Analýza provozních stavů palivového článku PEM

Bc. Petr KADLEC

Master's thesis

Analysis of operating parameters of the PEM fuel cell

Abstract:

Předkládaná diplomová práce se zabývá vodíkovými palivovými články s polymerní iontově propustnou membránou. V první části práce jsou uvedeny základní informace o vodíkových palivových článcích a je řešena problematika jejich konstruování. Ve stručnosti jsou popsána nejběžnější konstrukční uspořádání včetně rozboru použitých komponentů. Diplomová práce poskytuje v první části také úvod do elektrochemických procesů probíhajících v palivových článcích daného typu. Jsou uvedeny základy termodynamiky a stručně zmíněn postup určování účinnosti palivového článku. V následující části práce jsou podrobně charakterizovány hlavní komponenty vodíkového palivového článku. Charakterizace je provedena z funkčního a materiálového hlediska. Důraz se klade na polymerní iontově (protonově) propustné membrány, katalytické vrstvy a difuzní vrstvy. Pro získání představy o zmíněných komponentech jsou využity moderní diagnostické a zobrazovací metody. Třetí část diplomové práce se věnuje podrobné specifikaci laboratorních vodíkových palivových článků, které jsou instalované v univerzitní laboratoři. Na těchto palivových článcích je provedena řada měření směřujících k ověření teoretických předpokladů. Velká důležitost je přikládána měření voltampérových a výkonových charakteristik. Výsledky měření jsou hodnoceny v závislosti na konstrukčním uspořádání palivových článků a v závislosti na použitém oxidačním činidlu. Hodnocen je též vliv přítomnosti vody a vývoj tlaku v systému palivového článku. V neposlední řadě je část práce věnována hodnocení teplotního pole palivových článků a měření parametrů provozních tekutin. V závěru práce je na základě realizovaných měření navržen optimální provoz palivových článků v univerzitní laboratoři.

Abstract:

The master thesis deals with hydrogen fuel cells with a polymer ion-exchange membrane. The first part provides basic information on hydrogen fuel cells and the issue of their design is solved. Briefly the most common structural arrangement is described including a discussion on the used components. In the first part this thesis provides an introduction to the electrochemical processes in that type of fuel cells too. The principles of thermodynamics are briefly shown and a procedure for determining the efficiency of the fuel cell is mentioned. In the following part main components of a hydrogen fuel cell are characterized in more detail. The characterization is carried out in a functional and material point of view. The accent is put on the polymeric ion (proton) exchange membrane, catalyst layer and diffusion layer. To analyse those components modern diagnostic and imaging methods are used. The third part of the thesis is devoted to a detailed specification of laboratory hydrogen fuel cells, which are installed in the university laboratory. With those fuel cells a series of measurements is realized aimed at verifying theoretical assumptions. Great importance is placed on measuring performance and current-voltage characteristics. The results of measurements are evaluated according to the construction of the fuel cell and in dependence on the used oxidant. The influence of the presence of water and the trend of pressure in the fuel cell system is evaluated too. Last but not least, the part of thesis is devoted to the evaluation of the temperature field of fuel cells and to the measurement of parameters of working/operating fluids. In the conclusion the optimal operation of fuel cells is proposed in a university laboratory under realized measurements.

Keywords

Palivový článek, FC, vodík, struktura MEA, protonově výměnná membrána, PEM, Nafion, Fumapem, difuzní vrstva, GDL, katalyzátor, katalytická vrstva, CL, měření pH, měření elektrické vodivosti, strukturální analýzy, test hydrofobnosti, účinnost palivového článku, napětí naprázdno palivového článku, OCV, volt-ampérová charakteristika, výkonová charakteristika, elektrolyzér

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 12. 5. 2014

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Date of defence: 6. 6. 2014
• Supervisor: Ing. Pavel Štekl, Ph.D.

University of West Bohemia

Faculty of Electrical Engineering

Master programme / field:
Electrical Engineering and Informatics / Commercial Electrical Engineering