Experimental Studies and Simulations on Proton Exchange Membrane Fuel Cell Based Energy Storage Systems

Abstract

Tämän työn tavoitteina oli arvioida, miten pienet PEM polttokennot soveltuvat kausivarastointiin ja antaa ohjeita niiden asianmukaiselle käytölle kyseisissä järjestelmissä. Lisäksi työssä annetaan ohjeita PEM polttokennon suunnittelua varten.

Kahden erilaisen kausivaraston, omavaraisen ja polttokennokausivaraston, ominaisuuksia arvioitiin simulaatio-ohjelman H2Photo avulla. Simulaatiot osoittivat, että polttokennon elinikä on tärkeä kustannustekijä, silloin kun polttokennot ovat kalliita ja projektin riski alhainen. Huoltokäyntien määrällä on vaikutusta, jos järjestelmän kustannusodotukset toteutuvat. Lisäksi projektin riskin ollessa korkea investointikustannusten merkitys kasvoi.

Suositukset PEM-polttokennoa varten laadittiin H2Photolla tehtyjen simulaatioiden sekä kaupallisen polttokennostackin mittausten perusteella. Mittauksissa käytettiin BCS Tech., Inc.in valmistamaa PEM-polttokennoa. Mittausten tarkoituksena oli myös löytää PEM-polttokennomalli H2Photoa varten.

Neljän eri virta-jännite -mallia soveltuvat BCS polttokennon mallintamiseen tutkittiin. Mallit olivat lämpötilakorjattu Tafel-malli, Ballard Mark IV-malli, fosforihappopolttokennomalli ja tekijän modifioima Tafel-malli. Tekijän modifioima Tafel-malli valittiin simulointiohjelmaan.

Mittaukset osoittivat, että BCS-polttokennon toimintaan vaikutti eniten kosteudenhallinta. Kun polttokenno toimi konvektion avulla ja virrantiheys oli pieni, ongelmana oli tulviminen. Vastaavasti kun tuuletinta käytettiin, oli ongelmana kuivuminen. Lisäksi anodipuolen virtauskanaviston rakenne ei ollut optimaalinen kosteudenhallinnan kannalta.

Tulevaisuudessa polttokennon kustannukset on huomioitava aikaisempaa huolellisemmin. Vapaastihengittävän polttokennon tapauksessa puhallin saattaa olla tarpeellinen kosteudenhallintaa varten. Lisäksi tulisi selvittää onko vedyn rinnakkainen virtausgeometria edullinen polttokennon toiminnalle.