Regis
Keywords
proton exchange membrane, hydrogen, electrolyzer, pressure vessel