Development and Analysis of Proton Exchange Water Electrolyzer (PEMWE) Model with Chemical Degradation Phenomenon

Abstract

Klimagassutslipp representerer en pågående global problemstilling som presser land over hele verden mot en økning av mengden energi produsert av fornybare energikilder. For å håndtere at fornybare energikilder generelt ikke opererer hele tiden kreves et effektivt energilagringssystem. Hydrogen betraktes som en god kandidat for lagring av fornybar energi. I denne avhandlingen gjennomføres en detaljert litteraturgjennomgang for å studere forskjellige hydrogenproduksjonsteknologier. Det har vist seg at vannelektrolysatoren spiller en viktig rolle for fornybare ressurser basert på hydrogen. Derfor blir det i dette arbeidet analysert en detaljert modell av en Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer (PEMWE) og det kjemiske nedbrytningsfenomenet PEMWE. Spesielt utvikles en matematisk modell for PEMWE-drift i steady state. Simuleringer utføres ved å variere driftsforholdene (temperatur, strømtetthet og trykk) og effekten på cellespenningen undersøkes ved bruk av MATLAB®. I tillegg analyseres en kjemisk nedbrytingsmodell for å studere membranoppløsningen i fravær av kilder til metallioniske urenheter. Dette viste innflytelsen fra driftsparametrene på nedbrytningsfenomenet. De viktigste resultatene av dette arbeidet er bidragene til forskningsaktiviteter og grunnlag for ytterligere optimalisering av PEM vannelektolysatorer. Disse aktivitetene utføres som en del av forskningsprosjektet Clean Energy Export som utnytter Norges potensiale for fremtidig energieksport til Europa.

The Green House Gas emissions represent an ongoing global issue, pushing countries all over the world towards an increased interest in the renewable energy sources. In this direction, an efficient energy storage system is required to deal with their intermittent operations. To address such challenge, Hydrogen can be considered as a good candidate for renewable energy storage. In this thesis, a detailed literature review is conducted to study different hydrogen production technologies. As a result, an important component for the connection between Hydrogen and the renewable resources is found out to be the water electrolyzer. Therefore, in the proposed work, a detailed model of a Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer (PEMWE) and the chemical degradation phenomenon of PEMWE is analyzed. In particular, a mathematical model of PEMWE operation at steady state is developed. Simulations are performed by varying the operating conditions (temperature, current density and pressure) and the effect on the cell voltage is examined in MATLAB® environment. In addition, a chemical degradation model is analyzed to study the membrane dissolution in absence of metal-ions impurities source, showing the influence of the operating parameters on the degradation phenomena. Moreover, contribution to research activities and foundation for further optimizations of PEM water electolyzers are the major outcomes of this work. These activities are performed as a part of Clean Energy Export research project that exploits Norway’s potential for future energy export to Europe.