Hydrogen-Hydrogen Cell as Research Tool for Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Helsinki University of Technology |
Diplomityö
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Authors
Date
2003
Major/Subject
Ydin- ja energiatekniikka
Mcode
Tfy-56
Degree programme
Language
en
Pages
61
Series
Abstract
Fuel cells are assumed to be one of the main building blocks of the hydrogen based energy economy of the future. Fuel cells convert the chemical energy of a fuel directly into electricity and heat with high efficiency. There are different types of fuel cells, but this thesis is focused on polymer electrolyte membrane fuel cell (PEMFC). The conductivity of polymer membrane, which is used as an electrolyte material in PEMFC, depends on the hydration level. On the other hand, excess water may cover the electrode surfaces, which decreases the performance of the cell. These two opposite requirements mean that the water management of a PEMFC is very important in the optimization of the cell. In this thesis, the water transport properties of a polymer membrane were studied both theoretically and experimentally using a hydrogen-hydrogen cell. A hydrogen-hydrogen cell is an electrochemical device, which is usually used as a hydrogen compressor. The components and structure of a hydrogen-hydrogen cell are similar to PEMFC. Moreover, the interacting species in the polymer membrane, protons, water molecules and sulfonated polymer, are the same. In this thesis, a mathematical model for the proton and water transport in polymer membranes was developed. The model was based on the Maxwell-Stefan diffusion equations, driving forces were gradients of chemical and electrical potential and pressure gradient. The gradient of chemical potential included the activity term and the gradient of molar fraction. The model was simplified to study only water transport in the membrane without gradient of pressure and electric potential. The model was three-dimensional and its parameters were temperature-dependent. Another mathematical model was developed in order to get information on two-dimensional effects in the hydrogen-hydrogen cell. The hydrogen-hydrogen cell model showed that the membrane can be assumed to be isothermal and that the water transport model can be reduced in to one dimension. Water transport in the membrane was studied experimentally in order to validate the water transport model and to obtain values for the activity parameters and effective diffusion coefficient. Measurements were conducted with a hydrogen-hydrogen cell and water capture system. Values for the transport parameters were obtained by fitting the model into measurement data. Error estimates of the parameters were large, but the model matched to measurements results quite well. As a result of the water transport measurements and modelling studies of this thesis, hydrogen-hydrogen cell was found to be a useful tool for PEMFC research.Polttokennojen oletetaan olevan yksi tärkeimmistä komponenteista tulevaisuuden vedyn käyttöön pohjautuvassa energiataloudessa. Polttokennot muuntavat polttoaineen kemiallisen energian sähköksi ja lämmöksi hyvällä hyötysuhteella. Polttokennoja on useita eri tyyppejä, mutta tässä työssä käsitellään ainoastaan polymeeripolttokennoa. Polymeeripolttokennon elektrolyyttimateriaalina käytetyn polymeerimembraanin protonijohtavuus on sitä suurempi mitä kosteampi elektrolyytti on. Toisaalta liiallinen vesi saattaa peittää elektrodipintoja ja täten haitata reaktanttien kulkeutumista reaktiopinnalle, mikä huonontaa kennon suorituskykyä. Näiden kahden vastakkaisen vaatimuksen vuoksi polymeeripolttokennon vedenhallinnalla on tärkeä rooli kennon suorituskyvyn optimoinnissa. Tässä työssä tutkittiin polymeerimembraanin vedenkuljetusominaisuuksia teoreettisesti ja kokeellisesti. Kokeelliset mittaukset suoritettiin käyttäen vety-vetykennoa. Vety-vetykenno on sähkökemiallinen laite. jota käytetään pääasiassa vetykompressorina. Vety-vetykennon komponentit ja rakenne ovat samat kuin polymeeripolttokennossa. Erityisesti polymeerimembraanissa vuorovaikuttavat komponentit ovat samat eli vesi, protonit ja sulfonoitu polymeeri. Työssä johdettiin matemaattinen malli kuvaamaan veden ja prolonien kuljetusta polymeerimembraanissa. Malli perustuu Maxwell-Stefan diffuusioyhtälöihin. Diffuusiota ajavina voimina on huomioitu paineen ja kemiallisen potentiaalin gradientit sekä sähkövirta. Kemiallisen potentiaalin gradientissa huomioitiin aktiivisuustermi ja mooliosuusgradientti. Mallia yksinkertaistettiin mittausjärjestelyn ja sovituksen helpottamiseksi kuvaamaan vedenkuljetusta ilman sähkövirtaa ja painegradienttia. Malli oli kolmiulotteinen ja sen parametrit olivat lämpötilan funktioita. Vety-vetykennossa mahdollisesti olevien kaksiulotteisten ilmivoiden tutkimiseksi kehitettiin toinen malli. Tämä malli osoitti, että vety-vetykennossa oleva polymeerimembraani voidaan käsitellä isotermisenä ja että vedenkuljetusmalli voidaan redusoida yksiulotteiseksi. Vedenkuljetusta tutkittiin kokeellisesti vedenkuljetusmallin verifioimiseksi ja mallissa olevien kuljetusparametrien määrittämiseksi. Mittaukset suoritettiin käyttäen vety-vetykennoa ja vedenkaappausjärjestelmää. Kuljetusparametreille saatiin arvot sovittamalla vedenkuljetusmalli mittaustuloksiin. Tuloksena saatujen parametrien virherajat olivat hyvin suuret, mutta siitä huolimalta malli vastasi hyvin mittaustuloksia. Työssä tehtyjen vedenkuljetusmittausten ja mallinnuksen tuloksena voidaan todeta vety-vetykennon olevan käyttökelpoinen työkalu polymeeripolttokennotutkimukselle.Description
Supervisor
Lund, PeterThesis advisor
Noponen, MattiKeywords
hydrogen-hydrogen cell, vety-vetykenno, water transport, veden kuljetus, PEMFC, polymeeripolttokenno