Investigation of Governing Physics in a PEM Electrolyzer
(2020) KETM05 20202Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
- Abstract
- Hydrogen gas is an energy source that has an energy density (per mass) that is three times as large than the energy density of natural gas. This qualifies hydrogen gas as a prime candidate for the fuel of tomorrow. One of the main research areas for hydrogen include the production of it as there are a vast amount of methods of hydrogen production. Renewable hydrogen can potentially be produced through water electrolysis, which is investigated in this thesis.
The aim was to model and simulate the behaviour of a two-dimensional PEMEC using COMSOL Multiphysics 5.5. Once the model was complete and compared with experimental data from the literature, the model was used to investigate the losses that take place in a PEMEC by considering five... (More) - Hydrogen gas is an energy source that has an energy density (per mass) that is three times as large than the energy density of natural gas. This qualifies hydrogen gas as a prime candidate for the fuel of tomorrow. One of the main research areas for hydrogen include the production of it as there are a vast amount of methods of hydrogen production. Renewable hydrogen can potentially be produced through water electrolysis, which is investigated in this thesis.
The aim was to model and simulate the behaviour of a two-dimensional PEMEC using COMSOL Multiphysics 5.5. Once the model was complete and compared with experimental data from the literature, the model was used to investigate the losses that take place in a PEMEC by considering five various cases with different assumptions made in each case. To take it one step further, a sensitivity analysis was performed to determine to what extent the parameters would affect the system efficiency.
In summary, the results showed that temperature contributed largely to the mass transport loss in the polarization curves. In general, the losses were larger for a higher temperature. Taking only the electrochemistry into account, resulted in the lowest loss at low current densities. Using a multi-phase model together with a water transport model yielded the largest loss at intermediate to high current densities, regardless of temperature. The sensitivity analysis showed that by doubling the catalyst layer thickness, a clear mass transport loss is visible, thus, showing that the catalyst layer thickness has a large effect on the model. (Less) - Abstract (Swedish)
- Vätgas är en energikälla som har en energidensitet (per massa) tre gånger så stor som naturgas. Detta gör så att vätgas är en huvudkandidat för morgondagens bränsle. Ett av de viktigaste forskningsområderna för vätgas innefattar produktion av vätgas eftersom det finns en stor mängd metoder för vätgasproduktion. Återvinnbar vätgas kan potentiellt produceras med vattenelektrolys, som undersöks i detta examensarbete.
Syftet var att modellera och simulera beteendet hos en tvådimensionell polymerelektrolytmembran elektrolytiskcell (PEMEC) med hjälp av COMSOL Multiphysics 5.5. När modellen var klar och den hade jämförts med experimentell data, användes modellen för att undersöka de förluster som sker i en PEMEC genom att studera fem olika... (More) - Vätgas är en energikälla som har en energidensitet (per massa) tre gånger så stor som naturgas. Detta gör så att vätgas är en huvudkandidat för morgondagens bränsle. Ett av de viktigaste forskningsområderna för vätgas innefattar produktion av vätgas eftersom det finns en stor mängd metoder för vätgasproduktion. Återvinnbar vätgas kan potentiellt produceras med vattenelektrolys, som undersöks i detta examensarbete.
Syftet var att modellera och simulera beteendet hos en tvådimensionell polymerelektrolytmembran elektrolytiskcell (PEMEC) med hjälp av COMSOL Multiphysics 5.5. När modellen var klar och den hade jämförts med experimentell data, användes modellen för att undersöka de förluster som sker i en PEMEC genom att studera fem olika fall med olika antaganden i varje fall. För att ta modellen ett steg vidare utfördes det en känslighetsanalys för att avgöra i vilken utsträckning parametrarna skulle påverka effektiviteten av systemet.
Sammantaget visade resultaten att temperaturen till stor del bidrog till en masstransportförlust i polarisationskurvorna. I allmänhet var förlusterna större för högre temperatur. Om man bara tar hänsyn till elektrokemin, resulterade det i den lägsta förlusten vid låga strömtätheter. Att använda en flerfasmodell tillsammans med en vattentransportmodell gav den största förlusten vid mellanliggande till höga strömtätheter, oavsett temperatur. Känslighetsanalysen visade att genom en fördubbling av katalysatorskikttjockleken är en tydlig masstransportförlust synlig, vilket visar att katalysatorskikttjockleken har stor effekt på modellen. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Vätgas är en viktig gas med många praktiska tillämpningar såsom bränsle i bränsleceller och som reduktionsmedel i den kemiska industrin. Just nu produceras vätgas vanligtvis med ångreformering. Ångreformering har nackdelen att den inte använder sig av hållbara reaktanter såsom metan och att den producerar koldioxid som biprodukter, som bidrar till växthuseffekten. En alternativ metod för att producera vätgas är elektrolys. Elektrolys använder sig endast av vatten och elektricitet som betraktas vara en hållbar energikälla beroende på vilken metod man använder för att producera elektricitet.
Polymerelektrolytmembran elektrolys cell (PEMEC) är en specifik typ metod för elektrolys som hittills inte studerats mycket. I detta arbete har... (More) - Vätgas är en viktig gas med många praktiska tillämpningar såsom bränsle i bränsleceller och som reduktionsmedel i den kemiska industrin. Just nu produceras vätgas vanligtvis med ångreformering. Ångreformering har nackdelen att den inte använder sig av hållbara reaktanter såsom metan och att den producerar koldioxid som biprodukter, som bidrar till växthuseffekten. En alternativ metod för att producera vätgas är elektrolys. Elektrolys använder sig endast av vatten och elektricitet som betraktas vara en hållbar energikälla beroende på vilken metod man använder för att producera elektricitet.
Polymerelektrolytmembran elektrolys cell (PEMEC) är en specifik typ metod för elektrolys som hittills inte studerats mycket. I detta arbete har därför detta system undersöks genom simuleringar, för att undersöka hur olika fysikaliska processer påverkar det. Ett simuleringsredskap som används för att genomföra simuleringen. När simuleringen är genomförd, analyseras och jämförs fem olika fall, där tas hänsyn till olika fysik och fenomen. Även en känslighetsanalys genomfördes för att se vilka parametrar som hade starkast påverkan på modellen.
Resultatet av denna insats var att förlusterna var större vid högre temperaturer. Känslighetsanalysen visade att en katalysatorparametrar hade starkast påverkan på modellen jämfört med de andra parametrar som analyserades. Med detta, transporten av kemiska specier visade sig ha mindre betydelse i systemet. Framtida arbete inkluderar att ta hänsyn till hydrofobiciteten av det material som brukar användas med annorlunda metoder. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9033130
- author
- Hajireza, Kian LU
- supervisor
- organization
- course
- KETM05 20202
- year
- 2020
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- chemical engineering, electrochemistry, polymer-electrolyte membrane, electrolysis, hydrogen production, COMSOL, physics-based mode, multiphase transport, kemiteknik
- language
- English
- id
- 9033130
- date added to LUP
- 2021-03-19 12:35:53
- date last changed
- 2021-03-19 14:03:38
@misc{9033130,
abstract = {{Hydrogen gas is an energy source that has an energy density (per mass) that is three times as large than the energy density of natural gas. This qualifies hydrogen gas as a prime candidate for the fuel of tomorrow. One of the main research areas for hydrogen include the production of it as there are a vast amount of methods of hydrogen production. Renewable hydrogen can potentially be produced through water electrolysis, which is investigated in this thesis.
The aim was to model and simulate the behaviour of a two-dimensional PEMEC using COMSOL Multiphysics 5.5. Once the model was complete and compared with experimental data from the literature, the model was used to investigate the losses that take place in a PEMEC by considering five various cases with different assumptions made in each case. To take it one step further, a sensitivity analysis was performed to determine to what extent the parameters would affect the system efficiency.
In summary, the results showed that temperature contributed largely to the mass transport loss in the polarization curves. In general, the losses were larger for a higher temperature. Taking only the electrochemistry into account, resulted in the lowest loss at low current densities. Using a multi-phase model together with a water transport model yielded the largest loss at intermediate to high current densities, regardless of temperature. The sensitivity analysis showed that by doubling the catalyst layer thickness, a clear mass transport loss is visible, thus, showing that the catalyst layer thickness has a large effect on the model.}},
author = {{Hajireza, Kian}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Investigation of Governing Physics in a PEM Electrolyzer}},
year = {{2020}},
}