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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

  • 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 hydrogenPEM 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. The models developed in this work are based on a multi-physics approach in which thermodynamic, electrochemical, thermal and mass transport sub-models are coupled and solved numerically, to predict the cell polarization and individual overpotentials, as well as address heat and water management issues. The most unique aspect of this work however, is the development of own semi-empirical equations for predicting the mass transport overpotential imposed by the gas phase (bubbles) at high current densities. Also, for the very first time, calculated PEM water electrolysis polarization curves up to 5 A/cm² have been validated by own experimental data. The results show that, the operating temperature and pressure, inlet water flowrate and thickness of the PTL are the critical parameters for mitigating mass transport limitation at high current densities. In fact, it was found that, for the size of the cells studied (25 cm² active area each), when both cells are operating at the same temperature of 60 °C, the low cost cell design will have a comparable performance to the conventional designed cell even at 5 A/cm² current density when; the operating pressure is ≥ 5 bar, the feed water flowrate is ≥ 0.024l/min∙cm², PTL porosity is 50 %, PTL pore size is ≥ 11 µm and PTL thickness is 0.5 mm. At these operating, design and micro-structural conditions, the predicted difference between the polarizations of both cells will be only ~10 mV at 5 A/cm² operating current density.show moreshow less
  • Die PEM Wasser Elektrolyse gilt als effiziente Technologie zur Herstellung von sauberem Wasserstoff zur Energiespeicherung, besonders bei Kopplung mit erneuerbaren Energien. 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 (engl. Porous transport layer, PTL) ersetzt. Während beide Designs vergleichbare Leistungsdaten im niederen und mittleren Stromdichtebereich zeigen (0 – 2 A/cm2), wurde ein signifikanter Unterschied im hohen Stromdichtebereich beobachtet. Hierbei zeigt ein Design ohne Strömungskanäle niedrigere Leistungsdaten, was durch eine gesteigerte Limitierung des Massentransportes erklärt werden kann. Da sich die industrielleDie PEM Wasser Elektrolyse gilt als effiziente Technologie zur Herstellung von sauberem Wasserstoff zur Energiespeicherung, besonders bei Kopplung mit erneuerbaren Energien. 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 (engl. Porous transport layer, PTL) ersetzt. Während beide Designs vergleichbare Leistungsdaten im niederen und mittleren Stromdichtebereich zeigen (0 – 2 A/cm2), wurde ein signifikanter Unterschied im hohen Stromdichtebereich beobachtet. Hierbei zeigt 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 um das kosteneffiziente Design gegenüber des konventionellen Designs voran zu treiben. Diese Forschungsarbeit versucht den Ursprung von Massentransportlimitierung des kostengünstigen Zelldesigns zu verstehen und eliminieren, um zumindest entsprechende Leistungsdaten des konventionellen Designs bis 5 A/cm² zu erreichen. Um diese Zielvorgabe zu erreichen, wurden 2-D nicht-isotherme, semi-empirische, vollstaendig gekoppelte Modelle beider Zelldesigns entwickelt und experimentell validiert. Die entwickelten und validierten Modelle wurden als Werkzeug zur Simulation und Vorhersage der geeignetsten Betriebs- und Designparameter, sowie Eigenschaften der Mikrostrukur der PTL verwendet. Dabei sind die Verluste durch Massentransport, im Design ohne Strömungskanäle, minimal, sodass beide Designs vergleichbare Leistungsdaten bei hohen Stromdichten zeigen. 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 Betriebstemperatur und Druck, sowie Wasserflußrate am Zelleingang und Dicke der PTL die kritischen Parameter sind, um Massentransportlimitierung bei hohen Stromdichten 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 Flussrate des Eduktwassers 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 Betriebsbedingungen, diesen Design- und Mikrostrukturparametern wurden Unterschiede zwischen den beiden Zelldesigns von etwa 10 mV bei 5 A/cm² vorhergesagt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Emile Tabu Ojong
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus4-46504
Place of publication:Cottbus ; Senftenberg
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of publication:2018
Tag:Experimental Validation; High Current Density; Mass Transport; Modelling; PEM Electrolysis; Porous Transport Layer
Number of pages:XXV, 146
Faculty/Chair:Fakultät 3 Maschinenbau, Elektro- und Energiesysteme / FG Thermische Energietechnik
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