Pienten polymeeripolttokennojen kuljetusilmiöiden karakterisointi

In small fuel cell systems, energy consumption and size of auxiliary devices should be minimized. One option is to use passive controlling methods that rely on material and structural solutions. Therefore it is important to understand transport phenomena occurring in the cells. In this thesis, charge, mass, and heat transport phenomena related to small PEMFCs were studied experimentally and by modeling. A new method was developed for the characterization of water transport properties of polymer electrolyte membrane under realistic operating conditions. The method was used to evaluate the diffusion coefficient of water in the membrane. Due to channel-rib structure, cell components are inhomogeneously compressed. Charge and mass transport parameters were experimentally evaluated as a function of compression. The effect of inhomogeneous compression on cell operation was studied by modeling. Inhomogeneous compression does not significantly affect the polarization behavior of the cell, but it creates uneven current and temperature distributions inside the cell. This affects both cell performance and life-time and should not be ignored in cell design and modeling. The operation of a free-breathing PEMFC was studied at subzero temperatures. To be able to operate at low temperatures, current density must be high enough to avoid freezing of reactant product water inside the cell. Start-up at cold temperatures requires active heating. To maximize fuel efficiency, the operation of a free-breathing PEMFC in dead end mode was investigated. Dead ended operation with periodic purging enables high fuel utilization rate and the test cell operated without significant water management problems or performance loss.Pienissä polttokennojärjestelmissä on tärkeää minimoida oheisjärjestelmien koko ja energiankulutus, jonka vuoksi kennon ohjauksessa pyritään käyttämään passiivisia järjestelmiä. Passiivinen ohjaus perustuu materiaali- ja rakenneratkaisuihin, joten suunnittelu- ja kehitystyön kannalta kennossa tapahtuvien kuljetusilmiöiden tunteminen on tärkeää. Tässä työssä tutkittiiin polymeeripolttokennossa tapahtuvia aineen-, varauksen- ja lämmönsiirtoilmiöitä kokeellisesti ja mallintamalla. Elektrolyyttinä käytettävän polymeerimembraanin vedenkuljetusominaisuuksien tutkimiseen kehitettiin uusi menetelmä, jonka tuloksena ominaisuudet pystytään määrittämään todellisissa toimintaolosuhteissa. Menetelmällä määritettiin veden diffuusiokerroin polymeerimembraanissa. Polymeeripolttokennon virtauskanaviston rakenne aiheuttaa kennon komponentteihin epätasaisen puristuksen. Aineen- ja varauksensiirtoa kuvaavien parametrien riippuvuus puristuksesta määritettiin kokeellisesti ja ilmiön vaikutukset kennon toimintaan selvitettiin mallintamalla. Epätasainen puristuma ei vaikuta merkittävästi kennon polarisaatiokäyttäytymiseen, mutta aiheuttaa epätasaiset virta- ja lämpötilajakaumat kennon sisälle. Ilmiöllä on tärkeä merkitys kennon suorituskyvyn ja eliniän kannalta ja se täytyy huomioida kennosuunnittelussa ja mallintamisessa. Vapaastihengittävän polymeeripolttokennon toimintaa tutkittiiin kylmissä olosuhteissa. Kennon toiminta kylmässä edellyttää riittävän suurta virrantiheyttä ja lämmöntuottoa estämään veden jäätyminen kennon sisällä. Kylmäkäynnistys edellyttää matalassa lämpötilassa erillistä kuumennusjärjestelmää. Vapaastihengittävän kennon toimintaa testattiin korkealla polttoaineen käyttöasteella hyötysuhteen maksimoimiseksi. Kenno toimi korkeilla polttoaineen käyttöasteilla ilman merkittäviä vedenhallintaongelmia tai suorituskyvyn alenemista.reviewe