Paineistetun PEM-Polttokennon kosteudenhallinta

Abstract

Kirjallisuuskatsauksena tehdyssä kandidaatintyössä tarkasteltiin minkä takia PEM-polttokenno tarvitsee kosteutta toimiakseen ja miten kosteutta tulee hallita polttokennossa. Työssä tarkasteltiin myös paineistuksen vaikutusta PEM-polttokennon toimintaan ja kosteudenhallintaan sekä vertailtiin muutamia varteenotettavimpia kostutusmenetelmiä hyödyntäen CEGR-menetelmää katodipuolella.

PEM-polttokennon toiminta perustuu sähkökemialliseen reaktioon, jossa polttoaineena oleva vety reagoi yhdessä hapen kanssa. Reaktiossa syntyy sekä vettä että vapautuu energiaa pääosin sähköenergiana. Reaktiossa anodipuolella vety vapauttaa kaksi positiivisesti varautunutta vetyionia, jotka johtuvat elektrolyytin lävitse katodipuolelle ja mitä parempi vetyionien johtavuus on, niin sitä korkeampi tehontiheys saadaan. Kandidaatintyössä saatiin selville, että kosteudenhallinta liittyy reaktiotuotteen poistamisen lisäksi PEM-polttokennon toimintaan silloin, kun elektrolyyttinä käytetään perfluorisulfonihappoihin perustuvaa membraanikalvoa. Yleisin on rakenteeltaan polytetrafluorietyleeniä (PTFE). Sulfonoituna PTFE membraanikalvoon tulee hydrofiilisiä alueita, jotka kostutettuina parantavat vetyionien johtumista. Työssä saatiin selville, että yleisesti voidaan sanoa elektrolyytin kosteuden olevan optimaalinen, kun katodin ulostulon suhteellinen kosteus on 80–100 %:a. Liian alhainen kosteuspitoisuus aiheuttaa vetyionien johtumisen heikkenemistä sekä voi aiheuttaa elektrolyytin halkeamista. Liiallinen kosteus taas aiheuttaa tulvintaa, jolloin reagenssikaasut eivät pääse reagoimaan ja tiivistemateriaalit voivat liueta aiheuttaen komponenttien saastumista.

Operointipaineen nosto vähentää veden osuutta kuivaa ilmakiloa kohti suhteellisen kosteuden pysyessä vakiona. Paineistuksesta saadut hyödyt ovat suurimmillaan, kun operointipaine on 0,2-0,25 MPa. Katodin ulostulon suhteellinen kosteus voi olla liian alhainen paineistuksesta huolimatta. Tällöin kosteudenhallintaa voidaan tehostaa sisäisten kostu-tusmenetelmien avulla, mutta se ei yleensä riitä yksinään saavuttamaan optimaalista kosteuspitoisuutta. Tällöin CEGR-menetelmää voidaan käyttää hyväksi katodin tuloilman kostutuksessa ulkoisilla kostutusmenetelmillä. Ulkoisista kostutusmenetelmistä voidaan havaita, että sumuruiskutus kompressoriin olisi sopivin vaihtoehto sen positiivisten vaikutusten vuoksi.

The bachelor's thesis made as a literature review investigated why a PEM fuel cell needs humidity management and how humidity should be controlled in the fuel cell. The paper also examined the effect of pressurization on the humidity management of a PEM fuel cell and compared some of the most notable humidification methods using the CEGR method on the cathode side.

The operation of a PEM fuel cell is based on an electrochemical reaction with hydrogen as a fuel that reacts with oxygen. The reaction generates water and releases energy mainly as electrical energy. In the reaction on the anode side, hydrogen releases two positively charged hydrogen ions which pass through the electrolyte to the cathode side, and the better the conductivity of the hydrogen ions, the higher the power density. In the bachelor's thesis, it was found that humidity management involves, in addition to the removal of the reaction product, to the operation of a PEM fuel cell when a membrane based on perfluorosulfonic acids is used as the electrolyte. The most common membrane is polytetrafluoroethylene (PTFE). When PTFE membrane is sulfonated, hydrophilic regions enter which, when humidified, improve the conduction of hydrogen ions. The paper revealed that the humidity content of the electrolyte can generally be optimal when the relative humidity of the cathode outlet is between 80–100 %. Too low humidity content will cause conduction loss and may cause electrolyte cracking, while excessive humidity will cause flooding that will block reagent gases from reacting and dissolving seal materials, causing component contamination.

Increasing the operating pressure reduces the proportion of water per kilogram of dry air while the relative humidity is constant, and the benefits of pressurization are greatest when the operating pressure is 0.2-0.25 MPa. The relative humidity of the cathode outlet may be too low despite the pressurization. In this case, humidity management can be enhanced by internal humidification methods, but this alone is usually not sufficient to achieve optimal humidity content. In this case, the CEGR method can be used for humidifying the supply air of the cathode by external humidification methods. From external humidification methods, atomizing spray injection into the compressor would be the most suitable option due to its positive effects.