DESIGN, MANUFACTURING AND TESTING OF HIGH TEMPERATURE PEM FUEL CELL STACK

thumbnail.default.placeholder
Date
2022-02-15
Authors
Budak, Yağmur
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
In recent years, the need for energy has been increasing with the developing of technology and population. The proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) considered to be the preferred alternative energy technology in recent years due to its high efficiency, low emission, high power density, quiet operation and short start-up period. High Temperature PEMFC (HT-PEMFC) type PEMFC provide easy water management and high carbon monoxide (CO) tolerance thanks to over 100 oC of operation temperature. PEMFC must have high CO tolerances for PEMFC commercialization and usage of reformed gases obtained from a short process of gases such as natural gas and methane, which are frequently used today. In this thesis, the design, manufacturing and testing of a nominal 300 W HT-PEMFC stack which has 150 cm2 active area and 12 cells were performed. The materials chosen to manufacture this stack are composite graphite bipolar plates, eloxal coated aluminum plates, Gold-coated copper plate current collectors, stainless steel connections, Viton® gasket, Pt/C coated carbon paper gas diffusion layer and PBI membranes. In the scope of the thesis, the current test station was upgraded in order to test HT PEMFC stack by reformate gas mixture. Firstly, a single HT-PEMFC performance test was performed with Hydrogen (H2) gas and reformate gas mixture supply at 160oC in order to obtain the design parameters of the stack would be produced. The current density value at 0.6 V was obtained as 0.33 A/cm2 with H2 supply, and 0.28 A/cm2 was obtained with reformate gas mixture supply. Then, according to single HT-PEMFC test result, the stack of HT-PEMFC was designed. After the design of the stack, the pressure drop on the bipolar plate was analyzed for 3 different gas flow rates using Solid Works® Flow Simulation program. The pressure losses were determined maximum 83.5 Pa for H2 at 0.5 slpm and 129.83 Pa to reformate gas mixture (H2/CO2/CO;75/22/3) at 0.56 slpm. After that, the performance of stack produced were tested by pure H2 and reformate gas mixture supply. The stack power with pure H2 feed was 320 W at 7.2 V operation voltage, it was 218 W at 7.2 V for reformate gas mixture. In addition, with the H2 supply, the total efficiency of the stack was 79 %, while this efficiency decreases to 76 % with its reformate gas mixture supply. These losses can be ignored considering the advantages of reformate gas mixture use and the importance of fuel cell for commercialization.
Description
YÜKSEK SICAKLIK PEM YAKIT HÜCRESİ YIĞINI TASARIMI, ÜRETİMİ VE TESTLERİ
ÖZ: Son yıllarda, teknoloji ve nüfusun gelişmesiyle birlikte enerjiye olan ihtiyaç da artmaktadır. Proton Değişim Membran Yakıt Hücreleri (PEMFC), yüksek verimlilikleri, düşük emisyon üretmeleri, yüksek güç yoğunlukları, sessiz çalışmaları ve kısa başlangıç süreleri sayesinde son yıllarda oldukça tercih edilen alternatif enerji teknolojilerinden birisidir. Yüksek Sıcaklık PEMFC (HT-PEMFC) tipi PEMFC, 100 derecenin üzerindeki çalışma sıcaklıkları sayesinde kolay su yönetimi ve yüksek karbon monoksit (CO) toleransı sağlarlar. Bu tip yakıt hücrelerinin günümüzde sıklıkla kullanılan doğal gaz ve metan gibi gazların kısa bir işleminden elde edilen reformat gazlar ile kullanılabilmeleri ve daha kolay ticarileşmeleri için CO toleranslarının büyük olması gerekmektedir. Bu tez çalışmasında, 150 cm2 aktif alana ve 12 hücreye sahip nominal bir 300 W HT PEMFC yığınının tasarımı, üretimi ve testleri yapılmıştır. HT-PEMFC yığınının üretimi için seçilen malzemeler; kompozit grafit bipolar plakalar, eloksal kaplı alüminyum plakalar, Altın kaplı bakır plaka akım toplayıcıları, paslanmaz çelik bağlantılar, Viton® conta, Pt/C kaplı karbon kâğıt gaz difüzyon tabakası ve PBI membranlarıdır. Tez kapsamında, mevcut test istasyonu HT-PEMFC yığınını reformat gaz karışımı ile test edebilmek amacıyla geliştirilmiştir. Yığının tasarım parametrelerinin belirlenebilmesi için ilk olarak 160oC'de Hidrojen (H2) gazı ve reformat gaz karışımı beslemesi ile tek hücreli performans testleri yapılmıştır. 0.6 V çalışma voltajında H2 gazı ile 0.33 A/cm2 ve reformat gaz karışımı ile 0.28 A/cm2 akım yoğunluğu değerleri elde edilmiştir. Daha sonra tek hücreli HT-PEMFC’in test sonucuna göre HT-PEMFC yığını tasarımı yapılmıştır. Yığın tasarımının ardından bipolar plaka üzerindeki basınç kaybı, Solidwork Flow Simulation programı kullanılarak 3 farklı gaz akış hızı için analiz edilmiştir. Maximum basınç kayıpları, H2 ve reformat gaz karışımı (H2/CO2/CO-75/22/3) için sırasıyla 0.5 slpm de 83.5 Pa ve 0.56 slpm de 129.83 Pa olarak hesaplanmıştır. Ardından üretilen yığın performansları H2 ve reformat gaz ile test edilmiştir. Saf H2 beslemeli HT-PEMFC yığınının gücü 7.2 V çalışma voltajında 320 W iken, reform gaz karışımı ile HT-PEMFC yığınının gücü 7.2 V'da 218 W elde edilmiştir. Buna ek olarak, H2 beslemesi ile yığının toplam verimi %79 olarak belirlenirken, reformat gaz beslemesi ile verim % 76'ya düşmektedir. Bu kayıplar, reformat gaz karışımı kullanımının avantajları ve yakıt hücresinin ticarileşmesi göz önüne alındığında ihmal edilebilecek kayıplarıdır.
Keywords
manufacturing engineering
Citation