Modelling and simulation of polymer electolyte membrane electrolyzer system

Thumbnail Image

Files

master_Sääskilahti_Jaakko_2025.pdf (8.43 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Chemical Engineering | 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

2025-05-26

Department

Major/Subject

Chemical and Process Engineering

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

59

Series

Abstract

This thesis presents a steady-state model of a 50 kW polymer electrolyte membrane electrolyzer system, developed to analyze system power consumption, energy distribution wihtin the system, and the influence of balance of plant components. The model was implemented in Simulink using a data-driven approach, incorporating manufacturer data for component submodels. The stack submodel was validated against experimental measurements. The results show that system efficiency is highly sensitive to operating temperature, with higher temperatures significantly improving performance. While increased pressure slightly raised system power consumption, it also reduced chiller power consumption. At high temperatures, this reduction resulted in total energy consumption at 20 barg being comparable to that at atmospheric pressure. These findings support system pressurized operation. Furthermore, pressure was found to significantly affect the energy distribution within the system. In particular, it increased the stack’s cooling requirements, which has important implications for the design of balance of plant components and the potential for heat recovery.

Tässä diplomityössä esitetään 50 kW:n polymeerielektrolyyttikalvoon (PEM) perustuvan elektrolyyserijärjestelmän vakiotilamalli. Työn tavoitteena on analysoida järjestelmän sähkönkulutusta, energian jakautumista systeemissä sekä prosessilaitteiston vaikutusta systeemin hyötysuhteeseen. Malli toteutettiin Simulink-ympäristössä datapohjaisella lähestymistavalla, hyödyntäen valmistajien toimittamia komponenttikohtaisia teknisiä tietoja. Elektrolyyserikennoston osamalli validoitiin kokeellisten mittaustulosten perusteella. Tulokset osoittavat, että järjestelmän hyötysuhde on erittäin herkkä käyttölämpötilalle: korkeammat lämpötilat parantavat merkittävästi järjestelmän suorituskykyä. Vaikka paineen nostaminen lisäsi hieman järjestelmän kokonaisenergiankulutusta, se samalla pienensi jäähdyttimen tehontarvetta. Korkeissa lämpötiloissa tämä kompensaatio johti siihen, että kokonaisenergiankulutus 20 barg paineessa oli verrattavissa energiankulutukseen ilmanpaineessa. Tulokset tukevat paineistetun operoinnin hyödyllisyyttä PEM-elektrolyyserijärjestelmissä. Lisäksi paineen havaittiin vaikuttavan merkittävästi energian jakautumiseen systeemissä. Erityisesti se lisäsi elektrolyyserikennoston jäähdytystarvetta, mikä on keskeinen suure prosessilaitteiston mitoituksessa sekä prosessilämmön talteenotossa.

Description

Supervisor

Himanen, Olli

Thesis advisor

Nikiforow, Kaj

Keywords

hydrogen production, PEM electrolyzer, system-level modeling, balance of plant, green hydrogen, energy efficiency

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202506104461

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM