Study of hydrogen purge effects on performance and efficiency of a PEM fuel cell system

Abstract

[EN]: Experimental analysis and CFD modeling is used in this work to analyze system efficiency related to hydrogen purge based water management in an open-cathode PEM fuel cell system. Excess water in a dead-ended anode decreases hydrogen concentration at the active catalyst surface and thus causes fuel cell performance losses. Purging the anode with hydrogen removes water and nitrogen that diffused through the membrane but also means wasting energy and thus decreasing overall system efficiency. Experiments with a 100W open-cathode stack have revealed that the need for a hydrogen purge strongly depends on the operation conditions and the state-of-health of the fuel cell and therefore the decision to perform a purge has to be evaluated online. A dynamic 2D CFD model of a single cell within the stack is used to investigate water distribution and transport within the cell before, during and after performing a purge at different operating conditions, linked to cell performance. Moreover, the model is capable of studying water transfer dynamics across the membrane and along the channel, including liquid water saturation. Altogether, the presented experimental and modeling work helps to improve the understanding of water transport in a PEM fuel cell and thus facilitates the development of strategies for increasing system efficiency and optimizing the water management by properly controlling the hydrogen purge.

[ES]: Análisis experimental y modelado CFD se utiliza en este trabajo para analizar la eficiencia del sistema relacionado con la gestión del agua basada en purgas de hidrógeno en un sistema cátodo-abierto de pilas de combustible tipo PEM. El exceso de agua en el ánodo con la salida cerrada disminuye la concentración de hidrógeno en la superficie del catalizador y por lo tanto provoca pérdidas de rendimiento. Purgar el ánodo con hidrógeno elimina el agua y el nitrógeno que difunde a través de la membrana, pero también significa una pérdida de energía y por lo tanto disminuye la eficiencia global del sistema. Experimentos con un stack de 100W han revelado que la necesidad de una purga de hidrógeno depende fuertemente de las condiciones de operación y el estado de salud de la pila de combustible y por lo tanto la decisión de realizar una purga tiene que ser evaluado en línea. Un modelo dinámico CFD de 2 dimensiones de una sola célula dentro de la pila se utiliza para investigar la distribución y el transporte del agua dentro de la célula antes, durante y después de realizar una purga en diferentes condiciones de funcionamiento, ligados al rendimiento de la célula. Por otra parte, el modelo es capaz de estudiar la dinámica de transferencia de agua a través de la membrana y a lo largo del canal, incluyendo la saturación de agua en estado líquido. En total, el trabajo experimental y de modelado ayuda a mejorar la comprensión de transporte de agua en una pila de combustible tipo PEM y por lo tanto facilita el desarrollo de estrategias para aumentar la eficiencia del sistema y la optimización de la gestión del agua para controlar la purga de hidrógeno de manera adecuada.