fuel cell seminar november

107
1 !"#

Upload: phungkhue

Post on 08-Dec-2016

220 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Fuel Cell Seminar november

1 �������������

���������

�������������������������

��������������������������������

����� �!�"���������#�������������

Page 2: Fuel Cell Seminar november

2 �������������

�����$

������� ������

% ���������&'������������ �!"�������

% ���������&�����(�)���#��������������

% ����������� ���������&'�����������������������

�������� ����

% *+#����������,������-�.�����/�� "�

0��������!�������� ����##�����������1�2�������������#�����,����,��!��!��3��������������3������'�

Page 3: Fuel Cell Seminar november

3 �������������

0!��������3��������4

• Fuel cells are electrochemical devices, which highly efficiently convert energy in a fuel directly into electricity without prior combustion and with no moving parts.

• The process is the opposite of electrolysis.• Fundamentally, all fuel cells operate on hydrogen

and oxygen.

H2 in.

H2O, depleted fuel & product gases out (H2 ).

Oxidant in.

Depleted oxidant and product gases out (H 2 O).

Positive Ions

+ -

(Anode) (Cathode)

Load

Electrolyte(Ion Conductor)

2e-

H+

(Air)

−+ +→ eHH g 22)(2

−− →+ 2)(22

12 OOe g

)(222 liqOHOH →+ −+

H+

H+

H+

H+

H+ H

+

H+

Page 4: Fuel Cell Seminar november

4 �������������

�!�������-��������� ���5������� �67'#��

����

���

���

����

����

��

� ��

�����

�������

�������������

�������������

����

�������������

����������������

�����

����

���

����

����

e- e-

��

����

��

��

���

���

��

���

��

���

���

����

���

���

��

ANODE CATHODE

ELECTROLYTE

��

�5�������'#���!�)����33����������������

Page 5: Fuel Cell Seminar november

5 �������������

8�)��������3��!�� ��������

CFS: Discoverer of the fuel cell effect (1838)

WRG: Inventor of the first fuel cell (1845)

Christian Frederic Schönbein & William Robert Grove

Page 6: Fuel Cell Seminar november

6 �������������

�������������19��619:�;������)��������3��!��������� ���������

Page 7: Fuel Cell Seminar november

7 �������������

�#����� ���������&����

Page 8: Fuel Cell Seminar november

8 �������������

0!'�����3��������������������4

• High efficiencies – best known way to convert the chemical energy

of a fuel into electricity.

• Low acoustic- and other environmental emissions.

• Fuel Cells have excellent part-load characteristics even at low power applications!

• Scalability advantages compared to batteries.

• No moving mechanical parts � less wear & long lifetimes (note: There are still moving

parts in the electrical traction system in a fuel cell vehicle!).

• More than 40,000 hours operation demonstrated with only minor degradation of

efficiencies of PEM fuel cells – compares to typically 2000-5000 hours nominal

operational time of internal combustion engines for cars).

Page 9: Fuel Cell Seminar november

9 �������������

• PEM/DMFC (Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells/Direct Methanol Fuel Cells 50-120°C)

- Lightweight, rugged, fast start-up (PEM temp ~ 70-80°C, HTPEM’s~200°C under dev.)

- No liquid electrolyte

- Poisoned by CO (content must be less than 10-50ppm in reformate)

- Suited for transportation (buses and cars)

- Used (PEM) on Gemini and Skylab

• AFC (Alkaline Fuel Cells ~ 80°C)

- High power density (as high or even higher than PEM)

- Is poisoned by CO2 (impossible to use air as oxidant!)

- Used in the Apollo space shuttles

• PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cells ~ 200°C)

- Most developed fuel cell type – commercially available

- Not quite as efficient as PEM

- Used in stationary power applications – particularly in Japan

• MCFC (Molten Carbonate Fuel Cells ~ 650°C)

- High temperature (corrosion and catalyst deactivation)

- Complex system requirements

- Can use methane directly by internal reforming with Ni-catalyst.

SOFC (Solid Oxide Fuel Cells ~ 1000°C)

- Monolithic design possible (simpler than fixed beds – low pressure drops)

- High temperature – internal reforming might be possible

- Still developmental – electrolyte conductivity the main problem

along with designing ceramic materials and catalysts that can

withstand the high operational temperatures

���������������

���������������

��������������

���������������� ��!�

��� "��� ���#$

%�&������ '�$()�

# *+�����������

�<��'���������'�##���������.

=�����> �����������'����.

/�������������> �

Page 10: Fuel Cell Seminar november

10 �������������

?:�0����������@1:��0����+��0��!�$�9A�5�����$�2:=

Page 11: Fuel Cell Seminar november

11 �������������

��������)��##���������

� !�����'������ �!�"�������

Page 12: Fuel Cell Seminar november

12 �������������

��������)��##���������

� !�����'������ �!�"�������

Page 13: Fuel Cell Seminar november

13 �������������

B�;��C����������� ���������5�!����C

Page 14: Fuel Cell Seminar november

14 �������������

����������������5�����)��

Page 15: Fuel Cell Seminar november

15 �������������

&��������'� �,��� �����������##���������

Page 16: Fuel Cell Seminar november

16 �������������

������� �,����D &6�##����������

*���'(�����'�0!�E��

*���'(�����'�0!�E��

��������B����������.����

�����,�������,� ������

Page 17: Fuel Cell Seminar november

17 �������������

������� �,����D &6�##����������

*+������'�!�!�����������#����������

-�����)�����������������)��'����!�,��!���F�.��������������#�����.����!������������

=���������������#�����

�!��#����!��� ������������)��'����,����#�������������������)������������#����������������

5��'�!�!���)�����������������������)�����������#��������3���F�������������'���"��#���������������������#�����#���'�������������������������������G

=�68��

����#���3������������ �,��.�8"��� ������������

Page 18: Fuel Cell Seminar november

18 �������������

������� �,����D &��##����������

����#���3������������ �,��.�8"��� ������������

Page 19: Fuel Cell Seminar november

19 �������������

��������������������#�����'#���

(� �� !����-��!����(� ��=�#��#

CH3OH + 3/2O2 � CO2 + 2H2O

<)������(� ����������$

Page 20: Fuel Cell Seminar november

20 �������������

<��'�!�������������������!�������3��##���������H

� !�����'������ �!�"�������

Page 21: Fuel Cell Seminar november

21 �������������

0!���!�##����,!����� *�63�������������##�����������4

• Dependant mainly upon temperature, pressure and concentration of species and humidification at anode and cathode side.

• A battery has the same characteristic – only the load jcell (the abscissa) should be replaced by the number of operation hours.

FnG

E⋅

∆−=0

Current density [mA/cm²]

Potential [V]

Activation overpotential region: Virtually no changes.

Ohmic overpotential region: A fairly constant ∆V

Electrode polarisation (irreversibilities & I²·R)

Mass transport / Concentration over potential region moves to a higher current. Higher

Pressure

Page 22: Fuel Cell Seminar november

22 �������������

(� ����������������������������������> *� �;�

-)��-)��

$()$()

6 ����������'3��������6������##������������������������������6 ��'�����������������##����������4�

Page 23: Fuel Cell Seminar november

23 �������������

�,����!������������

0 2000 4000 6000 8000 10000 120000

1000

2000

3000

4000

5000

jcell [Ampere/m2]

Wfu

elce

ll [

W/m

2 ]

W fuelcell

Page 24: Fuel Cell Seminar november

24 �������������

7,��*33������'�(�3����������G�

EMFV

el =ηElectrical:

elthermal

HHV

WH

η =∆

Thermal:

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,20

0,2

0,4

0,6

0,8

1

i [A/cm2]

Eff

icie

ncy

[-]

EfficiencyelEfficiencyEfficiencyth

Efficiency (typical PEM Stack H2 & O2)

%83286

237≈

−=

∆∆=

molkJ

molkJ

hg

maxmic,thermodynaη

Page 25: Fuel Cell Seminar november

25 �������������

>������)�����������#������������,!������#�����)����������!�������$

% 7,��!������)�����$

� >�!���>������5����������$������,!�������,�����3�������'������������������������� ������ ��������������������������������������������

� =�,���!������)����������$�,!�������,�����3�������'����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�?�1IJ:I>'����� ������������

�?I:IB�������8�������������

9J�1I1�:I����#!'�����G�"�������B������������������

:��?IA�I"�������B��6666CC6666

J?�9I:�I���� �,��� ����

##.�/���"��,, � ��������0�

�#.�/���"��,, � ��������0�

�������+����*�

�-�#����������6�36�!�6���)������

������� ����1� ��'���+��"�����������,, � ��� ��23��4�����������,�������+�������2

Page 26: Fuel Cell Seminar november

26 �������������

7!�����'������������##�'���3����������G�$

8��������������������������������!���K3��������������������������'��!�� �������33������'C� ��!�� �!���������� �##��� �������� �33������'�3����� ����� ��� ��,� �3� �!�����'������� ��� �� #��3���� !�����������

>�,�)��.� �� !���� ������ ����� ������� !���� ��� �!�� 3��������#���������1:��6������������L�������9?��,!��������3������������������F������'���������!���,������#��������

7!���3���.� !���� ������� ���� 3������ ��� ����#�� �#������� ��������!���3���������.��#���������������!���,������#�������.������)����

Page 27: Fuel Cell Seminar november

27 �������������

7!��"�������'��3�>�����3�����������������!����!��������������!����������'�!�����3����

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0,7 0,75 0,8 0,85 0,9 0,95 1 1,050

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

RH%

σσσσm

[S/m]

T=20°CT=20°C

T=30°CT=30°C

T=40°CT=40°C

T=50°CT=50°C

T=60°CT=60°C

T=70°CT=70°CT=80°CT=80°CT=90°CT=90°C

��������������)��'��3���"�3���11:���������

Page 28: Fuel Cell Seminar november

28 �������������50 55 60 65 70 75 80 85 90 950

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

Tfuelcell [°C]

RH

out%

λλλλair = 2

λλλλair = 2,5

λλλλair = 3

λλλλair = 3,5

λλλλair = 4

λλλλair = 4,5

(Humidification unecessary)

(Humidification necessary)

p = 1 bar, RH%ambient = 70%

�-�����)��>������'����������3�������

Page 29: Fuel Cell Seminar november

29 �������������

7!��33����3���������������#�������� *� ��

1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 30

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

1,4

1,6

1,8

2

2,2

2,4

2,6

2,8

3

3,2

3,4

pfuelcell [bar]

rout

[%]

λair = 1λair = 1,2

λair = 1,4

λair = 1,6

λair = 1,8

λair = 2,0

λair = 2,2

λair = 2,4

λair = 2,6

λair = 2,8

Tfuelcell = 70°CRH%ambient = 70%

Page 30: Fuel Cell Seminar november

30 �������������

������>'������ �������������

H2 Air

~

DC/AC converter

+ -

~

~

District heating

Cathode condenser

PEM Stack

(Grid)

Humidifiers

Exhaust

H2 source

Compressor

Water

Air

H2

O2 + H2O

H2 + H2O

~

Air-filter

Ejector pump

(Separator)

D��������L������#��#�������������!�����63�����������������������)���������9?I��3��!����#������!'����������!�������������

���������&���������������)�����#����������'������������MN����������������������������������3�����������F��,������������3��������

Page 31: Fuel Cell Seminar november

31 �������������

0!���������!�!'�����4�&�����������$

• Storage Issues & Fuel Production/Transportation Infrastructure

�&�����$�O�!���������!�'� ���������8���.����

Page 32: Fuel Cell Seminar november

32 �������������

7!��-�3������ ������$

ReformerFuel

WaterAir

Products(Reformate or Syngas)

H2, CO2, CO, CH4, N2

CnHmOp

CnHmOp + xO2 + (2n-2x-p)H2O = nCO2 + (2n-2x-p+m/2)H2CnHmOp + xO2 + (2n-2x-p)H2O = nCO2 + (2n-2x-p+m/2)H2

–∆Hr = n∆HCO2 – (2n-2x-p)∆HH2O – ∆Hfuel –∆Hr = n∆HCO2 – (2n-2x-p)∆HH2O – ∆Hfuel

General Reforming Reaction (Developed By Argonne National Laboratory):

Enthalpy of Reaction:

Definition of Reforming: The process of converting liquid or gaseous hydrocarbon

fuels into a gas consisting of mainly hydrogen and carbon monoxide.

�+�� ���5�������

Page 33: Fuel Cell Seminar november

33 �������������

&'�����,��!��3�����

Anode

Cathode

Electrolyte

Water/air separator

FUEL REFORMER (Production of H2 and CO2 from a CH-fuel)

Fuel

Reactor

Burner

Exhaust Gasses

Turbine Compressor Motor/Generator

Cooler/HumidifierH2 + CO2

Air

H2O

Approx. 10-20% of inlet H2

Air

H2 + CO2

Air

Air IntakeExhaust

PEMFC

Page 34: Fuel Cell Seminar november

34 �������������

7!�����'������*P����������<3�7!��&�����-�3������ �������-������������������������!����,��!��������)����������'���

Steam Reforming Of DNG, p=1.013 bar, S/C=1

00,10,20,30,40,50,60,70,8

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Temperature, [K]

Mol

ar F

ract

ions

, [-] CO

H2

CO2

CH4

H2O

C(gr)

N2

NH3

Steam Reforming Of CH4, p=1.013 bar, S/C=1

00,10,20,30,40,50,60,70,8

200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Temperature, [K]

Mol

ar F

ract

ions

, [-] CO

H2

CO2

CH4

H2O

C(gr)

”Steam To Carbon Ratio”

B�����������F����������,��!7!��"�&�6=�,������$

http://www.grc.nasa.gov/WWW/CEAWeb/

T [K] p [bar]

z=0 z=lreactor

Tinlet=800K

Toutlet=1050K pinlet=29bar

poutlet=24.5bar

Packed Catalyst Bed Natural gas

Steam

Hydrogen rich synthesis gas.

H2, CO2, CO, H2O & CH4

Heat supply from side fired burners

Page 35: Fuel Cell Seminar november

35 �������������

�<��������������)�������������� *��������$

$���� 6�� ������'���

Page 36: Fuel Cell Seminar november

36 �������������

7!���<��33��������������� �����!������)�������

Effects over time at 200mA/cm² and 10ppm CO

���� ���������� ������������������ ������������ ����������������������

1��+ *+������������$()7���+����/���� ���/���� 8�8����9��

����������3�-��!�����������'����������!��#����������������3������

�&����3���'�����������)��������,!���#��������#����!'�����Q ��#���������������

Page 37: Fuel Cell Seminar november

37 �������������

��������)�� *�6&'�����<#�������<��B�������

Adapted from Volkswagen presentation, 2002Adapted from Volkswagen presentation, 2002

AA

CCAir

Water

Fuel

+ H

2S

Mixingchamber ATR HTS H2S-trap LTS PrOx/Selox

Cat.-Burner

PEM-FC

Condenser

Air

Air

400°C 800°C 400°C 350°C 200°C 150°C

80°C

650°C

Water (For Cooling)

Ste

am a

nd a

ir

Exhaust

Bypass at high COBypass at high CO

Fuel

incl

udin

g su

lphu

r

DeS PreheaterEvaporator

Superheater

GT

CP

~ 0.2 kg/kW ~ 0.2 kg/kW

~ 0.1 kg/kW(including H2S-trap)

~ 0.3 kg/kW ~ 0.2 kg/kW

Adapted from Volkswagen presentation, 2002Adapted from Volkswagen presentation, 2002

AA

CCAir

Water

Fuel

+ H

2S

Mixingchamber ATR HTS H2S-trap LTS PrOx/Selox

Cat.-Burner

PEM-FC

Condenser

Air

Air

400°C 800°C 400°C 350°C 200°C 150°C

80°C

650°C

Water (For Cooling)

Ste

am a

nd a

ir

Exhaust

Bypass at high COBypass at high CO

Fuel

incl

udin

g su

lphu

r

DeS PreheaterEvaporator

Superheater

GT

CP

Adapted from Volkswagen presentation, 2002Adapted from Volkswagen presentation, 2002

AA

CCAir

Water

Fuel

+ H

2S

Mixingchamber ATR HTS H2S-trap LTS PrOx/Selox

Cat.-Burner

PEM-FC

Condenser

Air

Air

400°C 800°C 400°C 350°C 200°C 150°C

80°C

650°C

Water (For Cooling)

Ste

am a

nd a

ir

Exhaust

Bypass at high COBypass at high CO

Fuel

incl

udin

g su

lphu

r

DeS PreheaterEvaporator

Superheater

GT

CP

~ 0.2 kg/kW ~ 0.2 kg/kW

~ 0.1 kg/kW(including H2S-trap)

~ 0.3 kg/kW ~ 0.2 kg/kW

Power Power densitiesdensities areare set set assumingassuming automotiveautomotive targetstargets areare metmet ~ 1kg/kW.~ 1kg/kW.

����������������������������������������������������������������������������������������������������

Page 38: Fuel Cell Seminar november

38 �������������

��L��������������)��1���0�(������-�3�������'����

�=�=�#�7(�

�:0;��ηηηη<��= ���0��,, � ����2�ηηηη<��= �'���*��"� '��������

0 20000 40000 60000 80000 100000 1200000

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

0,22

0,24

0,26

0,28

0,3

0,32

0,34

0,36

Pnet [W]

ηnet (Net efficiency)ηnet (Net efficiency)

Net

eff

icie

ncy

[-]

(Nominal load)

���0��,, � ����2��'���*��"� '��������

Page 39: Fuel Cell Seminar november

39 �������������

����������

% ���������������������#���'���)���#����������������'���#��)��������!�����������������,���

% (�����������)���#������3����������#�������������������������������'�

% ������!����������'������� �������8������������'�������������������������&������.�,!��!����!�#��'������L����������������������F������

% (�)���#������3�!'������#������������������������!��������3��������#��������

% 5������#������������������'���3���������������'�3��������� ������#������.�����)���������8�*�������##��+������'� !"�����#$ ��)��'�!�����������G��

Page 40: Fuel Cell Seminar november

40 �������������

�+��0>������>���&����� ��2

Page 41: Fuel Cell Seminar november

41 �������������

�������&����(���������(�)���#����

��������8-(� ���������E&

8���������3*���'7��!����'

Page 42: Fuel Cell Seminar november

42 �������������

<������

R 7!��������6>�,��������3������������������.�����,!��������������������34

R <#�����������!���������������3��� �67�������!���������

R ����������!��#��������Q8�#��)��������������������#��3�������

Page 43: Fuel Cell Seminar november

43 �������������

7!���������6>�,��������3������������������.�����

,!��������������������34

Page 44: Fuel Cell Seminar november

44 �������������

���������&�!�������67!���*������������������������� �

oducteHOxidant Pr�++ −+−+ ++� eHoductFuel Pr

Fuel Oxidant

+ -

e- e-

H+

Page 45: Fuel Cell Seminar november

45 �������������

Fuel Oxidant

+ -

e- e-

H+

7!����33��������'���/����������

GDL(Gas diffusion Layer)

Electrode/catalyst

Membrane

Hydrophobic & Electric conductive

Porous catalystElectric conductiveProtonic conductive

Protonic conductive

Page 46: Fuel Cell Seminar november

46 �������������

7!�������'�����'�����!��,!���'�������'�

R ���������������������������)��'�R "�3����#���������������)��'�R -�������������'������������������ �.-��

Carbon

Platin

Nafion

MembraneGDL

Reactionsite

Page 47: Fuel Cell Seminar november

47 �������������

���������&�!�������6&���������

MEABipolar plate Bipolar plate

&�����$��������

Page 48: Fuel Cell Seminar november

48 �������������

-���� *��3���������6�����������

&�����$�8-(� ��������

Page 49: Fuel Cell Seminar november

49 �������������

���������&�!�������6&������

&�����$�S�������!���#���

Page 50: Fuel Cell Seminar november

50 �������������

-���� *��3���������6���������F��������������

Page 51: Fuel Cell Seminar november

51 �������������

Page 52: Fuel Cell Seminar november

52 �������������

Page 53: Fuel Cell Seminar november

53 �������������

Page 54: Fuel Cell Seminar november

54 �������������

Page 55: Fuel Cell Seminar november

55 �������������

Page 56: Fuel Cell Seminar november

56 �������������

Page 57: Fuel Cell Seminar november

57 �������������

Page 58: Fuel Cell Seminar november

58 �������������

<#�����������!���������������3��� ��67�������!��������

Page 59: Fuel Cell Seminar november

59 �������������

0!���!�##����,!�����3�������������##�����������4

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,20

0,2

0,4

0,6

0,8

1

1,2

i [A/cm2]

Pot

entia

l [V

]V

Polarisation curve

Activation over potential region

Ohmic over potential region

Cocentration over potential region

• Dependant mainly upon temperature, pressure and concentration of species.

Page 60: Fuel Cell Seminar november

60 �������������

7!����������!�������#��������

R 7!��#����������3��!����������.����F�����������������.��)����!��������*� �������������)��3�����

zFg

EMF∆=

Current

Vol

tage

EMF

0

Page 61: Fuel Cell Seminar november

61 �������������

<#�������#��������

R 7!���#�������#����������3��!��3�������������!��*� ��������!��)�������#����������������

actohmicconcEMFV ηηη −−−=

Page 62: Fuel Cell Seminar november

62 �������������

<#�������#��������6&�#��#�������

Current

Vol

tage

Current

Vol

tage

Ohmic Activation

Current

Vol

tage

=

+ +

Concentration

Current

Vol

tage

Page 63: Fuel Cell Seminar november

63 �������������

���������������6<!���

R 7!���!�������������!�������������3�����������������T �����������������)��'��#��������U >�����3����������)���/����#����������#������

T (�33��������'�����������)��'T ��#�����#�������������)��'T *���

� ⋅= IRohmη

Page 64: Fuel Cell Seminar november

64 �������������

���������������6<!���6�

R 8�������������3�������������3�#����������!��������

NB: Measurements indicates that many of the major ohmic losses are caused by contact resistance between the different layers

Page 65: Fuel Cell Seminar november

65 �������������

����������������6<!���6

R �����������������)��'

Page 66: Fuel Cell Seminar november

66 �������������

��������������������)�����

R 7!�����������������3��!����������!��������������������������������)�������!������'#���P������$

RTEAedtdn /−=

Progress of reaction

Ene

rgy E

Q

Page 67: Fuel Cell Seminar november

67 �������������

���������������6����)�����

R 7!����������!�������������������������������������)����!��������65������P�������

���

����

���

���

� −−��

���

�⋅=RT

FRTF

ii acaaanodeanode

ηαηαexpexp,0

Forward rate Backward rateActivity at zerocurrent

Activation over potentialSymmetry factor

Page 68: Fuel Cell Seminar november

68 �������������

���������������6�������������

R 7!�����������������)���#�������������)�������'��!�����������������3����������������!�������'�����'���

��

��

� ⋅⋅=

OH

OHconc p

pp

FRT

2

222

1

ln2

η

NB: The concentration over potential is negative if the concentration of reactants are less than unity and positiveif the concentration is above unity e.g. a pressurised cell

Page 69: Fuel Cell Seminar november

69 �������������

����������!��#���������Q8�#��)��������������������

#��3�������

Page 70: Fuel Cell Seminar november

70 �������������

Page 71: Fuel Cell Seminar november

71 �������������

Page 72: Fuel Cell Seminar november

72 �������������

Page 73: Fuel Cell Seminar november

73 �������������

Page 74: Fuel Cell Seminar november

74 �������������

����������������

Bipolar plateCathodegas channelPorous layer

Electrolyte membrane

Anode channel

Catalyst layer

Domain of interestBipolar plateCathodegas channelPorous layer

Electrolyte membrane

Anode channel

Catalyst layer

Domain of interest

Page 75: Fuel Cell Seminar november

75 �������������

���#����������(�����

Page 76: Fuel Cell Seminar november

76 �������������

Page 77: Fuel Cell Seminar november

77 �������������

Page 78: Fuel Cell Seminar november

78 �������������

7����#�����3��#����������!���!������

R 7!��3��,�����������������'�=��8"�-��-��V������,!��!��������!�����33������#��'�������#������������

Gurau et al. 1998

Page 79: Fuel Cell Seminar november

79 �������������

��+������������������

R �����+�������������������'.��!���������������������33����������������

dxm

DAtm

eff

∂⋅⋅⋅=∂∂ ρ

F

Ai

ZM

tm faceface ⋅

=∂∂ 1Reaction rate:Reaction rate:

Diffusion rate:Diffusion rate: GD

L (Diffusion)

Catalyst

Mem

brane

Channel

(Laminar convection)

dx

dm

Page 80: Fuel Cell Seminar november

80 �������������

���������������

Polarization Curve

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.5 1 1.5 2

Current density [A/cm2]

Pot

entia

l [V

]

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

Pow

er d

ensi

ty

[W/c

m2]

Voltage Power

Page 81: Fuel Cell Seminar november

81 �������������

�����

� ��� �����

� ������ �����

� ��������

R � ������� ������� ���

R � ������ ������� ���

R � ������ ������� ��

Page 82: Fuel Cell Seminar november

82 �������������

!�����"#�"���$���� �����

Oxygen mass fractions Hydrogen mass fractions

Page 83: Fuel Cell Seminar november

83 �������������

!�����"#�"���$�� �������

Oxygen mass fractions Hydrogen mass fractions

Page 84: Fuel Cell Seminar november

84 �������������

!�����"#�"���$���������

Oxygen mass fractions Hydrogen mass fractions

Page 85: Fuel Cell Seminar november

85 �������������

Polarization CurveVarying channel width

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

1,1

1,2

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4

Current density [A/cm2]

Pot

entia

l [V

]

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

Pow

er d

ensi

ty

[W/c

m2]

Voltage@1mm wide Voltage@2mm width voltage@wide landPower@1mm wide Power@2mm wide Power@wide land

Page 86: Fuel Cell Seminar november

86 �������������

Page 87: Fuel Cell Seminar november

87 �������������

�+��0>������>���&����� ��2

Page 88: Fuel Cell Seminar november

88 �������������

����������&'������Q (�����/��������

��������������������������������

Page 89: Fuel Cell Seminar november

89 �������������

<)��)��,

R �����������������'�3������'�Q >� ��������R ���������3�3�������'R *33������'��3������3�������'R ���������������'�3����������R -������!�����)������,��!����!��������������

Page 90: Fuel Cell Seminar november

90 �������������

&�������������������� �6�'����

FC

mH2

.

mair

.

DC

DC

Tfc PanodeRHfc PCathode

Control ofProcessinputs

Control ofInternalstates

LoadAct

Act

Act Act Act Act

FCController

Load ControlSignal

Load module

+

-

Buffer

Page 91: Fuel Cell Seminar november

91 �������������

R=0.2 Ohm, 2500W

N2

FC

H2

Ejector pump

Safety valve

Control Valve

Compressor Water injection

Cooling system

Safety Valve

Control Valve

=��������'�3�������'�Q >� ��������

Page 92: Fuel Cell Seminar november

92 �������������

��������>���,���

Data Read In

Data Read Out

ControlInterrupt

frequency1000 [Hz]

Sensor inputs

Actuator signals

Digital Signal Processor DSP

PCIInterface

PC

Graphical UserInterface (GUI)

Page 93: Fuel Cell Seminar november

93 �������������

��������&��������

R �����������#��������T 8����#����������

R ���!��������� ��,�T &!�����3����,��!�������������,�$������M�������

R ���!��������� �������T 8����#����������

R ���������3�=���T 8��)���������������������������������

R 7��#�������T 8������������#����##���2��������

R >������'T 8��)�������������������!��!������'��3��!����������

Page 94: Fuel Cell Seminar november

94 �������������

N2

FC

H2

��������&���������Q ������ �������

�-7

Page 95: Fuel Cell Seminar november

95 �������������

��������&���������Q ������ �������

R ������&����Q ���������������

��������5��)�

*L������#��#

7�� ��������

Page 96: Fuel Cell Seminar november

95 �������������

��������&���������Q ������ �������

R ������&����Q ���������������

��������5��)�

*L������#��#

7�� ��������

&��#�3����1�������������3��#�������

��������5��)�

Page 97: Fuel Cell Seminar november

96 �������������

N2

FC

H2

��������&���������Q ���!���� ��������/� ��,

&��,����#����

�-7

�����3��,����������

�-7

Page 98: Fuel Cell Seminar november

96 �������������

N2

FC

H2

��������&���������Q ���!���� ��������/� ��,

&��,����#����

�-7

�����3��,����������

�-7

Page 99: Fuel Cell Seminar november

97 �������������

��������&���������Q =�����������

R ���������86��������R 5���������������D6��������R �,������������ 6��������

Fuel

Cel

l

Load Module

+

-

U

I

P=U I

Page 100: Fuel Cell Seminar november

98 �������������

N2

FC

H2

��������&���������Q 7��#��������/�!������'

Page 101: Fuel Cell Seminar november

99 �������������

FC-system efficiency (HHV)

Page 102: Fuel Cell Seminar november

100 �������������

�����������#��)���33������'

% >�!����33������'��3����#���������������'������% =�,���#�������������������

Q ����5��)��������Q �����������������

% >�!���#�����������!'����������������������3������)������

Page 103: Fuel Cell Seminar november

101 �������������

Future Laboratory facillities – Rerformate FC System

R ���������3�������'�,��!�&'��!�������T ��#���$�8�)���������!����3��������3�

U 0������������������������U �<6#��������U �<

R ���������>����/� �,�����> �������3�������'�T ��#���$�7����)���������!��#��3���������3�3�������������������!����!�����3���!��������#�,���#�����������

Page 104: Fuel Cell Seminar november

102 �������������

Current research activities within the control area

R <#����F�������3��!�� ���������&'��������#�����������R ('������������������3�3���������/���3�������'������R (�)���#������3����������������������������������'�������������'�����������F���!����������3����������������

R (�)���#�����3����������������3��������������3����������#������������������

Page 105: Fuel Cell Seminar november

103 �������������

�������� ��-������!������D�8*7$

% ��*9�#��L���$�K*+#��������������"�������������'��3�������������#���������#�����������3����C��&���'��3��,�6#!����3��,�����������������3����������������

% ���������3���)�����������(�E(�����)�������3���3����������'�������&W�����X�!WL�LX�/�&������6"�������

% � (6���������3� *�63�������������������������

% ���������3�7!�����'������ ���������&'�����.������� �!"�������

% (������������������3� ���������&'�����3���7����#�����##�������������������������.�����������������������������<������!�����������

% (�)���#������3����������'�3����������'�����3���!����!�����> ������������8�)��)������������#������#��������6������#�����,��!���3�������'����������������������

% &�����������=���6���������������,��!�(� ��3���������������������������3�������'�������=������3��������������G�

% 8���������� !�(��#��L������������������������3�3�����������������=������3��������������G�

% (�)���#����������3������'�3����� *�63�����������������3�������'����������� �6-������'��� *�������������� �!"�������/������������������

Page 106: Fuel Cell Seminar november

104 �������������

8��������������-������!� �������$

� ������������ �,������)�������.�D &6#�����

&����6(��3���.�*��������(��)��.�"������

8-(� ����������E&.� *������(� ��3���������.�&)������

(��3�����E&.�"��������������(�)������

D5���D��)�����'��3�5��������.���.�������

*�"��*����������F�����������"���������.�>������

�!�������8��������.�<�����D��)�����'

(7D.�='��'

78��7��!���������8���������.�Y�!��

-��W.�-�����������>�����7�#�W�.�� >��� ��L�����#������

Page 107: Fuel Cell Seminar november

105 �������������

�+��0�>�������>����&����� ��2

��������'����� �0�!�"������"�����8��������' � ��

+����??���8 ��8���8"0?