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Characterization of the Performance of PEM Water Electrolysis Cells operating with and without Flow Channels, based on Experimentally Validated Semi-empirical Coupled-Physics Models

Charakterisierung der Leistungsfähigkeit von PEM-Wasser-Elektrolysezellen, die mit und ohne Strömungskanäle arbeiten, basierend auf experimentell validierten semi-empirischen gekoppelten physikalischen Modellen
 
: Ojong, Tabu Emile
: Krautz, Hans-Joachim; Berg, Heinz Peter

:
Volltext urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46504 (7.4 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: e29ac4353cd6d504bbf27b5ff91075d4
Erstellt am: 11.9.2019


Cottbus-Senftenberg, 2018, XXV, 146 S.
Cottbus-Senftenberg, TU, Diss., 2018
Englisch
Dissertation, Elektronische Publikation
Fraunhofer ISE ()

Abstract
PEM water electrolysis is a clean and efficient conversion technology for hydrogen production and energy storage, especially when coupled with renewable energy sources. In spite of its many advantages, the high component and cell manufacturing costs of the conventional PEM electrolysis cell makes the PEM water electrolysis technology commercially less competitive vis-à-vis its peers. An alternative and cost effective cell design has been proposed which has up to a 25 % costs advantage over the conventional cell. In this alternative cell design, the flow channel plate which bears the most material costs in the conventional cell design has been replaced with a 3-D Porous Transport Layer (PTL) structure. While both designs perform comparably the same at low to mid current density (0 – 2 A/cm²), it has been observed that the conventional cell by far out performs the low cost cell at high current density operations, due to increased mass transport limitation in the cell without flow channels. Since industrial and commercial hydrogen production efforts are focused towards high current density operation (> 3 A/cm²), it thus becomes obvious that, in order for the cost effective alternative cell design to establish itself over the conventional cell design, the mass transport issues at high current densities have to be well understood and described. This research work seeks to understand the source of, and to eliminate the mass transport losses in the cost effective alternative cell design in order to get it performing at least as good as the conventional cell design at current densities up to 5 A/cm². To meet this objective, 2-D non-isothermal semi-empirical fully-coupled models of both cell designs have been developed and experimentally validated. The developed validated models were then used as tools to simulate and predict the best operating conditions, design parameters and micro-structural properties of the PTL at which the mass transport issues in the design without flow channels will be at its minimum, so that both cells can exhibit comparable performance even at high current densities.

 

Die PEM Wasser Elektrolyse gilt als effiziente Technologie zur Herstellung von sauberem Wasserstoff zur Energiespeicherung. Trotz der vielen Vorteile führen hohe Kosten für die Produktion konventioneller Komponenten und Stacks zu einer nicht konkurrenzfähigen Technologie. Ein alternatives und kostengünstiges Zelldesign wurde vorgestellt, das, verglichen mit einem konventionellen Design, einen Kostenvorteil von bis zu 25 % hervorbringt. Bei diesem alternativen Zelldesign wird die Platte mit Strömungskanälen, die den größten Kostenanteil birgt, durch eine 3-D poröse Struktur (PTL) ersetzt. Bei hohen Stromdichten zeigt aber ein Design ohne Strömungskanäle niedrigere Leistungsdaten, was durch eine gesteigerte Limitierung des Massentransportes erklärt werden kann. Da sich die industrielle und kommerzielle Wasserstoffproduktion in Richtung hoher Stromdichten (> 3 A/cm²) entwickelt, scheint das erforderliche Verständnis von Massentransporteffekten offensichtlich das kosteneffiziente Design gegenüber dem konventionellen Design voran zu treiben. Diese Arbeit versucht den Ursprung von Massentransportlimitierung des kostengünstigen Zelldesigns zu verstehen und zu eliminieren. Um diese Zielvorgabe zu erreichen, wurden 2-D nicht-isotherme, semi-empirische, vollständig gekoppelte Modelle beider Zelldesigns entwickelt und experimentell validiert. Die entwickelten und validierten Modelle wurden als Werkzeug zur Simulation und Vorhersage der am besten geeigneten Betriebs- und Designparameter, sowie Eigenschaften der Mikrostrukur der PTL verwendet. Die hierin entwickelten Modelle basieren auf einem multiphysikalischen Ansatz, worin thermodynamische, elektrische und thermische Effekte sowie Massentransportuntermodelle gekoppelt und gelöst wurden, um sowohl die Zellpolarisation und individuelle Überpotentiale vorherzusagen, als auch Wärme- und Wassermanagement zu adressieren. Das Alleinstellungsmerkmal dieser Arbeit ist jedoch die Entwicklung von semi-empirischen Gleichungen, um die Überpotentiale der Massentransporthemmung, ausgehend von Gasblasen, vorhersagen zu können. Ebenso wurden zum ersten Mal berechnete PEM Wasser Elektrolyse Polarisationskurven bis zu einer Stromdichte von 5 A/cm² mit eigenen Daten validiert. Die Ergebnisse zeigen, dass Temperatur und Druck, sowie Wasserflußrate und Dicke der PTL die kritischen Parameter sind, um Massentransportlimitierung zu vermeiden. Es wurde sogar gezeigt, dass bei der verwendeten Zellgröße (aktive Fläche = 25 cm²) vergleichbare Leistungsdaten bei 60 °C und 5 A/cm² erreicht werden können, sofern der Betriebsdruck 5 bar übersteigt, die Wasserflussrate größer als 0.024 l/min ist, die Porosität der PTL 50 % übersteigt, die Porendurchmesser größer als 11 µm sind und die PTL Dicke bei 0.5 mm liegt. Bei diesen Parametern wurden Unterschiede zwischen den beiden Zelldesigns von etwa 10 mV bei 5 A/cm² vorhergesagt.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-558128.html