Modeling and control of a humidifier for PEM and SO fuel cells

Abstract

Diese Arbeit wurde angefertigt um die Funktionsweise der beiden Brennstoffzellentypen PEMFC und SOFC zu erörtern, um zu klären wie das Wassermanagement im Speziellen in der PEMFC abläuft und in wie weit der Feuchtigkeitsgrad im Elektrolyten sich auf die momentane Leistung und in weiterer Folge auf die Lebensdauer auswirkt. Die Membranfeuchtigkeit ist neben den Material- und Fertigungskosten ein Hauptgrund, warum sich die Brennstoffzelle am Markt noch nicht durchsetzen konnte. Der Fokus dieser Arbeit liegt auf der Befeuchtungseinheit.<br />Es werden in Kapitel 3 industriell verwendete Befeuchter aufgezeigt und bewertet. Die Bewertung erfolgt nach verschiedenen Kriterien wobei die Dynamik und die Genauigkeit mit welcher konditioniert werden kann im Vordergrund stehen. An dieser Stelle sei erwähnt, dass es sich in dieser Arbeit um prüfstandsbezogene Anwendungen handelt um die Auswirkungen von relativer Luftfeuchtigkeit, Temperatur, usw. auf die Brennstoffzelle testen zu können und nicht um in erster Linie einen serienreifen Befeuchter für die Automobilindustrie zu entwickeln. Die Anforderungen für den Einsatz im mobilen Bereich unterscheiden sich stark von denen der Prüfstände. Zuerst muss die Brennstoffzelle für sich verstanden werden. Dazu sind fundierte Forschung und Modellbildung notwendig um kostenintensive reale Brennstoffzellenversuche und die Zerstörung von teureren Brennstoffzellenstacks zu vermeiden.<br />Die wichtigen Parameter für die Vorkonditionierung sind die Befeuchtungsdauer (Konditionierstrecke), welche auch die Dynamik indirekt inkludiert, und die Genauigkeiten, mit welcher speziell die Feuchtigkeit und die Temperatur geregelt werden können. Die am weitesten verbreitete Befeuchtung ist zur Zeit die Dampfeindüsung mit sämtlichen, in Kapitel 3, erwähnten Vor- und Nachteilen.<br />Um den Verdampfungsvorgang eines Wassertropfens unter verschiedenen Bedingungen veranschaulichen und eine Abschätzung im Bezug auf die Verdampfungsdauer geben zu können, wurde in Kapitel 5 ein Differentialgleichungsmodell zur Tröpfchenverdampfung in Matlab erstellt. Weiters sollen die Ergebnisse Aufschluss geben, ob eine Wassereinspritzung qualitativ bessere Ergebnisse in punkto Dynamik und Genauigkeit liefert als die Damfpeindüsung.<br />Um die entwickelten Modelle für die Tröpfchenverdampfung auf einem Prüfstand anwenden zu können, wurde eine Steuerung realisiert, um verbesserte Betriebsbedingungen bei Stellgrößenänderungen zu ermöglichen und zusätzlich auf längere Sicht eine höhere Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks zu erzielen.<br />Diese Steuerung wird in Kapitel 7 ausführlich dargestellt.<br />

This thesis intends to give an overview of how the Proton Exchange Membrane Fuel Cell or also called Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC) and the Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) work. It further shows why both types need preconditioned water and how far the water management influences the efficiency and the lifetime of each fuel cell type. The main focus lies on the identification of possible humidification methods, especially for the PEMFC, to evaluate all the listed methods and to find the best solution to evaporate as dynamic and as accurate as possible. It has to be mentioned that the compiled results primarily serve for test bed purposes, to quantify how specific parameters as relative humidity, temperature, etc. influence the operation of the fuel cell itself, and not to present a final humidifier type for low cost automotive applications.<br />At first, there had to be done some research, which is described chronologically in this thesis. After that research, this knowledge can be applied carefully on a real fuel cell stack to prevent a costly damage.<br />The decisive parameters concerning humidification are the humidification duration (preconditioning length of the humidifier), which includes indirectly the dynamic of the humidifier, and the accuracy, which means how exactly parameters can be set and controlled. The most commonly used humidifier for test bed purposes is the direct steam injector humidifier. Its advantages and disadvantages will be described later in chapter 3.<br />In chapter 5 it will be presented a theoretical approximation of how water droplets evaporate and how long it takes until they are completely evaporated. A complex mathematical differential equation model will support this approximation. The results of the calculation shall clarify, whether the liquid water injection, in various forms, is an option to the well established direct steam injection method and especially what are the essential parameters to optimize the evaporation process with respect to dynamic and accuracy requirements.<br />Chapter 7 presents the final task, a control design is realized which should be used for real test bed applications in the future to optimize the operating conditions and increase the lifetime of the fuel cell stack.<br />