Characterization of autonomous direct methanol fuel cell systems with various designs for portable applications

Na, Youngseung

Most people, who use portable electric devices such as laptops, are experiencing a lack of energy in batteries for portable applications. To compensate or substitute batteries, fuel cells have been suggested for several decades. Among fuel cells, polymer electrolyte fuel cells including direct methanol fuel cells are the most probable type due to the simplicity of systems. Even if the systems are simple compared to other fuel cells, they are still quite heavy and large to carry. In this work, first of all, the reference system, which has each component to carry out a single function, is reviewed for steady state analysis and dynamic behaviour with simulations. Second, the models for steady state and dynamic analysis are validated with experiments at various environmental conditions. A fuel cell system was installed in a climate chamber, and operated autonomously - without additional water supply. Water accumulation rate and feasibility envelope for autonomous operation are compared with simulation results. Dynamic behaviour of the reference system is investigated with dynamic current load as disturbance to controllers such as temperature, concentration or water recovery. Third, to increase faradaic efficiency of systems, dynamic concentration control algorithms are employed. The layout of the reference system is modified to build a two-mixer system with an in-line static mixer to adjust concentration quickly. A further modified design, separate tank system, which is equipped with separate tanks for water and methanol solution respectively, is examined. The separate tank system is able to increase or decrease the methanol concentration immediately. In the experiment, the two-mixer system and the separate tank system are found out to have higher faradaic efficiency than the reference system. However, the additional pump and mixer make the system heavier and bigger than the reference system. Fourth, for a simple and compact system, anode and cathode outlet are integrated into a mingled outlet process to one combined heat exchanger in the system. But it loses a significant amount of gaseous methanol in a gas-liquid separator after mingled outlet, which decreases fuel efficiency. To reduce methanol loss, a dynamic concentration controller was implemented into the highly-integrated system. The highly-integrated system is equipped with an integrated separator which combines mixer and separator. In spite of its compact size, the highly-integrated system is revealed to have higher efficiency than the mingled-outlet system due to dynamic concentration control. To sum up the five different designs, two highly efficient systems and two integrated systems are investigated systematically with models and validation. These simulation and experimental results can guide to design optimal systems for high efficiency or compact size as portable power sources.

Heutzutage ist die Verwendung tragbarer elektronischer Geräte, wie Laptops, sehr verbreitet. Dort eingesetzte Batterien weisen jedoch immer noch einen sehr niedrigen Energiegehalt auf. Um dies zu kompensieren, wurden seit mehreren Jahrzehnten Brennstoffzellen als Alternative vorgeschlagen. Wegen der Einfachheit des Systemaufbaus eignen sich hauptsächlich Polymer-Elektrolyt-Brennstoffzellen. Obwohl deren Systemaufbau im Vergleich zu anderen Brennstoffzellen einfach ist, sind die Systeme jedoch immer noch groß und schwer. In der vorliegenden Arbeit wurde als erster Schritt ein Referenzsystem, bei dem jede Komponente eine einzelne Funktion erfüllt, anhand von Simulationen im Hinblick auf das stationäre und das dynamische Verhalten untersucht. Die Modelle für die stationären und dynamischen Analysen konnten anhand von Experimenten bei verschiedenen Umgebungsbedingungen validiert werden. Ein Schwerpunkt lag dabei auch auf autarkem Betrieb, insbesondere hinsichtlich des Betriebs ohne externe Wasser zu-und abfuhr. Die Wasserakkumulationsrate und der dazugehörige autarken Betriebsbereich konnten von erfolgreich in den Simulationsergebnissen reproduziert werden. In einem weiteren Teil wurden verbesserte Regelalgorithmen entwickelt, um die Faradaysche Effizienz der Systeme zu erhöhen. Auch wurde das Layout des Referenzsystems geändert zu einem Zwei-Mixer-System mit einem Inline-Mixer, um Konzentrationen schnell anpassen zu können. Ein weiteres, modifiziertes Design, das separate Tanksystem, ausgestattet mit separaten Tanks für Wasser und für Methanollösung, wurde entworfen und untersucht. Das separate Tanksystem ist in der Lage, die Konzentration des Methanols nicht nur sofort zu erhöhen sondern auch zu verringern. Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass das Zwei-Mixer-System und das separate Tanksystem höhere Faradysche Wirkungsgrade aufweisen als das Referenzsystem. Schließlich wurden für ein besonders kompaktes System (vermischte Ausganssystem) die Anoden- und Kathodenausgänge zusammengeschaltet und über einen gemeinsamen Wärmeübertrager und Gas-Flüssigkeits-separator geleitet. Um den Verlust an Methanol im Gas-Flüssigkeits-separator zu verringern, wurde daher ein dynamischer Konzentrationsregler für das hoch-integrierte System entwickelt. Dieses hoch-integrierte System wurde zusätzlich mit einem integrierten Separator ausgestattet, der die Funktionen eines Mixers und eines Separators verbindet. Dieses System zeigt wegen der dynamischen Konzentrationskontrolle trotz seiner kompakten Größe eine höhere Effizienz als das System ohne integrierten Separator. Die hier erarbeiteten Simulationen und experimentellen Ergebnisse können als Leitlinien dienen, um zukünftige portable oder auch mobile Brennstoffzellensysteme mit hoher Effizienz oder kompakter Größe zu entwerfen.

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Na, Youngseung: Characterization of autonomous direct methanol fuel cell systems with various designs for portable applications. 2017.

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