Development and experimental investigation of proton exchange membrane fuel cell operation simulation model

Abstract

Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFCs) are at the forefront, offering high-efficiency and zero-emission for power generation. However, their significant cost hinders the widespread adoption of PEMFCs, primarily due to the reliance on platinum-based catalysts in the electrodes. Reducing the dependency on such expensive materials is critical to making PEMFCs economically viable and expanding their role in the transition toward a sustainable energy future. In this sense, the scope is to examine how the performance of PEMFC is affected by applying bimetallic catalyst layers, especially platinum-ruthenium, to minimize the percentage of platinum. Bimetallic catalysts have gained attention due to their potential to reduce cost while maintaining high catalytic activity. However, the transport properties, electrochemical reactions, and durability challenges associated with bimetallic catalysts must be further evaluated. Developing a simulation model incorporating bimetallic catalysts is crucial for optimizing PEMFC performance before construction. Allows for early determinations of adjustments in theoretical predictions and efficient material utilization, reducing the costly and time-consuming modification during tests. In this respect, a detailed literature review was undertaken to evaluate the computational models and the methods for simulating the catalyst layers in a PEMFC. While existing studies have made significant steps in modelling these processes for conventional platinum-carbon catalyst layers, a notable gap in knowledge was identified concerning the modeling of bimetallic catalyst layers. To minimize that gap, a three-dimensional PEMFC model was developed to comprehensively simulate the coupled transport and electrochemical phenomena, emphasizing the performance of PEMFCs featuring bimetallic catalyst layers. The model incorporates detailed descriptions of the transport phenomena of reactant gases, which is crucial for understanding how the composition and morphology of bimetallic catalyst layers influence PEMFC’s performance. Furthermore, an experimental study was conducted to evaluate the performance of PEMFC electrodes under two distinct catalyst layer compositions. The primary objective of this experiment was to validate the accuracy of the developed three-dimensional PEMFC model. The experimental operating conditions and structural parameters of the applied catalyst layer compositions were incorporated into the model to achieve maximum accuracy in the simulation procedure. This comparative analysis enabled the identification of key parameters influencing the performance of PEMFCs with bimetallic catalysts. It provided insights into the extent to which the theoretical framework could capture the complex interplay of transport and electrochemical phenomena. The results showed that the model demonstrated high accuracy in predicting the actual PEMFC’s performance when the operating conditions and structural parameters of the catalyst layers were applied. A key feature of the model is its adaptability to capture the impact of variations in critical parameters, such as the charge transfer coefficients and the electrolyte conductivity, which describe the electrochemical and transport processes within the cell. The model provided precise predictions by adjusting these parameters within experimentally reasonable values.

Οι κυψέλες καυσίμου ανταλλαγής πρωτονίων (Proton Exchange Membrane Fuel Cells-PEMFCs) βρίσκονται στο προσκήνιο των τεχνολογικών εξελίξεων, προσφέροντας υψηλή απόδοση και μηδενικές εκπομπές κατά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ωστόσο το σημαντικά υψηλό κόστος κατασκευής των ηλεκτροδίων τα οποία βασίζονται στην πλατίνα (Pt) αποτελούν τροχοπέδη για την μαζική εμπορική διαθεσιμότητα των PEMFCs. Η μείωση της χρήσης αλλά και της εξάρτησης από τέτοια υλικά είναι απαραίτητη για την οικονομική βιωσιμότητα των PEMFCs καθώς και για την ενίσχυση του ρόλου τους. Λαμβάνοντας υπόψιν τα παραπάνω, ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να εξεταστεί πως επηρεάζεται η απόδοση της κυψέλης καυσίμου εφαρμόζοντας διμεταλλικές καταλυτικές επιφάνειες πλατίνας-ρουθηνίου, προκειμένου να ελαχιστοποιηθεί το ποσοστό χρήσης της πλατίνας. Πιο συγκεκριμένα, οι διμεταλλικοί καταλύτες έχουν παρουσιάσει ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω της δυνατότητας να μειώσουν το κόστος κατασκευής διατηρώντας υψηλή καταλυτική δραστηριότητα. Ωστόσο τα φαινόμενα μεταφοράς, οι ηλεκτροχημικές αντιδράσεις και οι προκλήσεις που παρουσιάζονται σχετικά με την ανθεκτικότητα τους χρήζουν περαιτέρω εξέτασης. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι απαραίτητη η ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης δίνοντας έμφαση στα δομικά χαρακτηριστικά των καταλυτικών επιφανειών. Κατά αυτόν τον τρόπο δίνεται η δυνατότητα, να προσδιορίζεται η επίδραση στην απόδοση της κυψέλης καυσίμου που επιφέρουν οι αλλαγές στις καταλυτικές επιφάνειες, πριν το στάδιο της κατασκευής, μειώνοντας τις δαπανηρές και χρονοβόρες τροποποιήσεις που απαιτούνται κατά τη διάρκεια των δοκιμών. Για αυτό το σκοπό, πραγματοποιήθηκε λεπτομερής βιβλιογραφική ανασκόπηση για τη αξιολόγηση των υπολογιστικών μοντέλων και των μεθόδων προσομοίωσης των καταλυτικών επιφανειών στις PEMFC. Λαμβάνοντας υπόψιν τις εργασίες που μελετήθηκαν, προέκυψε ότι παρόλο που οι υπάρχουσες μελέτες έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο στην προσομοίωση συμβατικών καταλυτικών επιφανειών πλατίνας, παρατηρήθηκε ότι υπάρχει κενό σχετικά με τη μοντελοποίηση διμεταλλικών καταλυτικών επιφανειών. Έτσι, αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο με στόχο την ολοκληρωμένη προσομοίωση, ηλεκτροχημικών φαινομένων και φαινομένων μεταφοράς των αέριων αντιδρώντων, για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι διμεταλλικές καταλυτικές επιφάνειες επηρεάζουν τη λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκε πειραματική μελέτη για την αξιολόγηση της απόδοσης κυψέλης καυσίμου με ηλεκτρόδια υπό δύο διαφορετικές συνθέσεις καταλυτικών στρωμάτων. Ο κύριος στόχος του πειράματος ήταν η επικύρωση της αξιοπιστίας του μοντέλου προσομοίωσης. Οι πειραματικές συνθήκες λειτουργίας και οι δομικές παράμετροι των καταλυτικών επιφανειών, χρησιμοποιήθηκαν ως δεδομένα εισόδου στο μοντέλο, προκειμένου να επιτευχθεί η μέγιστη δυνατή ακρίβεια. Επίσης το μοντέλο παρουσίασε ικανοποιητικά αποτελέσματα ως προς τις μεταβολές σε κρίσιμες παραμέτρους, όπως οι συντελεστές μεταφοράς φορτίου και η αγωγιμότητα του ηλεκτρολύτη. Τέλος, οι θεωρητικές προβλέψεις παρουσίασαν υψηλή ακρίβεια με τα πειραματικά αποτελέσματα που προέκυψαν από τα ηλεκτρόδια που αναπτύχθηκαν.